Konzept zur Einführung E-Bus in ÖPNV 2015-03-10 fileSperrvermerk Vertraulichkeit Der vorliegende...

Fachhochschule Flensburg

Projekt eMOTION

Autor: Jens Schröder, B.Eng. Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. J. Berg Stand: 10.03.2015

Konzept zur Einführung elektrischer Busse in den

bestehenden öffentlichen Personennahverkehr

Sperrvermerk

Vertraulichkeit

Der vorliegende Inhalt dieses Dokuments ist vertraulich und darf ohne Zustimmung nicht an Dritte weitergegeben werden.

Abbildungsverzeichnis

Seite I

Inhaltsverzeichnis

INHALTSVERZEICHNIS ................................ ........................................................................ I

ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................. ..................................................................III

TABELLENVERZEICHNIS ............................... ................................................................... IV

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ............................. ............................................................... IV

1 EINLEITUNG – AUF EINEN BLICK ...................... ........................................................ 1

2 BEGRIFFLICHKEITEN UND DEFINITIONEN ................ ............................................... 2

2.1 Batteriebus / E-Bus ................................................................................................................ 2

2.2 Nachtlader / Volllader ............................................................................................................. 2

2.3 Gelegenheitslader .................................................................................................................. 2

2.4 Hochenergie-/Hochleistungs-Batterie .................................................................................... 3

2.5 Nutzbare Batteriekapazität ..................................................................................................... 3

2.6 Batteriezyklen ......................................................................................................................... 4

2.7 Batterielebensdauer ............................................................................................................... 4

2.8 C-Rate .................................................................................................................................... 4

2.9 Antriebswirkungsgrad ............................................................................................................. 5

2.10 Rekuperationswirkungsgrad ................................................................................................... 5

3 TECHNISCHE AUSLEGUNG .............................. .......................................................... 6

3.1 Strecken & Umlaufanalyse ..................................................................................................... 6

3.1.1 Aufnahme aller betriebenen Strecken ............................................................................................ 7

3.1.2 Erzeugung digitaler Streckenprofile ................................................................................................ 7

3.1.3 Halte- und Geschwindigkeitsprofil .................................................................................................. 8

3.1.4 Umlaufanalyse ................................................................................................................................. 8

3.2 Energieberechnung und Antriebsauslegung .......................................................................... 9

3.2.1 Energieverbrauch pro Strecke ....................................................................................................... 11

3.2.2 Energieverbrauch pro Umlauf ....................................................................................................... 12

3.2.3 Antriebsauslegung ......................................................................................................................... 12

3.3 Systemauslegung und Optimierung ..................................................................................... 14

3.3.1 Batteriegröße ................................................................................................................................ 14

3.3.2 Ladeinfrastruktur........................................................................................................................... 15

3.3.3 Systemoptimierung ....................................................................................................................... 16

4 WIRTSCHAFTLICHKEITSBETRACHTUNG .................... ............................................18

4.1 Eingangsparameter und Einflussfaktoren ............................................................................ 19

4.1.1 Durchschnittsverbrauch E-Bus ...................................................................................................... 20

4.1.2 Wartungskosten pro Kilometer ..................................................................................................... 21


Seite II

4.1.3 Kapazität der Batterie und Anzahl der Ladezyklen........................................................................ 21

4.1.4 Dieselpreis-/Strompreis-/Batteriepreisentwicklung ..................................................................... 21

4.2 Ergebnisse TCO Berechnung .............................................................................................. 23

5 FAZIT ...........................................................................................................................26

QUELLENVERZEICHNIS ................................ ....................................................................28


Seite III


Abbildung 2.1 Eigenschaften Lithium-Eisen-Phosphat [BAT14] ............................................ 3

Abbildung 2.2 Eigenschaften Lithium-Titanat ......................................................................... 3

Abbildung 2.3 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit des Lade-/Entladerate [WOD14] ................... 5

Abbildung 3.1 Ablauf technische Auslegung .......................................................................... 6

Abbildung 3.2 Streckenführung der Linie 3 der Sylter Verkehrsgesellschaft (SVG) ............... 7

Abbildung 3.3 Strecken Höhenprofil (3D) .............................................................................. 8

Abbildung 3.4 Steigungsprofil Flensburg Linie 1 (2D) ............................................................ 8

Abbildung 3.5 Übersicht Management Tool Energie .............................................................10

Abbildung 3.6 Energieverbrauch Antrieb im Streckenverlauf ................................................11

Abbildung 3.7 Batterieladezustand im Laufe eines Umlaufs vor Systemoptimierung ............12

Abbildung 3.8 Notwendiges Antriebsdrehmoment bei unterschiedlichem Gesamtgewicht ....13

Abbildung 3.9 Notwendige Antriebsleistung bei 29 t Gesamtgewicht ....................................13

Abbildung 3.10 Batterieladezustand im Laufe eines Umlaufs bei unterschiedlichen

Batteriekapazitäten ...............................................................................................................14

Abbildung 3.11 Depotladestation [EUR14] ............................................................................15

Abbildung 3.12 Schnellladestation mit Pantograph [SIE14] ..................................................15

Abbildung 3.13 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit der Entladetiefe [SAU14] ...........................17

Abbildung 3.14 Darstellung des Batterieladezustands eines Umlaufs nach

Systemoptimierung ...............................................................................................................18

Abbildung 3.15 Vergleich zwischen verfügbarer und tatsächlicher Ladezeit .........................18

Abbildung 4.1 Eingabemaske TCO.......................................................................................20

Abbildung 4.2 Preisentwicklung Diesel Basis 1,19 € .............................................................22

Abbildung 4.3 Preisentwicklung Strom Basis ~0,20 € ...........................................................22

Abbildung 4.4 Lithium-Ionen Zellpreisentwicklung [SAU14] ..................................................23

Abbildung 4.5 Ergebnisse TCO Berechnung ........................................................................24

Abbildung 4.6 Kostengegenüberstellung E-Bus vs. Diesel pro Betriebsjahr..........................24

Abbildung 4.7 Gegenüberstellung Gesamtkosten E-Bus vs. Diesel ......................................25

Abbildung 5.1 Einsparungspotenziale E-Bus (Energiekosten & CO2) [IZU15], [UBA15] .......27


Seite IV

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3.1 Auszug tabellarisch umgesetzter Fahrzeugumlauf .............................................. 9

Tabelle 3.2 Positionen und nutzbare Wartezeiten zur Schnellladung ....................................16

Abkürzungsverzeichnis

2D Zweidimensional

3D Dreidimensional

A-Fahrt Aussetzfahrt

B-Fahrt Betriebsfahrt

BMS Batterie Management System

cw Luftwiderstandsbeiwert

crhaft Haftreibungsbeiwert

crroll Rollreibungsbeiwert

DOD Depth of Discharge (Entladetiefe)

∅�� Durchschnittsverbrauch bezogen auf das Stromnetz

∅�� Durchschnittsverbrauch bezogen auf Fahrzeugantrieb

EEG Erneuerbare Energien Gesetz

E-Fahrt Einsetzfahrt

EU Europäische Union

IPV Individueller Personenverkehr

�� Antriebswirkungsgrad

�� Batteriewirkungsgrad

�� Ladewirkungsgrad

�� Elektronikwirkungsgrad

�� Motorwirkungsgrad

�� Getriebewirkungsgrad

�� Rekuperationswirkungsgrad

�� Generatorwirkungsgrad

ÖPNV Öffentlicher Personennahverkehr

SOC State of Charge (Ladezustand)

SVG Sylter Verkehrsbetriebe

TCO Total Cost of Ownership (Gesamtbetriebskosten)

VDV Verband Deutscher Verkehrsunternehmen

1 Einleitung – Auf einen Blick

Seite 1

1 Einleitung – Auf einen Blick

Die flächendeckende Einführung der Elektromobilität als Mobilitätskonzept der Zukunft wird

durch die Bundesregierung als eines ihrer vorrangigen Ziele zur Erreichung zukünftiger Kli-

maschutzziele forciert. Hierbei denken die meisten Menschen jedoch nur an die Einführung

von Elektrofahrzeugen in den individuellen Personenverkehr (IPV) und die damit verbunde-

nen wirtschaftlichen und technischen Implikationen.

Grundsätzlich eignen sich zur Umstellung auf elektrische Antriebe viel besser solche Fahr-

zeuge, welche eine hohe Kilometerlaufleistung pro Jahr in Verbindung mit sehr hohem Ge-

wicht haben, da hier die Vorteile des höheren Antriebswirkungsgrads und damit der geringe-

re Energieverbrauch des Motors in Verbindung mit der höheren Energierückgewinnung we-

sentlich stärker zum Tragen kommen. Alles spricht daher für die Einführung von zum Bei-

spiel Elektrobussen in den öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) der Zukunft. Sie sind

schwer, täglich sehr lange unterwegs und fahren zwischen 50.000 und 100.000 Kilometer

pro Jahr, wodurch sie sich ausgezeichnet eignen die Elektromobilität zu fördern und mit Ein-

sparpotenzialen von über 50 Litern Kraftstoff pro Kilometer den CO2-Ausstoss des Verkehrs

zu senken [ZIE12]. Elektrische Antriebe im ÖPNV verbessern die lokale Luftqualität in den

Städten zusätzlich, da Dieselbusse im Wesentlichen für innerörtliche Feinstaubemissionen

verantwortlich sind [MÜL14]. Betrachtet man im Weiteren auch noch die mit dem ÖPNV ver-

bundene Lärmbelästigung so haben durchgeführte Vergleichsmessungen zwischen einem

Elektrobus1 und dessen Dieselpendant neuester Generation2 ergeben, dass der Elektrobus

bei Verlassen der Haltestelle mehr als 16 dB(A)3 und bei Vorbeifahrt 8 dB(A) leiser war. So-

mit trägt die Einführung elektrischer Busse auch wesentlich zur Verringerung des innerörtli-

chen Lärmpegels bei.

Aus diesem Grunde hat auch die Landesregierung Schleswig-Holstein in seinem Elektromo-

bilitätskonzept aus dem September 2014 die Weiterentwicklung und Umsetzung innovativer

elektrischer Antriebe und Verkehrskonzepte hervorgehoben [MIN14], zu denen auch die Ein-

führung von rein elektrisch betriebenen Bussen gehört.

Die Fragen welche sich jedoch Kommunen und Betreiber stellen sind: „Wie ist dies zu reali-

sieren?“, „Was muss beachtet werden?“ und „Wieviel kostet es den Steuerzahler?“. Diesen

Fragen sind wir im Rahmen des Projektes „eMOTION/Smart Grids“ im Detail nachgegangen

1 Solobus von Ebus-Europa 2 Solobus Euro 6 Abgasnorm, neu 3 10 dB(A) Unterschied entspricht etwa der Verdopplung der subjektiv empfundenen Lautstärke [BMU14]

2 Begrifflichkeiten und Definitionen

Seite 2

und haben daraus nachfolgendes Konzept entwickelt, welches einer erfolgreichen Einfüh-

rung der Elektromobilität in den ÖPNV der Zukunft den Boden bereiten soll.


Da das Thema der Elektromobilität für viele Menschen neu ist, sollen an dieser Stelle zual-

lererst einige Begriffe und Definition aufgeführt werden, um das Verständnis des nachfolgen-

den Konzeptes zu erleichtern.

2.1 Batteriebus / E-Bus

Das Konzept beschäftigt sich mit der Einführung von rein elektrisch angetrieben Bussen, im

weiteren Batteriebus oder E-Bus genannt. Hierbei gleichen die Fahrzeuge rein äußerlich den

zurzeit im ÖPNV eingesetzten Bussen, verfügen jedoch über keinen Verbrennungsmotor

sondern werden rein elektrisch angetrieben womit sie lokal emissionsfrei fahren. Als Ener-

giespeicher dient eine wieder aufladbare Batterie, welche aufgrund ihres modularen Aufbaus

in Ihrer Kapazität skalierbar ist. Batteriebusse können entweder als Nachtlader oder Gele-

genheitslader betrieben werden.

2.2 Nachtlader / Volllader

Batteriebusse deren Akkumulatoren lediglich im eigenen Depot geladen werden bezeichnet

man als Nachtlader oder Volllader. Abweichend zu ihrer Bezeichnung können diese natürlich

auch tagsüber geladen werden, jedoch findet die Ladung der Batterie immer nur an der La-

destation im eigenen Betriebshof statt.

2.3 Gelegenheitslader

Wie die Bezeichnung erahnen lässt wird die Batterie hierbei nicht nur im eigenen Depot,

sondern bei Gelegenheit auch an Ladestationen im öffentlichen Raum während des tägli-

chen Betriebs nachgeladen. Diese sind meist als Schnelladestationen mit Anschlussleistun-

gen zwischen 100 und 400 kW ausgelegt, um in relativ kurzer Zeit viel Energie zu übertra-

gen. Die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen Ladestation und Fahrzeug erfolgt

hier meist voll automatisch. Die Energieübertragung wird entweder konduktiv, durch direkte

mechanische Verbindung (Stecker, Pantograph), oder induktive, kontaktlos per Magnetfeld

[WIK14], durchgeführt.


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2.4 Hochenergie-/Hochleistungs-Batterie

Stand der heutigen Technik ist der Einsatz von Lithium-Ionen Batterien in der Elektromobili-

tät. Dies ist jedoch nur der Oberbegriff für diesen Batterietyp und es existiert eine Zahl von

Untertypen, welche sich durch ihre Elektrodenmaterialien und Elektrolyte4 unterscheiden und

ihnen hierdurch unterschiedliche Eigenschaften verleihen. Dies führt unter anderem zur Ein-

stufung der Batterien in Hochenergie- und Hochleistungs-Typen. Eine Lithium-Ionen Hoch-

energie-Batterie (z.B. Lithium-Eisen-Phosphate) verfügt wie der Name schon sagt über eine

relativ hohe Energiedichte von 140 Wh/kg oder mehr, kann aber aufgrund ihrer geringeren

Leistungsdichte weniger Leistung aufnehmen oder abgeben. Hochleistungs-Batterien (z.B.

Lithium-Titanat) hingegen verfügen über eine sehr hohe Leistungsdichte, wodurch sie mit

sehr hohen Strömen geladen und auch entladen werden können. Ihr Nachteil ist eine we-

sentliche geringere Energiedichte von etwa 70-80 Wh/kg und ihr gegenüber der Hochenergie

Variante höherer Preis [VEZ12]. Je nach Anwendung ist bei der Systemauslegung auf die

korrekte Wahl der Batterietechnologie zu achten. Die Vergleichskriterien werden in der Regel

grafisch dargestellt. Abbildung 2.1 & Abbildung 2.2 zeigen diese beispielhaft für die zuvor

beschriebenen Batterietechnologien.

Abbildung 2.1 Eigenschaften

Lithium-Eisen-Phosphat [BAT14]

Abbildung 2.2 Eigenschaften Lithium-Titanat

2.5 Nutzbare Batteriekapazität

Bei Gesprächen mit Herstellern für Lithium-Ionen Batterien wurde festgestellt, dass diese

zusätzliche zum notwendigen Schutz vor Tiefentladung5, welche die Batterie dauerhaft zer-

stören würde, einen weiteren Puffer im unteren Ladezustandsbereich der Batterie durch das

Batterie Management System (BMS) einbauen. Dies erfolgt da eine Entladung der Batterie

4 Ionen leitende Lösungsmittel zwischen den Elektroden 5 Bei Erreichen einer festen Batteriespannung wird die Weitere Entladung der Batterie unterbunden


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unter einen Batterietyp abhängigen Schwellwert (z.B. 20 %) die Alterung der Batterie be-

schleunigen würde. Diese durch Software eingebaute zusätzliche Schwelle verhindert somit

aber auch die Nutzung der in diesem Pufferbereich befindlichen Energie und reduziert die für

den Fahrzeugbetrieb verfügbare Energie. Aus diesem Grund wird hier der Begriff „Nutzbare

Batteriekapazität“ eingeführt.

2.6 Batteriezyklen

Die Gewährleistung der Batterie wird von Herstellern in Form von Zyklen angegeben. Hierbei

unterscheidet man zwischen Voll- und Teilzyklen. Ein Vollzyklus beschreibt die Entladung

der nutzbaren Kapazität sowie nachfolgende Aufladung auf 100 %. Als Teilzyklus bezeichnet

man eine nur teilweise Entladung der Batterie mit anschließender Wiederaufladung6. Die

Gewährleistung bezieht sich immer auf Vollzyklen, wobei z.B. 4 Teilzyklen a 25 % in Summe

einen Vollzyklus ergeben [KMÖ12].

2.7 Batterielebensdauer

Die Batterie verliert im Laufe ihrer Nutzung an Leistungsfähigkeit und Kapazität durch ther-

mische, mechanische und chemische Abnutzung. Hierbei unterscheidet man zwischen ka-

lendarischer Alterung und Zyklenfestigkeit. Die kalendarische Alterung hängt im Wesentli-

chen von der Umgebungstemperatur und natürlich der Zeit seit der ersten Inbetriebnahme,

sprich dem Alter, ab. Die Zyklenfestigkeit wird hingegen in hohem Maße durch die Lade- und

Entladeströmen, die Entladetiefe (DOD) sowie die Batterieinnentemperatur beeinflusst

[KMÖ12]. Die Zyklenfestigkeit beschreibt weiter die Anzahl an Vollzyklen bis zum Erreichen

einer Speicherfähigkeit von 80 % der Nennkapazität [WOD14].

2.8 C-Rate

Die Lade- und Entladeströme einer Batterie werden als vielfaches der C-Rate angegeben.

Hierbei entspricht 1 C jenem Strom, bei welchem eine volle Batteriezelle in einer Stunde-

komplett entladen wird [SHU09]. Hochleistungsbatterien können mit bis zu 10 C problemlos

entladen werden und verfügen über sehr gute Schnellladeeigenschaften [BAT15]. Hingegen

wirken sich hohe Lade- (>1 C) und Entladeströme negativ auf die Alterung der Batterie aus

[WOD14]. Abbildung 2.3 zeigt grafisch den Einfluss unterschiedlich hoher Lade- und Entla-

deströme.

6 Nicht zwingend auf 100 %


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Abbildung 2.3 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit des Lade-/Entladerate [WOD14]

2.9 Antriebswirkungsgrad

Der Antriebswirkungsgrad (�� ) beschreibt wieviel Prozent der in unserem Falle elektri-

schen Leistung in mechanische Leistung am Rad umgewandelt wird. Innerhalb dieses Do-

kuments versteht sich dieser von der Batterie bis zum Rad. Die Berechnung hierzu ist For-

mel (2.1) zu entnehmen.

�� ∗ �� ∗ �� ∗ �� (2.1)

2.10 Rekuperationswirkungsgrad

Dieser Wirkungsgrad beschreibt in der Elektromobilität wieviel der beim Verzögerungsvor-

gang freiwerdenden Bremsenergie in Form von mechanischer Leistung am Rad wieder als

elektrische Leistung der Batterie zurückgeführt wird. Der hier verwendete Rekuperationswir-

kungsgrad7 bezieht sich vom Rad bis in die Batterie, wobei die während der Fahrzeugverzö-

gerung freiwerdende kinetische und ggf. potentielle Energie berücksichtigt wird. Diese Ener-

gierückgewinnung unterliegt der gleichen Verlustkette wie der Antriebswirkungsgrad nur in

umgekehrter Reihenfolge. Siehe hierzu Formel (2.2).

�� ∗ �� ∗ �� ∗�� (2.2)

7 Als Rekuperation bezeichnet man Verfahren zur Rückgewinnung von Energie, welche ansonsten verloren ginge [RPL14]

3 Technische Auslegung

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Um einen E-Bus erfolgreich in ein bestehendes Betriebskonzept zu integrieren besteht die

Notwendigkeit zur detaillierten technischen Auslegung dieses Fahrzeugs inklusive der heirfür

notwendigen Ladeinfrastruktur. Hierbei müssen vorab viele Fragen über die gewünschten

Fahrzeugeinsatzbedingungen bis hin zur notwendigen Batteriegröße und Anschlussleistung

der Ladestation geklärt werden. Sind diese Fragen im Vorfeld nicht geklärt, so steigen die

Chancen auf Misserfolg bei der Einführung erheblich. Der Auslegungsablauf unterteilt sich

hierbei wie in Abbildung 3.1 dargestellt in drei Hauptabschnitte.

Abbildung 3.1 Ablauf technische Auslegung

Diese drei Abschnitte, welche den Kern des Konzeptes ausmachen, werden im Weiteren im Detail beschrieben.

3.1 Strecken & Umlaufanalyse

Zu Beginn einer jeden Machbarkeitsanalyse werden gemeinsam mit dem für den ÖPNV be-

auftragten Betreiber alle von diesem betriebenen Strecken sowie die hieraus resultierenden

Fahrzeugumläufe aufgenommen und auf deren grundsätzliche Eignung zur Elektrifizierung

geprüft. Diese Analyse dient der nachfolgenden Energieberechnung der ausgewählten Stre-

cken und Umläufe, wobei an den bestehenden Einsatz- und Fahrplänen wenn möglich nichts

geändert werden soll. Ziel ist es den E-Bus in den bestehenden Fuhrpark zu integrieren und

nicht umgekehrt.


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3.1.1 Aufnahme aller betriebenen Strecken

Gemeinsam mit dem für die Betriebsplanung und Durchführung verantwortlichen Personal

werden sämtliche Fahrzeugumläufe des Betreibers, sowie die von diesem verantworteten

Strecken/Linien aufgenommen. Für das Streckenprofil müssen von diesem die genauen

Streckenverläufe, dargestellt in einer Karte (Streckenbeispiel siehe Abbildung 3.2), inklusive

der Leerfahrten vom und zum Einsatzpunkt der Linie bereitgestellt werden. Zusätzlich wer-

den die Positionen aller auf den Linien liegenden Bushaltestellen, eingezeichnet in die Kar-

ten oder als geographische Koordinaten, für die spätere Energiebilanzierung benötigt. Diese

Daten müssen vom Betreiber möglicherweise erst erstellt werden.

Abbildung 3.2 Streckenführung der Linie 3 der Sylter Verkehrsgesellschaft (SVG)

3.1.2 Erzeugung digitaler Streckenprofile

Anhand des bereitgestellten Kartenmaterials werden nun digitale Streckenverläufe und deren Höhenprofile erzeugt. Aus den gefilterten absoluten Höhenprofilen werden im weiteren Ver-lauf Steigungsprofile der Strecken erstellt, welche zur Berechnung der durch den Bus zu überwindenden Kräfte am Hang benötigt werden. Das Ergebnis dieser digitalen Streckenpro-file ist beispielhaft in Abbildung 3.3 & Abbildung 3.4 dargestellt.


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Abbildung 3.3 Strecken Höhenprofil (3D)

Abbildung 3.4 Steigungsprofil Flensburg Linie 1 (2D)

3.1.3 Halte- und Geschwindigkeitsprofil

Zusätzlich zu den digitalen Streckenprofilen wird anhand des bereitgestellten Materials ein

digitales Haltestellen- und Geschwindigkeitsprofil erzeugt, welches das Fahrzeug in der Si-

mulation später abfährt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Bus an jeder Haltestelle

stoppt, jede Ampel rot ist und bei jedem Abbiegen gehalten werden muss, da dies den ener-

getisch schlimmsten Fall reflektiert. Bezüglich der Geschwindigkeiten werden die jeweiligen

Punkte ermittelt an welchen sich Geschwindigkeitsbegrenzungen ändern. Alle Angaben wer-

den hierbei als Entfernung in Relation zum Streckenbeginn entlang dieser definiert.

3.1.4 Umlaufanalyse

Fahrzeugumläufe definieren sich als die Summe aller gefahrenen Strecken vom Verlassen

des Depots bis zur abendlichen Rückkehr des Busses auf den Betriebshof. Hierzu zählen


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Einsetzfahrt8, Aussetztfahrt9 sowie notwendige Betriebsfahrten10 ebenso, wie sämtliche Lini-

enfahrten des Tages. Die Fahrten werden mit Abfahrts-, Ankunftszeiten und Positionen so-

wie Streckenlängen umgesetzt11. Ein Beispiel hierfür ist in Tabelle 3.1 dargestellt.

Tabelle 3.1 Auszug tabellarisch umgesetzter Fahrzeu gumlauf

An dieser Stelle erfolgt die Erste Vorauswahl über die Eignung eines Umlaufs für den Betrieb

mit E-Bussen. Hierbei wird grob unterschieden zwischen Eignung für Nachtlader, Gelegen-

heitslader oder einer wahrscheinlichen Nichteignung. Entscheidungskriterien sind Fahrzeug-

typ12, Gesamtlänge des Umlaufs sowie bestehende Wartezeiten. Grundsätzlich wird bei Ge-

legenheitsladung die Ladung der Batterie entlang der Strecken nicht in Erwägung gezogen,

sondern nur die Möglichkeiten zur Nachladung an den Endhaltepunkten der Linien berück-

sichtigt. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass fehlende Wendezeiten an den Endhaltestel-

len zu einer Nichteignung als Gelegenheitslader führen.

3.2 Energieberechnung und Antriebsauslegung

Einer der Kernbereiche bei der Einführung von E-Bussen in den ÖPNV ist die korrekte Ab-

schätzung des für den täglichen Betrieb notwendigen Energievorrats. Anders als bei Diesel-

fahrzeugen ist die Mitführung des drei bis vierfachen der benötigten Energiemenge keine

Option, da aufgrund der begrenzten Zuladung des Busses dann nur noch Batterien befördert

würden. Auch schnelles Nachtanken ist nur bedingt möglich. Zwar können an Schnelladesta-

tionen mit Leistungen von 200-400 kW in 15 Minuten Reichweitenverlängerung von ca. 30-

8 Leerfahrt vom Betriebshof zum Beginn der Linie 9 Leerfahrt vom Endpunkt der Linie zurück zum Betriebshof 10 Durch Linienwechsel notwendige Leerfahrten zischen Endpunkt einer Linie zum Anfangspunkt der nächsten 11 Streckenlänge wird an anderer Stelle der Tabelle eingegeben 12 Midi-, Solo- oder Gelenkbus


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60 km erreicht werden, genau diese Option wird bei Gelegenheitsladern auch genutzt, je-

doch muss das notwendige Netzwerk an Ladestationen ähnlich wie beim IPV hierzu erst

aufgebaut werden. Die Frage wer die hiermit verbundenen Kosten trägt, sowie Wartung und

Instandsetzung verantwortet, ist hierbei zusätzlich zu klären. Grundsätzlich ist die Nutzung

der Nachlademöglichkeit an den Endpunkten der Linien aber durchaus eine valide Option

und Teil dieses Konzeptes.

Um die notwendigen Energiebilanzen eines E-Busses zu erstellen gibt es zwei Optionen.

Einerseits kann der Betreiber für einen gewissen Zeitraum ein Fahrzeug zu Testzwecken

beim Hersteller mieten oder darauf hoffen, dass dieser dem Interessenten ein Fahrzeug so-

gar kostenlos zur Verfügung stellt. Da Batteriebusse jedoch einerseits bei weitem noch nicht

so weit verbreitet sind, dass jedem Interessenten ein Fahrzeug für dessen Eignungsprüfung

überlassen werden könnte, andererseits die anfallenden Mietkosten nicht unerheblich sind,

ist der Testbetrieb meist keine Option. Die zweite und meist auch kostengünstigere Möglich-

keit ist durch Simulation des geplanten Betriebes die notwendigen Daten zur Energiebilan-

zierung und damit Systemauslegung zu generieren. Diese Variante wird in diesem Konzept

verfolgt.

Eigens zu diesem Zweck wurde im Rahmen des Projektes „eMOTION/Smart Grids“ in Ko-

operation mit dem Interreg 4A Projekt „Emerging Attraction“ ein Energie Management Tool

entwickelt (siehe Abbildung 3.5) was auf der Simulationsumgebung Simplorer der Firma An-

sys basiert. Über die genaue Funktionsweise dieses Tools soll hier nicht weiter eingegangen

werden. Jedoch sei erwähnt, dass es die notwendige Energie zur Bewältigung einer beliebi-

gen Strecke über die hierfür aufzubringenden Kräfte13 berechnet [GLÄ14].

Abbildung 3.5 Übersicht Management Tool Energie [GLÄ 14]

13 Setzen sich aus Antriebskräften sowie zu überwindenden Widerstandskräften zusammen


Seite 11

3.2.1 Energieverbrauch pro Strecke

Der Energieverbrauch zum Vortrieb des Busses pro Strecke hängt im Wesentlichen von der

Linientopographie (siehe 3.1.2), den Fahrzeugeigenschaften und dem zugehörigen Halte-

und Geschwindigkeitsprofil (siehe 3.1.3) ab. Die einflussnehmenden Fahrzeugeigenschaften,

welche unter anderem als Parameter im Energie Management Tool berücksichtigt werden,

sind nachfolgend aufgeführt.

• Fahrzeuggesamtgewicht / Zuladung • Beschleunigung • Frontfläche • Luftwiderstandsbeiwert (cw) • Haftreibungsbeiwert (crhaft) • Rollreibungsbeiwert (crroll) • Massefaktor • Antriebswirkungsgrad (ηDrive) • Rekuperationswirkungsgrad (ηRecup)

Weiterhin können im Energiemanagement Tool wetterbedingte Windeinflüsse berücksichtigt werden. Abbildung 3.6 zeigt den Energieverbrauch des Antriebs entlang einer vorgegebenen Strecke.

Abbildung 3.6 Energieverbrauch Antrieb im Streckenver lauf

Neben der für den Fahrzeugantrieb benötigten Energie, muss zusätzlich die notwendige Energie zum Betrieb der Nebenantriebe (Kompressor, Pumpen, Licht, Elektronik, etc.) sowie zur Klimatisierung des Fahrzeugs ermittelt werden. Da diese Verbraucher zumindest teilwei-se auch bei Stillstand des Fahrzeugs aktiv sind, werden deren Verbräuche über die Fahrzeit des Busses ermittelt und zur Traktionsenergie addiert. Hierbei werden Energieberechnungen mit und ohne eingeschalteter Heizung / Klimaanlage durchgeführt, wodurch der Fahrzeugbe-trieb im Winter / Sommer und in den Übergangszeiten abgebildet wird.

Da die Fahrzeugzuladung und somit das Gesamtgewicht einen entscheidenden Einfluss auf den Energieverbrauch des Antriebs haben, wurde die Möglichkeit zur Berücksichtigung von Fahrgastzählungen implementiert. Weil in den Meisten Fällen diese Daten jedoch nicht vor-liegen, wird eine Berechnung mit 50 % und 100 % Zuladung entlang der gesamten Strecke durchgeführt. Diese Berechnung trägt auch der vom VDV bei der Planung zur Einführung von E-Bussen geforderten „worst case“ Betrachtung Rechnung [VDV14].


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3.2.2 Energieverbrauch pro Umlauf

Wie in Abbildung 3.1 dargestellt, wird zur technischen Auslegung des Fahrzeugs und der

notwendigen Ladeinfrastruktur der Gesamtverbrauch des Fahrzeugs im Laufe eines Tages

benötigt. Hierbei wird wie beschrieben die benötigte Energie für den Betrieb des Busses mit

und ohne Klimatisierung, sowie für 50 % und 100 % Fahrzeugauslastung des ausgewählten

Umlaufprofils ermittelt. Der Energieverbrauch für Leerfahrten während des Umlaufs wird in

jedem Fall ohne Zuladung berechnet. Abbildung 3.7 zeigt graphisch den Verlauf des State of

Charge (SOC) einer 250 kWh Batterie eines E-Bus im Rahmen eines Tagesumlaufs bei un-

terschiedlicher Zuladung ± Heizung.

Abbildung 3.7 Batterieladezustand im Laufe eines Um laufs vor Systemoptimierung

Die erzielten Ergebnisse bilden im weiteren Verlauf die Basis für die nachfolgende Sys-

temoptimierung hinsichtlich Batteriekapazität und Ladeinfrastruktur.

3.2.3 Antriebsauslegung

Neben der für den Betrieb mitzuführenden benötigten Energie ist weiterhin die Dimensionie-

rung des Antriebsstrangs für das geplante Einsatzgebiet zu klären. So macht es einen we-

sentlichen Unterschied hinsichtlich Motorleistung und Drehmoment, ob das Fahrzeug im

Flachland ohne große Streckensteigungen oder in Gebieten mit erheblichen Steigungen ein-

gesetzt werden soll. Die Antwort hierauf gibt das Energie Management Tool, da dieses im

Rahmen der Berechnung auch die für den Vortrieb notwendigen Kennfelder liefert. Abbildung

3.8 zeigt als Beispiel das für den Antrieb notwendige Drehmoment, hier auf einer geografisch

anspruchsvollen Linie.


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Abbildung 3.8 Notwendiges Antriebsdrehmoment bei un terschiedlichem Gesamtgewicht

Im Besonderen gilt diese Aussage bei E-Bussen, abweichend für herkömmliche Fahrzeuge

mit Verbrennungsmotor, zusätzlich für die im Zusammenhang mit der Rekuperation benötig-

te Leistung des Motors, welcher jetzt als Generator betrieben wird. Ist dieser, inklusive des-

sen Leistungselektronik, hierfür zu klein dimensioniert, so kann die im Bremsvorgang frei-

werdende kinetische Energie nur unzureichend in elektrische Energie zurückgewandelt wer-

den und der Energieverbrauch des Busses steigt. Anders als beim Diesel, wo nur die An-

triebsleistung zu berücksichtigen ist und eine leichte Unterdimensionierung des Motors ledig-

lich eine geringere Beschleunigung nach sich zieht, hat beim E-Bus eine falsche Antriebsdi-

mensionierung also auch wesentliche Auswirkungen auf die Energieeffizienz des Fahrzeugs.

Nachfolgende Grafik stellt die für einen voll beladenen Gelenkbus notwendige Antriebsleis-

tung da. Der rote Bereich kennzeichnet hierbei jene Zone, in welcher z.B. ein 200 kW Motor

nicht dauerhaft kinetische in elektrische Energie wandeln kann. Sämtliche Leistung, darge-

stellt durch die Fläche der blauen Kurve innerhalb dieser Zone, geht für die Rekuperation

verloren.

Abbildung 3.9 Notwendige Antriebsleistung bei 29 t Gesamtgewicht

In geografisch anspruchsvolles Gelände


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3.3 Systemauslegung und Optimierung

Mit Hilfe der im Rahmen der bei der Energiebilanzierung des Umlaufs gewonnenen Daten

kann im weiteren Verlauf das optimale Einsatzkonzept (Nachtlader / Gelegenheitslader) des

E-Busses bestimmt werden. Anhand der Verbräuche auf den Umlaufbildenden Strecken,

wird nun mit der eigentlichen Systemauslegung hinsichtlich Batteriekapazität und notwendi-

ger Ladeinfrastruktur begonnen. Im Vordergrund steht weiterhin die Maxime den E-Bus in

den bestehenden Fuhrpark zu integrieren, um auch zukünftig maximale Flexibilität für den

Betreiber hinsichtlich Einsatzfähigkeit des neuen Fahrzeugtyps zu gewährleisten.

Aus diesem Grund wird bei der Wahl des Einsatzkonzepts auch nur auf Wunsch des Betrei-

bers der Gelegenheitslader mit möglichst kleiner Batterie gewählt, da dieses den Betrieb des

E-Bus, solange kein weitreichendes Netzwerk an automatischen Schnellladestationen be-

steht, auf eine oder wenige Strecken beschränkt.

3.3.1 Batteriegröße

Da ein Netzwerk von Ladestationen wie beschrieben bisher noch fehlt, wird versucht das

Fahrzeug primär als Volllader zu realisieren. Erst wenn dies nicht mehr möglich ist, wird auf

die Nachladung der Batterie an den Wendepunkten der Linie zurückgegriffen. Manche Um-

läufe lassen sich aufgrund der hohen Kilometerleistung jedoch von Beginn an nur als Gele-

genheitslader umsetzen. Hier werden abweichend zu anderen Konzepten, welche oft aus

Kosten und Gewichtsgründen eine möglichst kleine Hochleistungs-Batterie bevorzugen, ge-

zielt z.B. bei Solobussen Hochenergie-Batterien mit mindestens 200 kWh ausgewählt. Dies

gewährt die bei der Systemauslegung mit im Fokus stehende Einsatzflexibilität für den Be-

treiber und schafft Reserven, falls ein Ladevorgang ausgelassen werden muss. Die Wahl der

Batteriekapazität erfolgt weiterhin anhand der tatsächlich aktuell am Markt befindlichen Fahr-

zeuge. Abbildung 3.10 zeigt den Verlauf des SOC der Batterie am Beispiel unterschiedlich

großen Batteriekapazitäten für 100 % Zuladung ± Heizung.

Abbildung 3.10 Batterieladezustand im Laufe eines U mlaufs bei unterschiedlichen Batteriekapazitäten


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Bei der späteren Systemoptimierung werden weiterhin die Alterung der Batterie negativ be-

einflussende Faktoren berücksichtigt, sowie eine Energiereserve der nutzbaren Batteriela-

dung (SOC) im „worst case“ vorgehalten, womit ausreichende Reserven für Störungen zum

Normalbetrieb [VDV14] bestehen. Näheres Hierzu in Kapitel 3.3.3.

Da die Batterie des E-Busses auch am Ende der Lebensdauer noch über ausreichend Kapa-

zität zur Bewältigung des Umlaufs verfügen muss, wird zusätzlich jeweils eine Berechnung

mit 80 % der gewählten Anfangskapazität durchgeführt.

3.3.2 Ladeinfrastruktur

Die Ladeinfrastruktur setzt sich aus der Ladestation im Depot sowie den Ladestationen im

öffentlichen Raum zur Gelegenheitsladung zusammen. Bei der Ladung auf dem Betriebshof

wird die Batterie in Normalfall auf 100 % ihrer Kapazität aufgeladen. Da das Konzept von der

Verwendung von Hochenergie-Batterien ausgeht, wird hier die Ladestation für Langsamla-

dung (<0,25 C) ausgelegt, um eine unnötige beschleunigte Alterung der Batterie durch

Schnellladung zu vermeiden [KIE15].

Wird im Rahmen des gewählten Einsatzkonzeptes auf Gelegenheitsladung an den Wende-

punkten der Linien zurückgegriffen, so werden hier die Ladestationen als Schnellader ausge-

legt, da in der verfügbaren Zeit so viel Energie wie möglich der Batterie zugeführt werden

soll. Abbildung 3.11 & Abbildung 3.12 zeigen Beispiele für am Markt verfügbare Ladestatio-

nen mit Stecker Verbinder im Depot sowie mit Pantograph zur automatischen Kontaktierung

für den öffentlichen Raum.

Abbildung 3.11 Depotladestation [EUR14]

Abbildung 3.12 Schnellladestation

mit Pantograph [SIE14]


Seite 16

3.3.3 Systemoptimierung

Fällt die Wahl des Einsatzkonzeptes basierend auf der Energiebilanz des Umlaufs, aus Kos-

tengründen (die Batterie ist einer der Kostentreiber der Elektromobilität) oder aus betriebs-

bedingten Gründen nicht auf den Nachtlader, so wird an dieser Stelle iterativ das bestmögli-

che System für den Umlauf ermittelt. Hierbei sind die Variablen Batteriegröße, Ladeleistung,

Ladeposition und verfügbare Ladezeiten.

Zu Beginn wird die erstellte Umlauftabelle auf mögliche Wartezeiten an den Linienwende-

punkten hin analysiert. Hierbei werden nur Wartezeiten von mehr als zehn, mindestens aber

sieben Minuten berücksichtigt, um Verspätungen des Busses im laufenden Betrieb Rech-

nung zu tragen. Weiterhin werden für Kontaktierung und auflösen der Verbindung zwischen

Bus und Ladestation je eine Minute veranschlagt. Tabelle 3.2 zeigt auszugsweise die mögli-

chen Positionen und Wartezeiten welche für die Gelegenheitsladung genutzt werden kön-

nen.

Tabelle 3.2 Positionen und nutzbare Wartezeiten zur Schnellladung

Nun wird der eigentliche Prozess der Systemoptimierung begonnen. Ziel ist dabei die best-

mögliche Kombination aus Batteriekapazität, Ladeleistung und Ladezeit zu bestimmen.

Wie zuvor auf Seite 14 & 15 erwähnt, werden bei der Prozessoptimierung die Batteriealte-

rung beeinflussende Faktoren berücksichtigt. Zu Beginn wird die maximal erlaubte Schnell-

und Langsamladeleistung berechnet. Wie schon in Kapitel 2.8 beschrieben, ist die C-Rate

und somit die Stromstärke bei 1 C bzw. 0,25 C von der Gesamtkapazität der Batterie abhän-

gig. Je größer die Batteriekapazität, desto höher der mögliche Strom und somit auch die er-

laubte Ladeleistung. Da die optimale Batteriekapazität noch nicht fest steht, werden die un-

terschiedlichen Grenzwerte für die in der Iteration geplanten Batteriekapazitäten des Elektro-

busses berechnet. Weiterhin wird die für Hochenergie-Batterien maximale Schnellladungs-


Seite 17

grenze von 80 % SOC14 honoriert. Da auch die Entladetiefe (DOD)15 einen Einfluss auf die

Batteriealterung hat [SAU14], wird im Rahmen der Optimierung versucht diesen durch ma-

ximale Nutzung aller Nachlademöglichkeiten so klein wie möglich zu halten. Der Einfluss des

DOD verdeutlicht Abbildung 3.13 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit der Entladetiefe [SAU14].

Abbildung 3.13 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit der Entladetiefe [SAU14]

Da zum Zeitpunkt der Systemauslegung nicht bekannt ist, ob durch das BMS ein Schutz vor

Unterschreitung der die Batteriealterung beschleunigenden Entladungsgrenze besteht, wird

diese im Optimierungsprozess mit berücksichtigt. Hierzu wird eine untere Entladungsgrenze

von 20 % der Anfangskapazität im „worst case“ Szenario16 sowie 10 % dieses Scenarios

zum Ende der Batterielebensdauer eingehalten. Dieser Puffer wirkt gleichzeitig als Reserve

im täglichen Betrieb.

Durch Veränderung der einzelnen Parameter wird nun das für den Umlauf optimale System

ausgelegt, wobei versucht wird sowohl Batteriekapazität als auch Ladeleistung so klein wie

möglich zu halten, bei gleichzeitig maximaler Einbindung von Pufferzeiten für die Ladung.

Abbildung 3.14 & Abbildung 3.15 zeigen das Ergebnis einer Systemoptimierung für unter-

schiedliche Fahrzeugauslastung mit und ohne Klimatisierung, sowie die sich ergebende La-

de- und Pufferzeiten.

14 Ab einem SOC von ca. 80 % steigt bei Schnellladung die Innentemperatur der Batterie stark an was die Alterung beschleunigt und im schlimmsten Fall die Batterie zerstört [KIE15] 15 Prozentualer Wert zwischen SOC zu Beginn der Entladung bis zum SOC bei Entladungsende und nachfolgender Ladung 16 100 % Zuladung über den ganzen Tag sowie Heizungsauslastung zu 50 %

4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Seite 18

Abbildung 3.14 Darstellung des Batterieladezustands eines Umlaufs nach Systemoptimierung

Abbildung 3.15 Vergleich zwischen verfügbarer und ta tsächlicher Ladezeit


Wie in der Einleitung dargestellt, ist eine der immer wieder gestellten Fragen die nach den

entstehenden Kosten und jene ob sich ein E-Bus im Vergleich zum Diesel überhaupt rentiert.

Die Antwort auf diese Frage ist sowohl für den Betreiber für dessen Kalkulation, als auch für

die Kommunen, welche den ÖPNV finanzieren, und somit den Steuerzahler von großem In-

teresse. Aus diesem Grund wurde gemeinsam mit dem Fachbereich Wirtschaft der Fach-

hochschule Flensburg, unter Leitung von Herrn Professor Dr. Schurawitzki, ein „Manage-

ment Tool Wirtschaft“ zur Berechnung der „Total Cost of Ownership (TCO)“17, bei gleichzeiti-

gem Vergleich zu einem Dieselbus, entwickelt. Basis für die wirtschaftliche Betrachtung bil-

17 Lebenszykluskosten des Fahrzeugs über dessen geplanten Betriebszeitraum


Seite 19

den die Ergebnisse der Energiebilanzierung und Systemauslegung. Alle Kosten verstehen

sich Netto ohne Umsatzsteuer. Im Weiteren wird das Tool sowie die gewählte Vorgehens-

weise näher beschrieben.

4.1 Eingangsparameter und Einflussfaktoren

Da zum Zeitpunkt der wirtschaftlichen Betrachtung noch kein spezielles Fahrzeug durch den

Betreiber ausgewählt wurde, dient die Ermittlung der TCO selbstverständlich nur als Anhalt.

Trotzdem wird soweit es geht auf bestehende Daten des Betreibers, wie zum Beispiel aktuel-

ler Preis des bezogenen Stroms und Kraftstoffs, zurückgegriffen. Hat sich ein Betreiber zu

einem späteren Zeitpunkt für ein Fahrzeug entschieden, kann kurzfristig eine Nachberech-

nung der TCO erfolgen. Nachfolgende Auflistung gibt eine Übersicht über die Eingangspa-

rameter.

• Fahrzeugpreis E-Bus / Diesel (unverhandelt)

• Nutzungszeitraum = Abschreibungszeitraum

• Durchschnittsverbrauch E-Bus aus Energiebilanzierung

• Durchschnittsverbrauch Dieselbus (aus aktueller Betreiberstatistik)

• Versicherungskosten pro Jahr18

• Wartungskosten pro Kilometer19

• Anzahl, Nutzung und Preis der Ladestationen

• Anzahl und Kosten der Zapfsäulen

• Kapazität der Batterie

• Anzahl garantierter Ladezyklen

• Dieselpreis-/Strompreis- und Batteriepreisentwicklung

• Fahrzeug Kilometerleistung pro Jahr gemäß bestehendem Umlauf

18 Diese ist auf Anfrage bei Versicherungsgesellschaft für beide Fahrzeuge gleich 19 Zur Zeit wird beim E-Bus von 50 % der Wartungskosten im Vergleich zum Diesel ausgegangen, Dieser Wert ist in der Praxis zu überprüfen


Seite 20

Nachfolgende Grafik zeigt beispielhaft die befüllte Eingabemaske.

Abbildung 4.1 Eingabemaske TCO

Aufgrund der aktuell schwer abschätzbaren Erträge werden der Fahrzeugrestwert sowie die

Einnahmen bei Verkauf der ausgetauschten Batterie derzeit nicht mit in die Gesamtkosten-

betrachtung eingerechnet. Da jedoch sowohl der Fahrzeugrestwert des E-Bus über dem ei-

nes Dieselbus liegen dürfte als auch der Verkauf der Batterie nicht unerhebliche Erträge er-

zielen wird, ist geplant dies zukünftig mit in die Berechnung mit einfließen zu lassen.

Zum besseren Verständnis sollen nun einige Parameter näher erläutert werden.

4.1.1 Durchschnittsverbrauch E-Bus

Da in unterschiedlichen Einsatzregionen der Bus unterschiedlich klimatisiert wird, fließt die

Nutzung von Klimaanlage und Heizung zu einem Zwölftel des Jahresverbrauchs pro Nut-

zungsmonat ein. Für die verbleibenden Monate wird dann der Durchschnittsverbrauch ohne

Klimatisierung zur Berechnung des Durchschnittsverbrauchs pro Kilometer heran gezogen.

Da während des Ladevorgangs bei der Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom Verluste

in der Ladestation sowie in der Batterie entstehen werden diese für die Berechnung der aus

dem Netz aufgenommenen Energie pro Kilometer berücksichtigt, da diese dem Betreiber

vom Stromversorger berechnet werden. Hierbei wird von einem Wirkungsgrad des Ladege-

rätes (��) von 95 % ausgegangen, wobei neue Werkstoffe einen Wirkungsgrad von bis

zu 97 % ermöglichen [FRA11]. Seitens der Batterie treten lediglich Verluste von ein bis drei


Seite 21

Prozent auf [BAT15]. Für die TCO Berechnung wird ein Batteriewirkungsgrad von 98,5 %

angenommen. Die Berechnung des auf den Netzbezug bezogenen Durchschnittsverbrauchs

ist Formel (4.1) zu entnehmen.

∅�� !�" # � ∅�� $� !�" %�� ∗��

(4.1)

4.1.2 Wartungskosten pro Kilometer

Da der Elektroantrieb des E-Bus fast keine Schmierstoffe benötigt20 und wesentlich weniger

bewegliche Teile beinhaltet, entfällt ein großer Teil des beim Dieselfahrzeug anfallenden

Wartungsaufwandes, wie z.B. Ölwechsel oder Keilriemenwechsel. Ein weiterer Vorteil des

E-Bus ist dessen elektrische Bremse, bei welcher der Motor als Generator läuft und somit

den Bus abbremst. Hierdurch wird die mechanische Bremse bei vorausschauender Fahrwei-

se fast gar nicht mehr betätigt, wodurch diese kaum noch verschleißt und ein Tausch von

Bremsscheiben oder Belegen nur noch sehr selten notwendig ist.

4.1.3 Kapazität der Batterie und Anzahl der Ladezyk len

Wie schon in Kapitel 2.6 und 2.7 dargestellt wird die Batterie bei einer Kapazität von 80 %

der anfänglichen Nennkapazität im Normalfall getauscht. Da die Kosten der Ersatzbatterie

bei der TCO-Berechnung berücksichtigt werden müssen, wird basierend auf den durch den

Fahrzeughersteller angegebenen garantierten Vollzyklen, sowie dem ermittelten Durch-

schnittsverbrauch des E-Bus pro Kilometer in Kombination mit der Jahreslaufleistung der

Austauschzeitpunkt der Batterie bestimmt. Da die tatsächlich genutzte Zeit des Busses nach

Austausch der Batterie in den seltensten Fällen mit der verbleibenden theoretischen Nut-

zungsdauer der Ersatzbatterie übereinstimmt, werden die Batteriekosten nur anteilig bis zum

Ende des Abschreibungszeitraums des Fahrzeugs mit in der TCO Berechnung berücksich-

tigt. Die Kosten pro Kilowattstunde der Ersatzbatterie werden hierbei der im nächsten Kapitel

erläuterten Preisentwicklung für Batterien entnommen. Sollte durch den Hersteller in seinen

Garantiebedingungen ein Vollzyklus mit weniger als 100 % festgelegt sein, so wird diesem

durch Umrechnung der Garantierten Zyklen Zahl Rechnung getragen.

4.1.4 Dieselpreis-/Strompreis-/Batteriepreisentwick lung

Für die Preisentwicklung bei Diesel und Strom wird der aktuell durch den Betreiber gezahlte

Preis zugrunde gelegt und anhand langjähriger Statistiken in die Zukunft extrapoliert. Hierbei

20 Bei Zentralantrieb braucht lediglich das Differenzial gewartet werden.


Seite 22

wird im Normalfall der in der Betriebswirtschaft übliche „Compound Average Case“, welcher

den Durchschnitt aus unterschiedlichen Vorhersagemethoden bildet, gewählt. Die Preisent-

wicklung des Stromes enthält die gemäß EEG 2014 auch für Elektrobusse zu zahlende

EEG-Zulage. Beispiele für Preisentwicklungen bei Diesel und Strom sind Abbildung 4.2 und

Abbildung 4.3 zu entnehmen.

Abbildung 4.2 Preisentwicklung Diesel Basis 1,19 €

Abbildung 4.3 Preisentwicklung Strom Basis ~0,20 €


Seite 23

Die Preisentwicklung bei Lithium-Ionen Batterien ist wesentlich schwerer zu prognostizieren

als die von Strom oder Kraftstoff, da es sich einerseits um eine relativ neu am Markt befindli-

che Technologie handelt, andererseits halten sich die Hersteller sehr bedeckt mit Ihren Prei-

sen. Grundsätzlich wird bei Batterien der Preis pro Kilowattstunde angegeben, wobei es

wichtig ist zwischen dem Preis auf Zellebene und Modulebene zu unterscheiden. Abbildung

4.4 Lithium-Ionen Zellpreisentwicklung [SAU14] zeigt eine Prognose der Preisentwicklung

auf Zellebene aus dem Jahre 2014. Schaut man sich hierin das aktuelle Jahr (2015) an so

variiert der Preis pro Kilowattstunde zwischen 180 und 400 € oder mehr als 100 %.

Abbildung 4.4 Lithium-Ionen Zellpreisentwicklung [SA U14]

Da bei einer Batteriesubstitution nicht nur die Zellen, sondern ganze Module getauscht wer-

den, wird mit einem aktuellen Modulpreis von 500 €21 pro Kilowattstunde gerechnet. Im Ver-

gleich berechnet Nissan für die Substitution des Batteriepakets22 des Nissan „Leaf“ einen

Betrag von 5.499 $ Netto was aktuell einem Preis von ca. 200 €23 pro kWh auf Modulebene

entspricht. Auch wenn dieser die Kosten bei Nissan nicht zu 100 % deckt [VOE14], so gibt

dies dennoch einen Anhaltspunkt wohin der Markt sich entwickelt.

4.2 Ergebnisse TCO Berechnung

Die Ergebnisse der Berechnung der Lebenszykluskosten erlauben nun eine vergleichende

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines Elektrobusses gegenüber einem herkömmlich mit Diesel

betriebenen Fahrzeug. In der numerischen Ausgabe, dargestellt in Abbildung 4.5, werden die

durchschnittlichen jährlichen Gesamtkosten, sowie Einzelposten wie Abschreibung, Batte-

21 Gespräche mit unterschiedlichen Fahrzeugherstellern haben diesen Pries inoffiziell bestätigt. 22 Batteriekapazität 24 kWh 23 Wechselkurs 1 USD = 0,88 Euro


Seite 24

riesubstitution, Energiekosten, Versicherung, Wartung, und wenn gewünscht der kalkulatori-

schen Zinslast berechnet. Zusätzlich werden die zu erwartenden Kosten pro Kilometer, der

maximale Anschaffungspreis eines E-Busses als Rentabilitätsschwelle im Vergleich zur Die-

selvariante sowie eine gegebenenfalls notwendige Förderung pro Kilometer als Kostenaus-

gleich für etwaige Mehrkosten bei Beschaffung eines Elektrobusses ausgegeben.

Abbildung 4.5 Ergebnisse TCO Berechnung

Neben den rein analytischen Ergebnissen werden Grafiken erzeugt, welche die Kostenent-

wicklung zwischen E-Bus und Diesel darstellen. Abbildung 4.6 Kostengegenüberstellung E-

Bus vs. Diesel pro Betriebsjahrzeigt beispielhaft die zu erwartenden Kosten pro Jahr verglei-

chend für beide Fahrzeugtypen. Der Kostensprung beim Elektrobus (grün) im neunten Be-

triebsjahr begründet sich aus dem Kauf einer Ersatzbatterie.

Abbildung 4.6 Kostengegenüberstellung E-Bus vs. Die sel pro Betriebsjahr


Seite 25

Abschließend ist aus der in Abbildung 4.7 dargestellten Grafik der zu erwartenden Gesamt-

kosten auf einen Blick zu entnehmen, ob ein E-Bus im Vergleich zum Diesel überhaupt kos-

tendeckend zu betreiben ist.

Abbildung 4.7 Gegenüberstellung Gesamtkosten E-Bus vs. Diesel

Bei sämtlichen Berechnungen wird im Übrigen von einer gleich hohen Verfügbarkeit des

E-Bus im Vergleich zum Diesel ausgegangen.

5 Fazit

Seite 26

5 Fazit

Wie in der Einleitung dargestellt ist der ÖPNV durch geregelte im Vorfeld feststehende Fahr-

pläne, hohe Nutzfahrzeuggewichte und Jahreskilometerleistungen prädestiniert für Elektro-

mobilität. Auch ist der elektrische Antrieb im ÖPNV nicht neu, wird er doch schon seit dem

frühen zwanzigsten Jahrhundert erfolgreich bei Oberleitungsbussen [TRO15]und Straßen-

bahnen europaweit eingesetzt. Der gravierende Unterschied zu heutigen Batteriebussen ist

jedoch die Energiebereitstellung. Werden Oberleitungsbussen über ein Leitungsnetz dauer-

haft mit Strom versorgt, durch welches sie an eine vorher festzulegende Streckenführung

gebunden sind, so führen Batteriebusse ihren eigenen Stromspeicher mit. Dies macht sie

wesentlich flexibler einsetzbar und spart teure Infrastrukturkosten. Der Nachteil ist jedoch die

durch die Batteriekapazität begrenzte Reichweite. Um einen Batteriebus erfolgreich in den

laufenden Betrieb zu integrieren sind daher vollkommen neue Planungsaufgaben notwendig.

Genau diese Aufgaben erfüllt das vorgestellte Konzept und beantwortet zusätzlich die Frage

nach den zu erwartenden Kosten.

Ziel war es die in der Einleitung aufgeworfenen Fragen:

• „Wie ist Elektromobilität im ÖPNV zu realisieren?“

• „Was muss hierbei beachtet werden?“

• „Wieviel würde dies im Detail kosten?“

zu beantworten und genau dies ist mit dem vorgestellten Konzept möglich.

Im Rahmen des Projektes im Kreis Nordfriesland durchgeführte Machbarkeitsstudien liefern

hier bereits Erste Ergebnisse. Grundsätzlich ist zu sagen, dass mit den bereits heute am

Markt verfügbaren Elektrobussen der bestehende ÖPNV in den meisten Fällen sowohl tech-

nisch als auch wirtschaftlich realisierbar ist. Wer jedoch glaubt ein von der Stange gekauftes

Fahrzeug erfüllt in jedem Fall den angedachten Zweck, irrt. Nur durch ausgiebige Planung im

Vorfeld, inklusive der notwendigen Energiebilanzierungen, kann ein für den vorgesehenen

Einsatz optimiertes Fahrzeug hinsichtlich seiner Motorleistung und Batteriekapazität sowie

der dazugehörigen Ladeinfrastruktur ausgelegt werden. Hierbei darf gegebenenfalls auch

nicht vor einer negativen Empfehlung hinsichtlich der Realisierbarkeit gescheut werden.

Denn es gibt immer wieder Fälle bei denen eine Umstellung eines Umlaufs entweder aus

technischen und/oder wirtschaftlichen Gründen zum jetzigen Zeitpunkt keinen Sinn macht.

Das heißt nicht, das eine erneute Analyse in drei bis vier Jahren nicht positiv ausfallen könn-

te, denn die Geschwindigkeit mit welcher im Bereich der Batteriespeicher hinsichtlich deren

5 Fazit

Seite 27

Kapazität die Entwicklung voran schreitet ist immens. Gleiches gilt im Hinblick auf die zu er-

wartenden Kosten.

Ob die Umstellung eines Umlaufs eines Betreibers oder einer speziellen Linie in einer Kom-

mune oder Stadt sowohl technisch als auch wirtschaftlich sinnvoll ist, muss also im Einzelfall

betrachtet werden. Lohnenswert ist diese Betrachtung auf jeden Fall, denn neben Betriebs-

kostenersparnissen, welcher ein E-Bus im Vergleich zum Diesel oft schon heute mit sich

bringt, bedeutet die Umstellung weniger Lärm und besserer Luftqualität in der Stadt, sowie

bei der Verwendung von nachhaltig produziertem Strom zusätzlich einen Beitrag zur Erfül-

lung der durch die Bundesregierung avancierten Klimaschutzziele. Details zu Betriebskos-

ten- und CO2-Einsparpotenzialen sind beispielhaft in Abbildung 5.1 dargestellt.

Abbildung 5.1 Einsparungspotenziale E-Bus (Energiekos ten & CO2) [IZU15], [UBA15]

Elektromobilität wird im ÖPNV der Zukunft eine tragende Rolle spielen

und:

„Er ist schon heute sowohl technisch als auch wirtschaftlich realisierbar.“

aber

„Gute Planung schütz vor Misserfolg.“

Quellenverzeichnis

Seite 28

Quellenverzeichnis

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Seite 30

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