Fahren ohne Oberleitung beim Trolleybus

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1 1 Fahren ohne Oberleitung beim Trolleybus VöV Fachtagung KTBB Kommission Technik und Betrieb Bus April 2012, Forum Fribourg Christian Zumsteg, Verkehrsbetriebe Luzern AG

2 2 Inhalt: Einleitung Energiebedarf Energiespeicher Batteriebusse in China Energie-Transfer ohne Fahrleitung - Grundprinzipien Projekte mit Energiespeicher im Trolleybus Trolleybus mit Traktionsbatterie als Ersatz für das Notstromaggregat Projekt TOSA in Genf Projekt S-Caps in Luzern Bombardier Primove (induktive Energieübertragung) Betriebliche Anforderungen an die Systeme Praxisbeispiel - Primove auf vbl-trolleybuslinie 7 Fazit und Ausblick

3 3 Einleitung Trolleymotion, 2008 Kummler&Matter Planung und Produkte für betriebssichere Fahrleitungen nach technischen, betrieblichen und ästhetischen Kriterien Luzern1938, Flugblatt Volksabstimmung über die Einführung des Trolleybusbetriebes Fahrleitungen - seit Jahrzenten ein emotionales Thema!

4 4 Energiebedarf & Energiespeicher Einige grobe Eckdaten als Richtwerte: Energieverbrauch Gelenktrolleybus ca. 3 kwh/km Energiedichte Li-Ionen-Batteriesystem heute ca. 0.1 kwh/kg * Leistungsdichte Li-Ionen-Batteriesystem heute ca. 0.5 kw/kg * Unterscheidung zwischen Hochenergiebatterien und Hochleistungsbatterien (siehe auch Folgeseite). Spezifikationen beachten! * Batteriesystem (nicht nur Zelle) Rechenbeispiel: Notwendige Energie für 200km Tageslaufleistung = 600 kwh 600 kwh in einer Batterie bedeutet kg (bei vollständiger Entladung)

5 5 Energiespeicher im Ragone-Diagramm 0.5 kw/kg 0.1 kwh/kg Quelle: Fraunhofer ISI, (2012), Produkt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 wichtiger Hinweis: Ragone-Diagramme gibt es für Batteriezellen und ganze Batterien. Verwenden Sie die passenden Diagramme und Daten (Faktor 2!)

6 6 Batteriebusse in China Es gibt zahlreiche Elektrobusse welche angeboten werden Die Fahrzeuggrösse üblicherweise Meter Fahrzeugumrüstungen von Diesel- auf Elektroantrieb möglich Angegebene Reichweiten (Angaben bis 300km) mit Vorsicht betrachten Betriebsmodus für Reichweitenangaben (Klima, Heizung etc.) Batterielebensdauer Fahrzeugleergewicht (Zuladung möglich?)

7 7 Zwischenfazit Für grosse ÖV-Fahrzeuge scheint ein elektrischer Betrieb ohne Zwischenaufladung momentan nicht realistisch und schon gar nicht betriebstauglich.

8 8 Energie-Aufladung im Fahrbetrieb ohne Fahrleitung Konduktiv von oben Konduktiv von unten Zuleitung Kabel Batteriewechsel Induktiv - Stationär oder in Fahrt

9 9 Projekte mit Energiespeicher im Trolleybus Trolleybus mit Traktionsbatterie als Ersatz für das Notstromaggregat (VBZ) Projekt TOSA in Genf (tpg) Projekt Energy-Pack in Luzern (vbl)

10 10 Trolleybusse mit Traktionsbatterie als Ersatz für das Notstromaggregat 21 Gelenktrolleybusse und 12 Doppelgelenktrolleybusse für VBZ werden mit Traktionsbatterie ausgerüstet (kein Dieselmotor!) Hersteller: HESS & Vossloh-Kiepe Fahrzeugauslieferung: August 2012 Reichweite: ca. 1.5 km im Linienbetrieb Gewicht Batteriepaket ca. 700 kg Lebensdauer Batterie min. 5 Jahre

11 11 Projekt TOSA* in Genf Projektpartner: Transports publics genevois (TPG) Services industriels de Genève (SIG) Office de Promotion des Industries et des Technologies (OPI) Asea Brown Boveri (ABB) *Trolleybus Optimisation Systeme Alimentation (TOSA)

12 12 Vision: GrosseÖV-Busse ohne Fahrleitung elektrisch und flexibel betreiben Energieeffizienz steigern Emissionen reduzieren Aufwertung Stadtbild Konzept: Schnellladung (200 kvaund 400 kva) an Endhaltestellen und ausgewählten Haltestellen Teilweise Energiespeicher (Supercaps) an den Ladestationen Energiespeicher auf dem Fahrzeug ca. 40 kwh.

13 13 Terminplan: Demonstrationsstrecke Palexpo- Aéroport de Genève (1.8 km) erste Fahrten ab Mai 2013 (UITP 2013) Inbetriebnahme Linie 5 (8.8 km) im März 2014 <12 Schnelladestationen (Ladezeit ca. 15 Sekunden) <2 Ladestationen an den Endhaltestellen (Ladezeit ca. 3 Minuten)

14 14 Projekt Energy-Pack im Trolleybus Projektpartner: Hochschule Luzern Technik & Architektur Carrosserie HESS Verschiedene Industriepartner Verkehrsverbund Luzern (VVL) Verkehrsbetriebe Luzern AG (vbl)

15 15 Konzept: Diesel-Notaggregat (50kW, 80kW oder 100kW) ersetzen. Gleicher Bauraum, gleiches Gewicht. Energy-Pack kombiniert Super-Caps und eine Li-Ionen-Batterie. Die Einheit wird gesteuert von einer Leistungselektronik.

16 16 Vision Projekt Energy Pack : Kurze Strecken (Garage, Baustellen, usw.) können rein elektrisch überbrückt werden elektrische Notfahrt. Teilstrecken können im Betrieb autonom befahren werden Verlängerung Trolleybusnetz an der Peripherie ohne Fahrleitung. Zero Emission ohne Fahrleitung. Höhere Energieeffizienz durch bessere Rekuperationsmöglichkeit. Das Energy-Pack kann anfallende Energie zwischenspeichern und bei hohem Bedarf an die Verbraucher abgeben. Netzstabilisierung, Stromversorgung kann kleiner dimensioniert werden. Betriebserprobung des Prototyps mit Fahrzeug von vbl vorgesehen.

17 17 Induktive Energieübertragung Bombardier Primove Konzept induktiver Energieübertragung - stationäre und mobile Ladung der Fahrzeuge möglich. Adaption auch auf Busse Teststrecke in Lommel seit 2011

18 18 Aufbau und Funktion Induktive Energieübertragung Track Vehicle Sender Wayside Umrichter Power pickup Fahrzeugerkennung Primärwindung Netzanbindung Versorgungsspannung 400 V AC / 750 V DC

19 19 Anpassbare Primove Bus-Anwendungen Bus Strecke Topografie >18m 12m 8-10m > 20 km 7-20 km < 7 km hilly - flat kw

20 20 Weiteres Vorgehen - Entwicklungsplan Bombardier Primove Bombardier wird auch künftig keine Busse bauen Das System soll an interessierte Bushersteller geliefert werden Bombardier ist im Gespräch mit verschiedenen Busherstellern 2013 wird Bombardier im Busbereich aktiv kommunizieren Bisherige Primove- Partner

21 21 Übersicht der vorgestellten Systeme: Aufladung Fahrleitung Ladestation Fahrleitung Ladestation Speichertyp Li-Ionen Li-Ionen & S-Caps Li-Ionen & S-Caps Li-Ionen *Energie ab Speicher [kwh] ca. 25 ca. 40 (Linie 5) ca , 120, weitere *Leistung ab Speicher [kw] ca kw da Betriebsfahrt erwünscht Projektziele Fokus <elektr. Fahrt <elektr. Notfahrt <elektr. Fahrt <Unabhängigkeit von Fahrleitung <Effizienz <weniger Bauarbeiten <elektr. Fahrt <elektr. Notfahrt <Verbrauch senken <Stromversorgung kleiner auslegen * Richtwerte! Teilweise abgeschätzt und abhängig von Anforderung und Auslegung! <elektr. Fahrt <ohne sichtbare Fahrleitung <weniger Bauarbeiten

22 22 Betriebliche Anforderungen an die Systeme hohe betriebliche Relevanz Betriebstauglichkeit Kosten-Effizienz flexibel hohe Kapazität schnell Kundenanforderung umweltfreundlich sauber komfortabel sicher

23 23 betriebstauglich Deckt die tägl. Bedingungen ab (z. Bsp. Wetter) Störfälle im Verkehrs- und Liniennetz (Verspätungen, Unfälle, Staus, Baustellen, Umleitungen) flexibel Anpassungen und Veränderungen: Linienführung, Fahrzeuggrösse, Fahrplantakt, Fahrzeugstellplatz schnell hohe Kapazität Reisezeit für Kunden zentral: Busbeschleunigungsmassnahmen wichtig Technisch bedingte Wartezeiten sind zu vermeiden Trolleybusse sind People-mover Betrachtung Gelenkbus oder grössere Fahrzeuge Kosten-Effizienz Investitions- und Betriebskosten, TCO

24 24 Praxisbeispiel - Primove auf vbl-trolleybuslinie 7 Ausgearbeitet durch Bombardier Speed (km/h) Unterlöchli Biregghof Vehicle speed profile Journey time = 46 min Max. speed = 50 km/h Average speed = 16.9 km/h Altitude (m) Altitude profile Max altitude delta = 85 m Average gradient = 1.3% Max gradient = 20% 40 Consumed Battery Capacity (kwh) time (s) Battery consumption profile for the return route. Consumption (nom / max) 18m bus: 40.7 / 59.1 kwh

25 25 Praxisbeispiel - Primove auf vbl-trolleybuslinie 7 Ausgearbeitet durch Bombardier PrimoveProduct End Stop Bus Stop On-board Primove200 charging each end stop Primove200 charging stations Primove 200 pick-up and rectifier Battery Size (10 years) 120kWh ~1250kg EndStop Charge Time Normal auxil. consumption min Incl. contingency min Max auxil. consumption min Incl. contingency min The simulation shows that for a normal cycle each end stop needs a charging station with 200 kw power transmission. A contingency of about 30% is recommended to allow disturbances on the route. For the normal cycle two end stop charging station would still be enough using the total 16 min end stop dwell time to ensure operation. For the maximum auxiliary use case (severe winter or hot summer), intermediate charging stations is needed to provide a total of 7.2min extra charging time. 2 Primove 200 charging stations (one at each end stop) plus intermediate charging stations (provides accumulated 7.2min charging time), are necessary

26 26 Betriebliche Fragen zum Praxisbeispiel Genügt die Wartezeit an der Endhaltestelle für das Zwischenladen? Wird sich die Wartezeit an der Endhaltestelle künftig verkürzen? und somit auch die Ladezeit! Ablauf wenn das Fahrzeug aus betrieblichen Gründen keine Wartezeit einhalten kann? (Stau etc.) Wie lange ist das Fahrzeug voll funktionsfähig und autonom (z. Bsp. bei Umleitung) Welche Lösung ist betrieblich umsetzbar bei Streckenunterbruch? (z. Bsp. Seebrücke gesperrt) Flexibilität bei künftigen Linienänderungen? (Infrastrukturanpassung) Betriebstauglich für Ihre Anwendung?

27 27 Fazit und Ausblick Grosse, elektrische ÖV-Busse, mit dem heutigen Komfort und hohen täglichen Fahrleistungen, werden in Zukunft auf Teilstrecken ohne Fahrleitung verkehren können. Sie benötigen jedoch Lademöglichkeiten. Die Auslegung bedingt zwingend die Betrachtung des Gesamtsystems (Stadtplanung Verkehrsplanung Depotstandorte Ladeinfrastruktur Flottenplanung Fahrzeugauslegung) Die Systemauslegung muss für die gegeben Strecken- und Verkehrsbedingungen erfolgen. Reserven zur Erreichung einer Betriebstauglichkeit sind zu berücksichtigen - oder auftretende Szenarien sind mit anderen betrieblichen Lösungen abdecken.

28 28 Eine übertriebene Optimierung wird die Fahrzeug- und Infrastrukturvielfalt erhöhen sowie die Flexibilität des Betriebes einschränken. Die Systeme müssen zwingend eine Alltagstauglichkeit erreichen, welche die in der Praxis vorkommenden Betriebsfälle abdeckt. Eine Alltagstauglichkeit muss zu vertretbaren finanziellen Kosten erreicht werden, sonst werden solche Konzepte nur geringe Marktanteile erreichen. Um erträgliche Investitionssummen zu erreichen und um das Vertrauen in die neuen Systeme aufzubauen, ist ein schrittweiser Einstieg in neue Systeme eine zentrales Anliegen vieler Unternehmungen.

29 29 oder mit anderen Worten: Es bleibt spannend! Danke für Ihre Aufmerksamkeit. Christian Zumsteg, Leiter Rollmaterial vbl Verkehrsbetriebe Luzern AG Tribschenstrasse 65, Postfach 6002 Luzern Telefon direkt:

30 30 Quellen: Schneeberger, Paul F. (1999), Verkehrsbetriebe der Stadt Luzern 100 Jahre Tram, Autobus und Trolleybus. Kummler & Matter, Willy Brassel, Trolleymotion (2008) Planung und Produkte für betriebssichere Fahrleitungen nach technischen, betrieblichen und ästhetischen Kriterien. Fraunhofer ISI, (2012), Produkt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien Bombardier Transportation, Christian Köbel, DirectorProduct Management Primove. Transports publics genevois, Thierry Wagenknecht, DirecteurTechnique TOSA Projekt. Hochschule Luzern Technik & Architektur, Prof. Vinzenz Härri und Aleksandar Maksimovic.

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