Praxisbeispiel. Projekt Unser Antrieb: Innovation Elektromobilität in Oberhausen

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1 Praxisbeispiel Projekt Unser Antrieb: Innovation Elektromobilität in Oberhausen Projektträger STOAG Stadtwerke Oberhausen GmbH in Zusammenarbeit mit dem Verkehrsverbund Rhein-Ruhr und Prof. Dr.-Ing. Adolf Müller-Hellmann Ansprechpartner und Kontakt STOAG Stadtwerke Oberhausen GmbH Max-Eyth-Straße Oberhausen Stefan Thurm, Abteilungsleiter Werkstatt und Betriebshof Tel.: Julia Gesing, Verkehrsplanerin Tel.: Ausgangssituation Ein umweltfreundlicher und attraktiver ÖPNV sichert das Grundbedürfnis der Menschen nach Mobilität. Der öffentliche Nahverkehr leistet schon heute einen bedeutenden Beitrag zum Klimaschutz. Um die Klima- und Lärmschutzziele bundesweit, aber auch regional zu erreichen und langfristig unabhängig von der Preisentwicklung der Dieselkraftstoffe zu werden, beschäftigen sich mehr und mehr Verkehrsunternehmen mit alternativen Antriebstechnologien. Die zukunftsfähige Umgestaltung des Mobilitäts- bzw. Verkehrssystems wird durch die Nutzung neuer und bewährter vorhandener Technologien geprägt sein. Antriebstechnologien [sind] durch weitere Forschung zu optimieren. So formuliert es die ÖPNV-Zukunftskommission NRW in ihrem im Jahr 2013 veröffentlichten Abschlussbericht. In dem Einsatz von rein elektrisch betriebenen Bussen im Linienverkehr sehen Verkehrsverbünde und Verkehrsunternehmen eine realistische Perspektive. Elektrobusse fahren abgasfrei und geräuscharm. Der Energiebedarf dieser Fahrzeuge wird durch ein Batteriesystem gedeckt. Zur Ladung der Batterien können verschiedene Ladesysteme zum Einsatz kommen und werden derzeit von Verkehrsunternehmen erprobt. Vorgehensweise Überall dort, wo Nahverkehrsbahnen und Oberleitungsbusse betrieben werden, stehen sehr leistungsfähige Gleichspannungsinfrastrukturen zur Verfügung, aus denen der Gleichstrom zur Unser Antrieb: Innovation Elektromobilität in Oberhausen ( ) 1

2 Ladung der Batterien von Batteriebussen entnommen werden kann. Wenn Batteriebusse zur Kostenund Gewichtsreduzierung mit möglichst kleinen Batterien betrieben werden, müssen diese während der Betriebszeit mehrmals nachgeladen werden. Um eine kurze Ladedauer erreichen zu können, benötigt man eine hohe Ladeleistung, die diese Infrastrukturen ohne zusätzlichen Aufwand zur Verfügung stellen können. Zu diesen Infrastrukturen gehören einerseits die Unterwerke, in denen die zum Betrieb der Nahverkehrsbahnen und O-Busse erforderliche Gleichspannung aus den städtischen Mittelspannungs-Drehstromnetzen erzeugt wird sowie die Fahrleitungsanlagen, aus denen die Bahnen und O-Busse den Gleichstrom mit Hilfe von Stromabnehmern beziehen. Machbarkeitsstudie von STOAG und VRR Im Rahmen einer zweiteiligen Machbarkeitsstudie haben STOAG und Verkehrsverbund Rhein-Ruhr gemeinsam untersucht, inwieweit die vorhandene Infrastruktur der ÖPNV-Trasse in Oberhausen, auf der Busse und Straßenbahnen fahren, genutzt werden kann, um im laufenden Betrieb Elektrobusse zu laden und diese in den betrieblichen Ablauf zu integrieren. Das Ergebnis der Oberhausener Studie zeigt, dass insbesondere die stationäre Energieentnahme zur Schnellladung von Elektrobussen sowohl an einem Straßenbahnunterwerk als auch direkt aus der Fahrleitung am Bahnhof Sterkrade möglich ist und die vorhandene Infrastruktur und die technischen Einrichtungen entsprechend ergänzt werden können. Im Mai 2014 fiel der Startschuss für das gemeinsame Pilotprojekt von STOAG und VRR. Ab Oktober 2015 sind zwei Elektrobusse im Linienverkehr, im März 2016 werden drei Schnellladesäulen für Pkw in Betrieb gehen. Das Projekt wird von Prof. Dr.-Ing. Adolf Müller-Hellmann von der RWTH Aachen fachlich begleitet. Der VRR fördert das Projekt E-Mobilität in Oberhausen von Beginn an. Umsetzung und Wirtschaftlichkeit Die Entnahme des Gleichstroms zur Schnellladung der Batterie eines Batteriebusses sowohl aus einem Unterwerk als auch aus einer Fahrleitung der Straßenbahn wird in dem STOAG-Projekt realisiert. Auch die Batterie-Fahrzeuge anderer Verkehrsträger können aus den vorhandenen Infrastrukturen schnellgeladen werden. Um dieses zu demonstrieren, wird in einem weiteren Projekt die Ladeenergieentnahme für drei Pkw-Schnellladesäulen verwirklicht. Entnahme der Ladeenergie aus dem Unterwerk Neumarkt Aus der folgenden Abbildung ist das Prinzip der Energieentnahme aus dem Unterwerk Neumarkt ersichtlich. Unser Antrieb: Innovation Elektromobilität in Oberhausen ( ) 2

3 Abb.: Prof. Dr. Ing. Müller-Hellmann Es ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur die Komponenten des Unterwerks zur Erzeugung der Gleichspannung mitbenutzt werden können, sondern auch die Unterbringung des Hochleistungsladegerätes zur Regelung des Ladestroms der Batterien im Unterwerk ermöglicht wird. Es muss demnach kein weiteres Gehäuse in Form eines Gebäudes oder eines Containers zur Unterbringung der Komponenten zur Schnellladung der Batterien des Elektrobusses errichtet werden. Entnahme der Ladeenergie aus der Fahrleitung am Bahnhof Sterkrade Die folgende Abbildung verdeutlicht das Prinzip der Energieentnahme aus der Straßenbahn- Fahrleitung am Bahnhof Sterkrade. Anlagen nach diesem Prinzip werden insbesondere dann angewendet, wenn sich optimal gelegene Schnelllademöglichkeiten, z. B. an Knotenpunkten mehrerer Buslinien, in der Nähe einer Fahrleitungsanlage befinden. Abb.: Prof. Dr. Ing. Müller-Hellmann Der Gleichstrom zur Schnellladung der Batterien des Elektrobusses wird bei diesem Anwendungsfall mittels eines Mastschalters aus der Fahrleitung entnommen. Im Outdoor-Schrank 1 befindet sich ein Leistungsschalter für den Kurzschlussschutz. Am Eingang des Schrankes sichert ein Überspannungsableiter die Anlage gegen Überspannungen durch Blitzschlag etc. Im Outdoor-Schrank 2 ist das Schnellladegerät zur Regelung des Ladestroms der Batterien untergebracht. Unser Antrieb: Innovation Elektromobilität in Oberhausen ( ) 3

4 Entnahme der Ladeenergie für Pkw-Schnellladesäulen aus der Fahrleitung am Bahnhof Sterkrade Die folgende Abbildung zeigt die Erweiterung der Anlage zur Entnahme der Ladeenergie zur Schnellladung der Batterien eines Batteriebusses am Bahnhof Sterkrade um drei zusätzliche 50 kw- Schnellladesäulen für Pkw. Elektro-PKW können zusätzlich zum normalen Ladeanschluss mit einer Schnellladefunktion ausgerüstet werden. Um auch hier die Elektromobilität zu unterstützen, errichtet die Energieversorgung Oberhausen AG im März 2016 zusätzlich zu den fünf bereits im Stadtgebiet errichteten Ladestationen nun die ersten zwei öffentlich zugänglichen Schnellladestation in Oberhausen. Die dritte Schnellladesäule ist für Dienstfahrzeuge der STOAG reserviert. Abb.: Prof. Dr. Ing. Müller-Hellmann An der Klemmleiste in dem Outdoor-Schrank 1 sind dafür zusätzlich die drei 50 kw-ladegeräte in den Schnellladesäulen für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge angeschlossen. Einsatz im Linienverkehr Die zwei Elektrobusse werden auf den Linien 962 (Umlauflänge 15,6 km) und 966 (Umlauflänge 13,3 km) auf Oberhausener Stadtgebiet eingesetzt. Beide Linien verkehren im 60 Minuten-Takt, sodass jeweils nur ein Fahrzeug benötigt wird. Nach jedem Umlauf wird die Batterie des Busses an der Endhaltestelle innerhalb von zehn Minuten geladen. Resümee Mit diesen drei Projekten wird die hohe Relevanz vorhandener Gleichspannungsinfrastrukturen des ÖPNV zur kostengünstigen Realisierung dringend benötigter Schnelllademöglichkeiten für ÖPNV- Elektrobusse und Batteriefahrzeuge anderer Verkehrsträger verdeutlicht. Weiterführende Links Unser Antrieb: Innovation Elektromobilität in Oberhausen ( ) 4

5 Unser Antrieb: Innovation

6 2 3 Wir bieten jedem Fahrgast ein attraktives alternatives Mobilitätskonzept. Innovativ von Anfang an Peter Klunk, Technischer Geschäftsführer der STOAG Beste Verbindungen nach innen und nach außen Bereits im Jahr 1897 wurden die Stadtwerke als erstes kommunales Dienstleistungsunternehmen für den Straßenbahnbetrieb in Oberhausen gegründet. Noch im gleichen Jahr rollte die erste Elektrische über die Straßen der Stadt. Heute sorgen 6 Straßenbahnen und 121 Busse für umweltverträgliche Mobilität in Oberhausen. Dynamische Fahrgastinformationssysteme an zentralen Stellen im Liniennetz sowie Monitore in den Fahrzeugen informieren die Fahrgäste aktuell. Alle Fahrzeuge verfügen über Niederflurtechnik; Klimaanlagen und Videoschutzanlagen gehören schon lange zum Standard der Busse. Die STOAG hat sich technischen Entwicklungen gegenüber stets sehr offen gezeigt. Mit der Aufnahme von zwei modernen Hybridbussen startete die STOAG bereits 2012 in die Elektromobilität. Diese innovative Entwicklung wird jetzt durch die Einführung der schnellladefähigen Batteriebusse, die auf den Linien 962 und 966 fahren werden, systematisch fortgesetzt. Nur wenn Verkehrsunternehmen bereit sind, neue Technologien auch einzusetzen und Erfahrungen zu sammeln, sind Fortschritte in der Entwicklung alternativer Antriebstechniken möglich. Der Verkehrsverbund Rhein-Ruhr (VRR) fördert das Projekt E-Mobilität in Oberhausen von Beginn an. Begleitet wird es von Professor Dr.-Ing. Müller-Hellmann von der RWTH Aachen. Der öffentliche Personennahverkehr in Oberhausen ist sehr gut ausgebaut. Mit einem Liniennetz von 578 Kilometern und neun Millionen Nutzwagenkilometern gibt es ein gutes Verkehrsangebot in der Stadt, das von rund 36 Millionen Fahrgästen im Jahr genutzt wird. Kernstück des öffentlichen Nahverkehrs in Oberhausen ist eine vom Autoverkehr unabhängige ÖPNV-Trasse. Sie verbindet den Hauptbahnhof mit den attraktiven Einkaufsund Freizeiteinrichtungen der Neuen Mitte sowie dem Stadtteil Sterkrade und ermöglicht Geschwindigkeiten von bis zu 80 km/h. Moderne Straßenbahnen und SchnellBusse garantieren direkte und lückenlose Verbindungen zwischen den Stadtteilen und den wichtigsten und interessantesten Einrichtungen der Stadt. 17 städteübergreifende Linien verbinden Oberhausen mit den Nachbarstädten Bottrop, Duisburg, Essen, Gelsenkirchen und Mülheim an der Ruhr. Die innerstädtischen Verbindungen ermöglichen an den Bahnhöfen passende Anschlüsse zu den Regionalzügen. NachtExpress -Linien sorgen am Wochenende bis zum frühen Morgen dafür, dass Party gänger sicher ans Ziel und wieder nach Hause kommen. In drei STOAG-KundenCentern können sich die Fahrgäste individuell beraten lassen. Die STOAG ist Mitglied im Verkehrsverbund Rhein-Ruhr (VRR), der ein breites Ticketsortiment für unterschiedlichste Zielgruppen im Angebot hat. Tickets sind auch im Online-Ticket-Shop der STOAG erhältlich. Innovation ist für uns Antrieb des Handelns früher wie heute. Werner Overkamp, Kaufmännischer Geschäftsführer der STOAG

7 4 5 Die neuen Batteriebusse maximale Leistung, minimale Belastung Im Gegensatz zu Bussen mit konventionellen Dieselantrieben findet in den Antrieben von Elektrobussen kein Verbrennungsvorgang statt. Es entstehen daher beim Betrieb der Busse keine Schadstoffe in Form von Rußpartikeln und Stickoxiden, eine aufwändige Schadstoffnachbehandlung entfällt. Durch den Einsatz der Busse werden die engagierten Bestrebungen, die Feinstaubemissionen in Ballungsräumen zu reduzieren, unterstützt. Die Antriebe in Elektrobussen sind viel energieeffizienter als die von Dieselbussen. Die Fähigkeit der Antriebe, beim Bremsen der Busse Energie in die Batterien zurückzuspeisen, führt zu einer weiteren Verbesserung der Energieeffizienz. Elektrobusse sind daher klimaschonend. Wenn sie wie bei der STOAG mit Strom aus regenerativen Energieträgern gespeist werden, können sie sogar als CO 2 frei bezeichnet werden. Immer höhere Innendrücke zur Effizienzsteigerung und Schadstoffreduzierung in den Antrieben von Dieselbussen erschweren die gewünschte Verringerung der Lärmemissio nen dieser Busse. Da in den Antrieben von Elektrobussen keine Verbrennungsvorgänge stattfinden, können diese mit signifikant geringeren Lärmemissionen realisiert werden. Batteriebusse unterstützen daher die vielfältigen Bemühungen, den Lärmpegel in Städten zu senken. Die Antriebe der Elektrobusse sind sehr einfach aufgebaut. Da sie volles Drehmoment bereits im Stand entwickeln, benötigen sie kein aufwändiges mehrstufiges Getriebe. Ihr hohes Beschleunigungsvermögen ist wegen der permanenten Anfahrvorgänge im ÖPNV vorteilhaft für eine effiziente Betriebsdurchführung. Wegen des einfachen Aufbaus und nicht vorhandener Verbrennungsvorgänge mit hohen Temperaturniveaus ist der Instandhaltungsaufwand von Elektrobussen geringer als der von Dieselbussen. Fahrgäste profitieren von der deutlich niedrigeren Geräuschentwicklung im Innenraum gegenüber konventionellen Dieselbussen und der sanften Beschleunigung der Fahrzeuge. Damit ist der Elektrobus der Bus der Zukunft. Klimaschonend, leise und komfortabel der Elektrobus vereint alle Attribute eines innovativen Verkehrsmittels. Deshalb fördert der VRR Projekte wie das in Oberhausen. Martin Husmann, Vorstandssprecher der VRR AöR

8 6 7 Entnahme der Ladeenergie aus dem Unterwerk Neumarkt Das Oberhausener Modell ein technischer Exkurs Das Hochleistungsladegerät zur Regelung des Ladestroms der Batterien im Batteriebus ist im Unterwerk untergebracht. Es muss demnach kein weiteres Gehäuse in Form eines Gebäudes oder Containers zur Unterbringung der Komponenten zur Schnellladung der Batterien im Batteriebus errichtet werden. 3 = = Ivar = Uvar Überall dort, wo Nahverkehrsbahnen und Oberleitungsbusse betrieben werden, stehen extrem leistungsfähige Gleichspannungsinfrastrukturen zur Verfügung, aus denen der Gleichstrom zur Ladung der Batterien von Elektrobussen entnommen werden kann. Allein in NRW sind diese Infrastrukturen in 14 Städten vorhanden, deutschlandweit in mehr als 60 Städten. Sollen Batteriebusse zur Kostenund Gewichtsreduzierung mit möglichst kleinen Batterien betrieben werden, müssen diese während der Betriebszeit mehrmals nachgeladen werden. Um eine kurze Ladedauer erreichen zu können, wird eine hohe Ladeleistung benötigt, die diese Gleichspannungsinfrastrukturen ohne zusätzlichen Aufwand zur Verfügung stellen können. Zu diesen Infrastrukturen gehören einerseits die sogenannten Unterwerke, in denen die zum Betrieb der Nahverkehrsbahnen und Busse erforderliche Gleichspannung aus den städtischen Mittelspannungsdrehstromnetzen erzeugt wird, sowie die Fahrleitungsanlagen, aus denen die Bahnen und Busse den Gleichstrom mit Hilfe von Stromabnehmern beziehen. Die Entnahme des Gleichstroms zur Schnellladung der Batterie eines Batteriebusses sowohl aus einem Unterwerk als auch aus einer Fahrleitung der Straßenbahn wird im Projekt E-Mobilität der STOAG realisiert. Die Busse werden während ihrer Wendezeit innerhalb von maximal zehn Minuten geladen. Natürlich können auch die Batteriefahr zeuge anderer Verkehrsträger aus den vorhandenen Infrastrukturen schnellgeladen werden. Um das zu demonst rieren, wird in einem weiteren Projekt die Ladeenergieentnahme für drei Pkw-Schnellladesäulen verwirklicht. Entnahme der Ladeenergie aus der Fahrleitung am Bahnhof Sterkrade Anlagen dieser Art kommen insbesondere dann zum Einsatz, wenn sich eine optimal gelegene Schnelllademöglichkeit, wie zum Beispiel an Knotenpunkten mehrerer Buslinien, in der Nähe einer Fahrleitungsanlage befindet, was am Bahnhof Sterkrade der Fall ist. Der Gleichstrom zur Schnellladung der Batterien des Elektrobusses wird mittels eines Mastschalters aus der Fahrleitung entnommen. Mit diesen drei Projekten wird die hohe Relevanz vorhandener Gleichspannungsinfrastrukturen des ÖPNV zur kostengünstigen Realisierung dringend benötigter Schnelllademöglichkeiten für ÖPNV- Elektrobusse und Batteriefahrzeuge anderer Verkehrsträger verdeutlicht. Prof. Dr.-Ing. Adolf Müller-Hellmann, Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen Entnahme der Ladeenergie für Pkw -Schnelllade säulen aus der Fahrleitung am Bahnhof Sterkrade An vorhandenen Anlagen zur Entnahme der Ladeenergie zur Schnellladung der Batterien eines Batteriebusses aus einer Fahrleitung lassen sich aufwandsarm Ladesäulen einer E-Tankstelle zur Schnellladung von Pkw und leichten Nutzfahrzeugen anschließen. Wegen des vorhandenen Parkraumes wird diese Möglichkeit am Bahnhof Sterkrade realisiert.

9 8 9 ELIPTIC ein EU-Projekt zur Elektromobilität Electrification of public transport in cities, kurz ELIPTIC, heißt ein EU-Projekt, das aus den Horizon 2020-Förderprogrammen der EU abgeleitet ist. Hier sollen die Möglichkeiten der Elektrifizierung des öffent lichen Verkehrs in Verbindung mit einer vorhandenen Verkehrs- und Energieinfrastruktur erforscht werden, um daraus erfolgreiche Geschäftsmodelle für Städte, Kommunen und Verkehrsunternehmen zu entwickeln. Die Einführung von Elektrobussen ist ein Kernthema des ELIPTIC-Projektes. Weitere Themen sind die Steigerung der Energieeffizienz, die Nutzung und Integration vorhandener Stadtbahn technik sowie die Förderung des Umweltschutzes in den Städten. Das ELIPTIC-Konsortium besteht aus insgesamt 34 Partnern. Darunter sind z. B. Verkehrsunternehmen aus Barcelona, Bremen, Brüssel, Leipzig, London, Salzburg und Warschau. Die STOAG ist stolz, mit dem Oberhausener Modellprojekt E-Mobilität dabei zu sein. Als Multiplikatoren beteiligen sich der Internationale Verband für öffentliches Verkehrswesen UITP und der Verband Deutscher Verkehrsunternehmen VDV. Darüber hinaus sind wichtige Forschungseinrichtungen mit an Bord beispielsweise die RWTH Aachen, die Universität La Sapienza aus Rom und das Fraunhofer IVI aus Dresden. Mit Kiepe Elektrik, Siemens und den Busherstellern Solaris und Irizar konnten zusätzlich bedeutende Industriepartner für das Projekt gewonnen werden. ELIPTIC wird von der Stadt Bremen koordiniert. Das Projekt startete am 1. Juni 2015 und ist für eine Laufzeit von drei Jahren geplant. Die STOAG bringt insbesondere die Erkenntnisse aus ihrem E-Mobilitäts Projekt in das ELIPTIC-Projekt ein und erarbeitet mit Unterstützung des Instituts für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen ein Erweiterungskonzept für die Elektromobilität in Oberhausen. Oberhausen Überblick der ELIPTIC-Standorte in Europa

10 10 11 Technische Daten Hersteller Solaris Bus & Coach S. A. Fahrzeugtyp Länge x Breite x Höhe Zul. Gesamtgewicht Höchstgeschwindigkeit Urbino 12 electric 12,0 m x 2,55 m x 3,45 m 18 Tonnen 75 km/h Projektpartner Fahrgastanzahl 70 Sitzplätze incl. Klappsitze 24+4 Fahrgeräusch 77,2 db(a) Klimaanlage Hersteller: KONVEKTA, Typ: UL 500 EM, Leistung: 24 kw, Kältemittel R 134a, Steuerung: WABCO ATC-CAN Elektrische Heizung Hersteller: ELTOP Leistung: 25 kw, Nennspannung: 690 V, Steuerung: Webasto Vorwahluhr Elektromotoren ZF Hinterachse AVE 130 mit zwei Asynchronmotoren Nennleistung: 2 x 110 kw, Antriebsmoment max 2 x Nm Leistungselektronik Bremswiderstand Batteriesystem Traktionsbatterie Ladegeräte Hersteller: MEDCOM, Traktionswechselrichter Nennspannung Eingang: 600 V DC, Nennleistung: 2 x 80 kw Hersteller: GINO Typ: 6 GN1, Leistung max.: 250 kw, Nennspannung: 600 V Hersteller: IMPACT, PL Hersteller Batteriezellen: A 123, Kapazität ges.: 200 kwh LiFePO4 Technologie schnellladefähig fünf 40 kwh Module, Nennspannung: 690 V Hersteller: EKO Energetyka, PL Nennleistung: 220 kw Impressum Herausgeber STOAG Stadtwerke Oberhausen GmbH Max-Eyth-Straße Oberhausen Gestaltung und Produktion Benning, Gluth & Partner GmbH Abbildungen Prof. Dr.-Ing. Adolf Müller-Hellmann Stromabnehmer Hersteller: Schunk Smart Charging, 5-fach-Kontakthaube (überwachte Erdung, 750 V +/-, Kommunikationskontakt Bus Ladegerät) Redaktion Sabine Müller Unternehmenskommunikation Telefon: s.mueller@stoag.de Stand September 2015 Fotos Dirk Moll, Thomas Josek, STOAG, VRR Druck Walter Perspektiven Druck & Medien Service GmbH, Oberhausen

11 STOAG Stadtwerke Oberhausen GmbH Max-Eyth-Straße Oberhausen Telefon: Telefax: