Elektrifizierung des Bus- und Wirtschaftsverkehr

Transkript

1 Elektrifizierung des Bus- und Wirtschaftsverkehr Erfahrungen und Ausblick aus E-Bus Berlin & Forschungscampus Mobility2Grid Sven Gräbener Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik

2 Elektrifizierung des Bus- und Wirtschaftsverkehr Teil I: E-Bus Berlin Seite 2

3 E-Bus Berlin Einleitung Elektrobusse Quo vadis? Technischer Fortschritt Sinkende Batterie- und Komponentenpreise Steigende Produktionskapazitäten Umweltaspekte Luftverschmutzung (besonders in Städten) Lärm Regulierung Subventionen für E-Fahrzeuge Kommunale Initiativen (Paris, London, Hamburg,...) Verbrauchsgrenzwerte Steigende Nachfrage nach E-Bus- Lösungen Starkes Wachstum bereits vor 2020 Bsp. China: 2020 jährlicher Absatz von E-Bussen (inkl. Plug-In) 1 Förderprogramme und Praxistests in Europa Verschiedene Technologieoptionen verfügbar Wirtschaftlichkeit bestimmt Entscheidung zur Beschaffung 1 Quelle: Research and Markets Seite 3

4 E-Bus Berlin Einleitung E-Bus-Technologien im Überblick Source: eandt.theiet.org Source: MPM E-Bus Catenary On Board Storage Battery Super-Caps Overnight Charging Battery Swapping Opportunity Charging Conductive manual Conductive automated Inductive Source: chinabuses.org Source: Siemens AG Seite 4

5 E-Bus Berlin Einleitung E-Bus-Technologien im Überblick Source: eandt.theiet.org Source: MPM E-Bus Catenary On Board Storage Battery Super-Caps Overnight Charging Battery Swapping Opportunity Charging Conductive manual Conductive automated Inductive Source: chinabuses.org Gelegenheitsladung vielversprechend! Source: Siemens AG Seite 5

6 E-Bus Berlin Einleitung Gelegenheitsladung Vorteile des Gelegenheitsladens Kleinere Batterie Geringere Investitionskosten Geringeres Fahrzeuggesamtgewicht Höhere Fahrgastkapazität Wenig Veränderung im betrieblichen Ablauf Nutzung der Pausenzeiten zum Nachladen Keine Einschränkung der Reichweite Vorteile des induktiven Gelegenheitsladens Unsichtbare Integration ins Stadtbild Kein zusätzliches Personal fürs Nachladen Kontaktloses Laden Geringerer Verschleiß, weniger Wartung Seite 6

7 Bombardier (modified) E-Bus Berlin Einleitung E-Bus Berlin: Technik Antriebssteuerung Kühleinheit Ladeplatte Stromaufnehmer Fahrzeugseitiger Sender Wegseitige Leistungselektronik Batteriesystem Fahrzeugerkennung Seite 7

8 E-Bus Berlin Einleitung Das E-Bus Berlin Projekt: die Linie 204 Induktive Schnellladetechnologie an den Endhaltestellen Reduzierung von 260 t CO 2 /Jahr E-Bus Projekt Eckdaten Anzahl Busse (12 m Niederflurbus) 4 Fahrzeugleergewicht [kg] Maximale Nutzlast [kg] Streckenlänge (einfach) [km] 6,1 Haltestellen 18 Durchschnittsgeschwindigkeit [km/h] 15 Jahreslaufleistung der Flotte [km] Anzahl Ladestationen auf Strecke 2 Ladeleistung [kw] 200 Konsortium: Funded by the German Federal Government Seite 8

9 E-Bus Berlin Einleitung E-Bus Berlin 1. Ziele und Rahmenbedingungen Batterieelektrische 12m-Busse, ausgestattet mit induktiver Ladetechnologie und Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen, Einsatz auf einer gesamten Linie im Berliner Stadtzentrum Unsichtbare Ladeinfrastruktur verborgen im Straßenbild (eingebunden in den Asphalt) Gewinnung und Auswertung von realen Daten im täglichen Busbetrieb um Schwierigkeiten und Hindernisse für die Massenanwendung und Marktreife zu beurteilen Entwicklung eines generellen Elektrifizierungskonzepts, anwendbar für den gesamten Sektor des öffentlichen Transports Reduzierung der CO 2 -Emissionen um 260 t/jahr. (Äquivalent zur Substitution von 250 Benzin-PKW durch elektrische PKW mit Berliner Fahrprofil ) 2. Förderung Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) Seite 9

10 E-Bus Berlin Simulationen Systemauslegung für den Betrieb auf der Linie 204 Batterieauslegung Betriebskonzept (erforderliche Ladezeiten) Betrieb im Störfall (z.b. Ausfall einer Ladestation) +/- v a h Driving Resistance Power Train + Capacity Loss Charging station No. of Passenger Driving Cycle Cabin Charging HVAC + - Power Loss Battery Energy Consumption Heat/Cooling Demand Other Aux + Environment Auxiliaries Seite 10

11 E-Bus Berlin Simulationen Klimatisierung Detailliertes Simulationsmodell des Fahrgastraums und des HVAC-Systems entwickelt Identifikation wesentlicher Einflussfaktoren auf Heiz- und Kühlbedarf Vergleich verschiedener HVAC-Systeme hinsichtlich Reichweiteneinfluss und Lebenszykluskosten Seite 11

12 Reichweiteneinbuße [%] E-Bus Berlin Simulationen Klimatisierung Bisherige Ergebnisse: Reichweiteneinbuße (bei minimaler Frischluftzufuhr): Heizen ( 15 C) Kühlen (30 C) Annahmen 12-m-Standardbus Mindestfrischluftmenge nach VDV 236 (15 m³/h pro Fahrgast) Besetzungsgrad: 20% Sollwert Innentemperatur: Heizen 18 C, Kühlen 25 C Traktionsverbrauch: 1,3 kwh/km Wärmepumpe vielversprechende Alternative zu PTC- und Dieselheizung Geringer Einfluss auf Fahrzeug-Lebenszykluskosten Weiteres Vorgehen: Validierung des Simulationsmodells am realen Fahrzeug Detaillierte Analyse fahrzeugseitiger Maßnahmen zur Bedarfsreduktion (z.b. Doppelverglasung, bedarfsgerechte Frischluftzufuhr, Türluftschleier) Seite 12

13 E-Bus Berlin Betriebsdatenauswertung Erfahrungen Busbetrieb Anfängliche technische Probleme mit der Systemharmonisierung im HV-Kreis Weitere Verbrauchsoptimierung durch effizientes Energiemanagement möglich Fahrpersonalschulungen erforderlich Positive Resonanz zum Fahrverhalten von Fahrern und Fahrgästen BVG/Lang Gefahrene Kilometer an 132 Einsatztagen: km Fahrleistung je Bus: max. 180 km/tag CO 2 -Einsparung: 74 Tonnen (116 Pkw) BVG/Lang Verfügbarkeit der Busse: seit Februar 2016 > 70% 1 Stand: Seite 13

14 E-Bus Berlin Betriebsdatenauswertung Erfahrungen Ladeinfrastruktur Bauzeit der Ladestation: ca. 3 Wochen Tiefbauarbeiten sind erforderlich Wirkungsgrad (Netz-> Batterie Bus): 90 % Systemanschluss: Mittelspannung (6 kv) Transformator (6 kv 400 V) Primove Wayside 400 V AC Hohe Zuverlässigkeit der wegseitigen Infrastruktur Keine Auswirkungen von Schnee, Nässe oder sonstiger Verschmutzung auf den Ladevorgang Probleme mit Falschparkern Bombardier Seite 14

15 Verbrauch Temperatur E-Bus Berlin Betriebsdatenauswertung Energieverbrauch Der Gesamtenergieverbrauch liegt zwischen 1,35 und 2,31 kwh/km Durchschnittsverbrauch (hoher Winteranteil): 1,94 kwh/km Der Nebenverbrauch steigt mit sinkender Umgebungstemperatur Reduzierung des Energieverbrauchs um mehr als 50% im Vergleich zum Dieselbetrieb (4,4 kwh/km äquivalent) Nebenverbrauch, Antriebsverbrauch und Umgebungstemp. je Woche Nebenverbrauch [kwh/km] Antriebsverbrauch abzüglich Rekuperation [kwh/km] min. Umgebungstemp. [ C] max. Umgebungstemp. [ C] Seite 15

16 Verbrauch E-Bus Berlin Betriebsdatenauswertung Antriebsverbrauch und Rekuperation Der Antriebsverbrauch ist nahezu konstant und temperaturunabhängig Der Antriebsverbrauch mit Rekuperation liegt zwischen 0,78 und 0,98 kwh/km Durchschnittlicher Antriebsverbrauch: 0,89 kwh/km Die Rekuperation senkt den Antriebsverbrauch deutlich Antriebsverbrauch und Rekuperation je Woche Antriebsverbrauch abzüglich Rekuperation [kwh/km] Rekuperation Antriebsverbrauch [kwh/km] [kwh/km] Seite 16

17 Ausblick zur weiteren Elektrifizierung des ÖPNV Von der E-Buslinie zum E-Busnetz Herausforderungen einer Netzelektrifizierung: Entwicklung eines geeigneten Betriebskonzepts (Betriebshof, Haltestellen, etc.) Aufbau einer kostenoptimierten Ladeinfrastruktur Identifizierung von Netzsynergien und Nutzung bestehender Infrastrukturen (z.b. Unterwerke, Oberleitungen) Geeignete Technologiewahl für unterschiedliche Linienanforderungen Seite 17

18 Ausblick zur weiteren Elektrifizierung des ÖPNV Planung und Optimierung der Schnellladeinfrastruktur Eingangsdaten Bus Depot BVG Cicerostr. Buslinien 16 von 46 Netzknoten Netzlänge 2 (Zoo & Steglitz) 335 km Buslinien Länge (Umlauf) Durchschnittsgeschw km km/h Anzahl Haltestellen 7-43 Bustypen 12m, 18m, DD Anzahl Fahrzeuge 126 Randbedingungen Simulation Ladeleistung Batteriekapazitäten Betriebsdauer Außentemperatur 200 kw 90 (12m), 150 kwh (18m,DD) 21 Std. -15 C Seite 18

19 Busverkehr Elektrifizierung Untersuchung sich ändernder Rahmenbedingungen Szenarienanalyse: Charging Power between kw Battery size & SoC range between kwh and SoC 20-85% Variation Parameters Schedule variations varying dwell times Daily operating time between hours C Ambient Temp. / HVAC system between -15 C and 30 C / heat pump Weitere Untersuchungen: Batterieoptimierung Roll-out strategy single vs. network Smart Grid Anbindung page 19

20 Von der Pilotlinie zur Flotte (e-öpnv) E-Bus Flotte als Batteriespeicher Betriebshof Beispiel Berlin BVG ca Busse im Einsatz verteilt auf 6 Betriebshöfe Wenn 10% der Flotte elektrifiziert ist entsteht ein großer mobiler Batteriespeicher von ca kwh (bei 100 kwh / E-Bus) Laden und Entladen mit >150 kw Wesentlicher Akteur am städtischen Energiemarkt BVG Seite 20

21 Elektrifizierung des Bus- und Wirtschaftsverkehr Forschungscampus Mobility2Grid Seite 21

22 Forschungscampus Mobility2Grid Energiewende als Herausforderung Status Ende 2015 und Lösungsansätze Anteil der Erneuerbaren am Bruttostromverbrauch steigt auf ca. 33 % Anteil erneuerbarer Energien im Verkehr sinkt auf 5 Prozent Steigendes Risiko von Versorgungsunsicherheit Ausbau der Energieversorgungsnetze Einsatz dezentraler Speicher Smart Grid Technologien Quelle: Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik im Auftrag des BMWI Erneuerbare Energien in Deutschland Daten zur Entwicklung im Jahr 2015 Seite 22

23 Forschungscampus Mobility2Grid Energiewende auch im Verkehrssektor Die Elektrifizierung des Verkehrs ist eine einzigartige Chance, Energieund Verkehrssysteme gemeinsam zu denken und Synergien zu nutzen. Aber: Unsicherheit, welche Technologien für die jeweiligen Anforderungen geeignet sind Geschäftsmodelle für den Betrieb elektrischer Flotten bislang schwierig bzw. nur mit Förderung realisierbar Schleppender Markthochlauf elektrischer Fahrzeuge Seite 23

24 Forschungscampus Mobility2Grid BMBF Forschungscampusinitiative Seite 24

25 Forschungscampus Mobility2Grid Partnerstruktur 35 Mobility2Grid e.v. Vereinsmitglieder ordentliche Mitglieder + Fördermitglieder Antragsteller BMBF Forschungscampus * Getränkeservice Berlin * * Mitgliedschaft avisiert Seite 25

26 Forschungscampus Mobility2Grid Die 7 Themenfelder der Hauptphase TF1 Akzeptanz und Partizipation TF2 Smart Grid Infrastrukturen TF3 Vernetzte e-mobilität TF4 Bus- und Wirtschaftsverkehr TF5 Bildung und Wissenstransfer TF6 Digitale Räume QF7 Betrieb und Verwertung InnoZ Seite 26

27 Forschungscampus Mobility2Grid Themenfeld 4 Bus- und Wirtschaftsverkehr Elektrifizierung kommerzieller Nutzfahrzeugflotten in intelligenten Netzen Busverkehr Entsorgungsverkehr Versorgungsverkehr Forschungsinhalte Machbarkeitsstudien & Feldversuche Simulationsmodelle Logistik & Verkehrsplanungskonzepte Smart Grid Integration Technologiebewertung & -Roadmaps Betriebliche Qualifizierung Innovative Demonstratoren Seite 27

28 Forschungscampus Mobility2Grid E-Bus mit bidirektionaler Ladetechnik Bereitstellung Ladestation Bidirektionale Ertüchtigung Projektkoordination Wissenschaftliche Begleitung Smart Grid Integration Bereitstellung E-Bus Busbetreiber Micro Smart Grid 120 kwh 120 kw 150 kw Innoz BVG Siemens Seite 28

29 Forschungscampus Mobility2Grid Vision 2026: Busverkehr Übertragungsnetz Stromnetz Berlin E-Bus E-Bus E-Bus E-Bus Netz E-Bus BHKW E-Bus Seite 29

30 Forschungscampus Mobility2Grid Vision 2026: Entsorgungsverkehr BSR Betriebshof mit eigenem Smart Grid Photovoltaik, BHKW und Speicherkapazitäten auf dem Betriebshof Diversifizierter Fuhrpark mit intelligenter und bidirektionaler Ladesteuerung Optimierte Eigennutzung von Ressourcen Minimierte Netzbelastung Smart Grid BHKW Seite 30

31 Elektrifizierung des Bus- und Wirtschaftsverkehr Erfahrungen und Ausblick aus E-Bus Berlin & Forschungscampus Mobility2Grid Sven Gräbener Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik