Studie: Einsatzmöglichkeiten von E-Bussen im Linienbetrieb Energetische Bewertung von E-Bussen und ableitbare Handelsempfehlungen

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1 Studie: Einsatzmöglichkeiten von E-Bussen im Linienbetrieb Energetische Bewertung von E-Bussen und ableitbare Handelsempfehlungen Dominik Fasthuber TU-Wien 4. Fachtagung e-mobil in niederösterreich , St. Pölten

2 Agenda TU Wien - Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe AG Elektrische Anlagen Studie: Einsatzmöglichkeiten von E-Bussen im Linienbetrieb Methodik der energetischen Bewertung von (Elektro-) Fahrzeugen Ergebnisse und Erkenntnisse aus den Untersuchungen Ladeinfrastruktur für E-Busse mit erhöhtem Leistungsbedarf Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Forschungsaktivitäten Elektromobilität Derzeitige Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Elektrische Anlagen (Institut ESEA, TU Wien) zum Thema Elektromobilität : Konzeptionierung Ladesteuerungen Auswirkungen auf das elektrische Netz Modellierung von Ladeprofilen Planung zukünftiger Ladeinfrastruktur Integration Erneuerbarer Energien Flotten und MIV in der E-Mobilität 3 3

4 E-Busse im Linienbetrieb Studie: Einsatzmöglichkeiten von E-Bussen im Linienbetrieb Im Auftrag des Amtes der NÖ Landesregierung In enger Kooperation mit KollegInnen der VOR GmbH, der Elektromobilitätsinitiative NÖ (ecoplus) und der NÖ.Regional.GmbH AN-Team: HERRY Consult GmbH (Projektleitung) TU Wien Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe VerkehrsConsulting OG 4

5 Omnibusse der Klasse M2/M3 Omnibusse der Klasse M2/M3 Stand 12/ : Busse in Österreich davon 94% Diesel = Dieselbusse Rechenbeispiel: Dieselbusse x Bus-km/a = ~ 416 Mio. Bus-km/a 416 Mio. Bus-km/a x 760gg 2 CO 2 je Fzg.km (direkte Emissionen) ~ Tonnen CO 2 -Einsparung pro Jahr an direkten Emissionen bei 100%-iger Umstellung auf E-Busse 1 Quelle: 2 Quelle: 5

6 E-Busse im Linienbetrieb - Inhalt Überblick über die aktuelle Marktsituation zum möglichen Einsatz von E-Bussen im Linienverkehr inkl. Wasserstoff (H 2 ), exkl. Hybridsysteme Informationen der Studie sollen u.a. als Basis für zukünftige Ausschreibungen im ÖV-Bereich dienen. VOR-Region (Wien, Niederösterreich und Burgenland): 891 Bus-Linien ~ 65 Mio.-Bus-km je Jahr (Quelle: VOR GmbH, 2017) Laufzeit: Anfang April 2017 Anfang Dezember

7 E-Busse im Linienbetrieb - Inhalt 1. Technologie der Fahrzeuge und der zum Einsatz notwendigen Infrastruktur State of the Art Analyse der am Markt befindlichen Systeme 2. Rahmenbedingungen für den Einsatz von E-Bussen und Besonderheiten bei der (Umlauf-) Planung eines E-Busbetriebes. Stadtbus: Citybuslinien in der Stadt Baden Regionallinie: Linie 364 Mödling - Gruberau / Linie 365 Mödling - Heiligenkreuz - Alland und Linie 221 Flughafen Wien - Münchendorf Expresslinie: Wieselbus-Linie H / Wiener Neustadt - St. Pölten 3. Begleitung des Pilotprojektes in Wiener Neustadt 7

8 Überblick über verfügbare Busse in Europa Welche Daten wurden erhoben? Projekt "E-Busse": Template "FAHRZEUGE" Allgemeine Daten Fahrzeugtyp neues Modell Modell Hersteller Dimensionen Personenkapazität Gesamt davon Sitzplätze davon Stehplätze davon Rollstuhl-/Kinderwagenplätze Anzahl der Türen Gewicht (Leergewicht) [in Tonnen] zulässiges Gesamtgewicht [in Tonnen] Fahrzeuggröße Länge [in mm] Höhe [in mm] Breite [in mm] Wendekreis [m] Projekt "E-Busse": Template "FAHRZEUGE" Antrieb Motortyp max. Motorleistung [kw] max. Geschwindigkeit [km/h] Ø Geschwindigkeit [km/h] max. Reichweite [km] Batterie Batterietyp (Zelltechnologie) max. Batteriekapazität [Ah] bzw. [kwh] maximaler Wert der Kapazität [kwh] Reichweite bei Verbrauch von 250 kwh/100 km und maximaler Batteriekapazität [km] Nennspannung [V] Ladesystem Ladedauer [Std.] Schnellladefähigkeit (J/N) mittlere Lebensdauer Gewährleistung: Projekt "E-Busse": Template "FAHRZEUGE" Kosten Anschaffungspreis [EUR] Angaben zu Betriebskosten Angaben zu Nebenverbraucher Klimatisierungs- und Heizungskonzept Angaben zu weiteren Nebenverbrauchern Einsatzorte im Einsatz in [Orte]: Erfahrungen aus Pilotanwendungen: Ausblick: Weiterführende Informationen Weiterführende Informationen, wie Studien, Dokumente, Websites, Weitere Anmerkungen weitere Anmerkungen: 8

9 Basis für zukünftige Ausschreibungen Fahrzeuge NutzerInnen- Akzeptanz Lade-IS GPS-Tracking Basis für zukünftige Ausschreibungen ÖV-Bereich Praxisbeispiele ExpertInnen- Interview 9

10 Energetische Bewertung - Methodik Energetische Bewertung über Berechnung des Gesamtfahrwiderstandes mit Hilfe eines einfachen Längsdynamikmodells. Fahrwiderstände und ein hinterlegtes GPS-Profil ermöglichen folgende Aussagen: Aussage eines Umlaufes liefert: Aussagen über notwendige Traktionsleistung und die benötigte Energie Hochrechnung eines Umlaufes auf einen ganzen Betriebstag ergibt: Dimensionierung der notwendigen Batteriegröße (Kapazität) Dimensionierung der daraus resultierenden Ladeinfrastrukturparameter Ladeleistung (Langsam- versus Schnellladung) Schnittstelle (Konduktiv, Induktiv, Oberleitung etc.) Position (Depotladung, Opportunity Charging) 10

11 Energetische Bewertung - Methodik Luftwiderstand FF LL, Rollwiderstand FF RR, Steigungswiderstand FF SSSS und Beschleunigungswiderstand FF BB bilden gemeinsam den Gesamtfahrwiderstand FF WW. FF WW = FF RR + FF LL + FF SSSS + FF BB FF RR = mm gg cos αα ff RR FF LL = ρρ 2 cc WW AA vv 2 FF SSSS = mm gg sin αα FF BB = ee ii mm aa Daraus resultiert notwendige Antriebsleistung PP AAAA PP AAAA = FF AAAA vv = FF WW vv 11

12 Energetische Bewertung - Ergebnisse Hinreichend gute Abschätzung trotz Vereinfachungen und Messunsicherheiten im GPS-Profil. Berücksichtigung der saisonalen Unterschiede durch Variation der (konstant angenommenen) Nebenverbraucher. Gleichbleibende Parameter: SB = Standardbus 12m AB = Gelenkbus 18m Fahrzeugmasse = kg Effizienz des Antriebsstrangs = 0,9 Personenanzahl = 20 à 80 kg Rekuperationseffizienz = 0,8 Breite = 2,55 m Rollwiderstands-Beiwert ff RR = 0,01 Höhe = 3,298 m Massenfaktor ee ii = 1,3 Nebenverbraucher = 5 bzw.15 kw Strömungswiderstand cc WW = 0,66 A. W. Kunith, Elektrifizierung des urbanen öffentlichen Busverkehrs: Technologiebewertung für den kosteneffizienten Betrieb emissionsfreier Bussysteme, Springer-Verlag,

13 Energetische Bewertung Citybus Baden Die Stadtbuslinie A in Baden: Länge von 8,8 km pro Umlauf Dauer von 28 Minuten Durchschnittsgeschwindigkeit von 18,6 km/h Höhenmeter: 113 m auf- und abwärts (Start = Ziel) 13

14 Energetische Bewertung Citybus Baden Die Stadtbuslinie A in Baden: Beschränkung der maximalen Beschleunigung (orange) 14

15 Energetische Bewertung Citybus Baden Die Stadtbuslinie A in Baden: Verlauf der Traktionsenergie bei keiner, voller und beschränkter Rekup. (ab 15 km/h). Konstanter Nebenverbrauch von 5 kw 15

16 Energetische Bewertung Citybus Baden Die Stadtbuslinie A in Baden: Verlauf der Traktionsenergie bei keiner, voller und beschränkter Rekup. (ab 15 km/h). Konstanter Nebenverbrauch von 15 kw 16

17 Energetische Bewertung Citybus Baden Die Stadtbuslinie A in Baden: Nebenverbraucher = 5 kw Nebenverbraucher = 15 kw Elektrischer Verbrauch Energie- Verbrauch bzw. Zugewinn Volle Rekuperation 107,4 kwh/100 km 161,0 kwh/100 km Rekuperation ab 15 km/h 117,4 kwh/100 km 167,8 kwh/100 km Keine Rekuperation 200,3 kwh/100 km 238,9 kwh/100 km E_OUT_max 17,6 kwh 21,0 kwh E_IN_max -8,2 kwh -6,9 kwh Vergleich mit Umsetzungsprojekt in Berlin: / / A. W. Kunith, Elektrifizierung des urbanen öffentlichen Busverkehrs: Technologiebewertung für den kosteneffizienten Betrieb emissionsfreier Bussysteme, Springer-Verlag,

18 Energetische Bewertung Regionallinie 221 Die Regionallinie 221: Flughafen Wien Gramatneusiedl Moosbrunn Münchendorf: Länge von 37,7 km pro Umlauf Dauer von 70 Minuten Durchschnittsgeschwindigkeit von 32,0 km/h Höhenmeter: 438 m aufwärts und 430 m abwärts 18

19 Energetische Bewertung Regionallinie 221 Die Regionallinie 221: Nebenverbraucher = 5 kw Nebenverbraucher = 15 kw Elektrischer Verbrauch Energie- Verbrauch bzw. Zugewinn Volle Rekuperation 102,5 kwh/100 km 133,7 kwh/100 km Rekuperation ab 15 km/h 104,9 kwh/100 km 135,3 kwh/100 km Keine Rekuperation 152,9 kwh/100 km 174,9 kwh/100 km E_OUT_max 57,6 kwh 66,0 kwh E_IN_max -19,0 kwh -15,6 kwh Höhere Durchschnittsgeschwindigkeit als Citybuslinie Weniger Stop & Go Längere Fahrtabschnitte Hochgerechneter Tagesumlauf würde eine Kapazität von ca. 300kWh bedeuten Hohe Ausdehnung des Umlaufs bedeutet vielfältige Errichtungsmöglichkeiten der Ladeinfrastruktur. 19

20 Energetische Bewertung Regionallinie 364 Die Regionallinie 364: Mödling Hinterbrühl Sittendorf Gruberau: Länge von 45,1 km pro Umlauf Dauer von 48 Minuten Durchschnittsgeschwindigkeit von 25,0 km/h Höhenmeter: 1016 m aufwärts und 1035 m abwärts 20

21 Energetische Bewertung Regionallinie 364 Die Regionallinie 364: Nebenverbraucher = 5 kw Nebenverbraucher = 15 kw Elektrischer Verbrauch Energie- Verbrauch bzw. Zugewinn Volle Rekuperation 110,2 kwh/100 km 150,2 kwh/100 km Rekuperation ab 15 km/h 114,8 kwh/100 km 153,4 kwh/100 km Keine Rekuperation 208,4 kwh/100 km 236,0 kwh/100 km E_OUT_max 94,0 kwh 106,4 kwh E_IN_max -44,3 kwh -38,6 kwh Großer Streubereich im Durchschnittsverbrauch Hügeliges Streckenprofil zeigt erhöhtes Rekuperations-Potential auf Prinzipiell wäre eine Umsetzung möglich Ladeinfrastruktur bietet sich am Bahnhof in Mödling an 21

22 Energetische Bewertung Wieselbus Linie H Expresslinie Wieselbus Linie H: (Wiener Neustadt Baden St. Pölten): Länge von 95,7 km pro Umlauf Dauer von 93 Minuten Durchschnittsgeschwindigkeit von 61,4 km/h Höhenmeter: 1753 m aufwärts und 1753 m abwärts 22

23 Energetische Bewertung Wieselbus Linie H Expresslinie Wieselbus Linie H : Nebenverbraucher = 5 kw Nebenverbraucher = 15 kw Elektrischer Verbrauch Energie- Verbrauch bzw. Zugewinn Volle Rekuperation 123,4 kwh/100 km 139,6 kwh/100 km Rekuperation ab 15 km/h 124,7 kwh/100 km 140,6 kwh/100 km Keine Rekuperation 191,6 kwh/100 km 202,7 kwh/100 km E_OUT_max 183,5 kwh 194,1 kwh E_IN_max -65,4 kwh -60,4 kwh Hoher Energieverbrauch aufgrund von hohen Geschwindigkeiten (PP AAAA ~vv 3 ) Maximale Höchstgeschwindigkeit der meisten Hersteller auf 80 km/h begrenzt Elektrobuseinsatz im Moment nur bedingt für diese Linienführung geeignet (keine Einhaltung des Umlaufplanes!) 23

24 Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen Naheliegendste Lösung Laden im Depot Kostengünstig und relativ einfach zu realisieren Wenn nötig Gelegenheitsladung an Haltestellen über Pantograf oder Ladestecker (CCS Stecker) A. W. Kunith, Elektrifizierung des urbanen öffentlichen Busverkehrs: Technologiebewertung für den kosteneffizienten Betrieb emissionsfreier Bussysteme, Springer-Verlag,

25 Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen Overnight charging (Laden im Depot über Nacht) Kleinere Ladeleistungen Erfordert möglicherweise größere Batteriekapazitäten für einen Tagesumlauf Opportunity charging (Laden bei Haltestellen) Große Ladeleistungen Ermöglicht kleinere Batterien aber teure Infrastruktur Bild-Quellen: ABB; ebg-compleo, Schrack Bild-Quelle: 25

26 Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen Falls Oberleitungssystem bereits vorhanden Einfache Nutzung von bestehender Infrastruktur Relativ hoher Infrastrukturaufwand bei Neuerrichtung Bild-Quelle: Wiener Linien 26

27 Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen Bild-Quelle: 27

28 Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen Bild-Quelle: ABB, Schunk-Group 28

29 Zusammenfassung und Ausblick Was haben wir gelernt? E-Busse Angebot bereits sehr gut mit 30 Herstellern und 74 Bussen (5 H 2 -Busse) wird zukünftig noch besser. Elektrobusse sollen bzw. müssen anhand ihres (vorher teilweise bekannten) Einsatzzweckes ausgewählt werden. Anschaffungskosten der E-Busse (derzeit) doppelt so hoch im Vergleich zu konventionellen (Diesel-) Bussen. Wirtschaftliche Darstellbarkeit vs. Einsatzbereiche (Stadtbereich: geringe/re Fahrleistungen). (derzeitige) Umlaufpläne genau betrachten Adaptierungen möglich? Lade-Infrastruktur: Die Kosten für die Ladeinfrastruktur auf die Busse umzulegen, ist im Moment nicht wirtschaftlich darstellbar. Wer baut, bezahlt und betreibt die notwendige Infrastruktur? 29

30 Energetische Bewertung Kostenfreier Download der Marktübersicht unter: 30

31 Kontakt: DI Dominik Fasthuber Projektassistent Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe E: T: W: