Projekt

BOB – Batterie-Oberleitungs-Bus: Emissionsfreier ÖPNV als Teil der "Smart City"

Die StadtStadtwerke und die Netze Solingen verfolgen gemeinsam mit mehreren Kooperationspartnern das Ziel, den ÖPNV in Solingen zukünftig rein elektrisch und emissionsfrei zu gestalten. Dazu hat sich ein Konsortium bestehend aus Stadt und Stadtwerken Solingen, der Bergischen Universität Wuppertal sowie den Firmen Vossloh Kiepe GmbH, Voltabox Deutschland GmbH und der Wuppertaler NetSystem GmbH formiert. Die Neue Effizienz entwickelt und steuert das Gesamtkonzept und übernimmt dabei die zentrale Rolle zur Definition und Koppelung der interdisziplinären Schnittstellen.

Gemeinsam soll der Oberleitungsbus und das damit verknüpfte Oberleitungsnetz intelligent und ökologisch weiter entwickelt werden. Durch die Entwicklung und den Einsatz rein elektrischer Busse im Linienbetrieb soll die Zweiteilung des Fuhrparks in Dieselbusse und Oberleitungsbusse mit Diesel-Hilfsantrieb zukünftig entfallen. Diese E-Busse sollen dynamisch während der Fahrt am Oberleitungsnetz nachgeladen werden. Für die Elektrifizierung des ÖPNV ist es Notwendig, die Ladeinfrastruktur für die Busse intelligent in das Verteilnetz zu integrieren.

Presseartikel vom 17.03.2015 aus dem Solinger Tageblatt (klick)

 

Die Ausgangslage

Der öffentliche Personennahverkehr in Deutschland und Europa wird zu einem großen Teil mit Bussen durchgeführt. Diese sind in der Regel dieselbetrieben. In Ausnahmefällen, wie z.B. in Solingen, Esslingen, Eberswalde oder vermehrt auch in Osteuropa, kommen elektrische Busse, welche an Oberleitungen betrieben werden, sogenannte O-Busse, zum Einsatz.

In den letzten Jahren wurden in einigen deutschen Städten, wie z.B. in Osnabrück und in Münster, batterieelektrische Busse, sogenannte E-Busse, getestet und auch in den Regelbetrieb für die Abdeckung einzelner Linien übernommen. Diese E-Busse unterliegen jedoch einem großen Nachteil: Die durch die im Vergleich zu fossilem Kraftstoff geringe spezifische Energie der Lithium-Ionen Batterien begrenzt die Tagesreichweite der E-Busse auf z.B. 250 km (Quelle: Euracom Group GmbH). Diese maximale Reichweite wird dabei lediglich bei optimalen Randbedingungen, d.h. z.B. in Städten und Gemeinden relativ flacher Topographie erreicht. Städte in bergigen oder teilweise bergigen Regionen müssen hier mit einer deutlich verkürzten Reichweite rechnen. Auch Städte und Gemeinden mit Buslinien, die längere Tagesreichweiten erfordern (z.B. für eine Anbindung an das ländliche Umland einer Großstadt oder Randbereiche wie z.B. Industrie- und Gewerbegebiete), können E-Busse auf diesen nur schlecht oder gar nicht einsetzen.

 

Was wird gemacht?

Der „Regenerative Range-Extender“ für E-Busse soll genau hier Abhilfe schaffen: Die E-Busse werden dynamisch, d.h. während der Fahrt in bestimmten Streckenabschnitten, nachgeladen. Neben Ladepunkten werden somit erstmals Ladestrecken etabliert. Hierbei kommt zunächst eine scheinbar bewährte Technologie der O-Busse zum Einsatz: Der Stromabnehmer. 

Abbildung 1: Modell zur dynamischen Nachladung (Quelle: Vossloh Kiepe)

Die elektrische Energie wird dabei über zwei im kurzen Abstand nebeneinander liegende Oberleitungen für den Bus bereitgestellt. Im Unterschied zum O-Bus ist bei dem E-Bus aber ein völlig anderes, d.h. moderneres, Bordsystem im Einsatz. Die elektrische Energie in den Oberleitungen muss zunächst auf das Niveau der Bordnetzspannung gewandelt und abhängig von der Art der Netzspannung eventuell auch gleichgerichtet werden. Die Oberleitungen selbst werden lediglich in „unkritischen“ Streckenabschnitten platziert. Dies wären Außenbezirke von Städten, größere Zubringerstraßen und Bereiche vor und an den äußeren Endhaltestellen einzelner Linien. Historisch bedeutende Plätze und Straßen, malerische Altstädte, Wohnquartiere u. Ä. bleiben somit oberleitungsfrei. Streckenabschnitte, in denen bereits heute Oberleitungen vorhanden sind, können hingegen als Range-Extender mit genutzt werden, um Synergieeffekte soweit wie möglich zu heben. Da die Oberleitung von einer reinen Fahrleitung zur Ladeinfrastruktur wird, lassen sich bestimmte Streckenabschnitte gänzlich ohne Oberleitung gestalten. Durch die zum Teil oberleitungsfreie Infrastruktur lassen sich zudem Kosten einsparen: Es müssen ca. 50 % weniger Leitungen aufgebaut werden, es werden keine teuren Kreuzungen, Weichen und Kurven benötigt und auch die Zahl der Unterwerke reduziert sich. 

Die Ertüchtigung des Leitungsnetzes hin zu einem „Smart Grid“, welches durch ein dynamisches Last- und Erzeugungsmanagement die intelligente Steuerung und Leitung der Energieflüsse im Gesamtsystem erlaubt, ermöglicht zudem die effektivere Integration von erneuerbarer Energie in das Gesamtsystem. Wird diese Ladeinfrastruktur mit regenerativ erzeugter Energie gespeist, kann der Betrieb der E-Busse komplett emissionsfrei durchgeführt werden. Kombiniert man diese Idee mit der geschickten Positionierung von zusätzlichen Speichern im Oberleitungsnetz, kann zudem die Effizienz des Gesamtsystems durch Nutzung der Rekuperationsenergie verbessert werden. Auf diese Weise können nahezu alle bestehenden Buslinien, insbesondere Buslinien in bergigen Gebieten oder Gebieten, die längere Tagesreichweiten erfordern, im kommunalen Nahverkehr in Deutschland (und darüber hinaus) ökologisch sinnvoll und effizient durch E-Busse befahren werden. Der ÖPNV könnte somit insgesamt auf einen Betrieb frei von Schadstoff- und Lärmemissionen umgestellt werden. 

Abbildung 2: Zonierung von Streckenabschnitten mit und ohne dynamischer Nachladung (Quelle: Vossloh Kiepe)

Durch den ganzheitlichen Ansatz des Projektes wird über das abgekapselte System O-Bus Infrastruktur hinaus auch die Verknüpfung mit der sonstigen städtischen Energieinfrastruktur untersucht. Da die Versorgung auf Grund der Eigenschaften erneuerbarer Energie allerdings sehr volatil ist, müssen Wege gefunden werden, wie die Energie bei einem hohen Angebot erneuerbarer Energie zwischengespeichert werden kann, um ein möglichst effizientes System zu erhalten. So soll u.a. untersucht werden, wie Erneuerbare Energien z.B. aus privaten Solaranlagen dann in das Netz eingespeist werden, wenn sie von den O-Bussen genutzt werden kann, während die Hausbewohner nicht zu Hause sind, um die Energie zu nutzen. Das System muss in Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der Netzinfrastruktur v.a. zur Aufnahme der Rekuperationsenergie sowie Verknüpfung mit der übrigen Energieinfrastruktur angepasst bzw. ggf. ausgebaut werden. Somit können auch ineffiziente und teure Lastspitzen vermieden und die Sicherheit des Gesamtsystems erhöht werden.

Viele Kommunen verfügen bereits über ähnliche Verkehrsinfrastrukturen (Straßenbahnen, U-Bahnen etc.). Hier ist eine Übertragung der Projektergebnisse auf diese Strukturen möglich. Das Solinger O-Bus Netz wird damit zum Labor, um verschiedene Szenarien zur Umsetzung eines emissonsfreien ÖPNV zu untersuchen. Ein emissionsfreier ÖPNV, welcher über entsprechende Infrastrukturen mit erneuerbarer Energie versorgt wird, ist ein wesentlicher Bestandteil eines Energiesystems, welches sich zu einem CO2-neutralen, durch Nachhaltigkeit und Effizienz geprägten Gesamtsystem entwickelt. Er leistet damit einen enormen Beitrag zur Lösung der großen Herausforderungen der Energiewende und adressiert die CO2-Minderungsziele von EU, Bund und Land NRW.

 

Ziele

Insbesondere die Entlastung der Städte durch Auswirkungen der gegenwärtigen Mobilitätsituation (Verkehr, Umweltschutz, Feinstaub, Klimabelastung durch Emissionen) soll deutlich verbessert werden.

Weiter steht die effiziente Nutzung der bestehenden öffentlichen Infrastruktur, v.a. ÖPNV, als ein weiteres zu erreichendes Teilziel auf der Agenda. Durch die Betrachtung des Gesamtsystems mit besonderen Fokus auf die Energieinfrastruktur ergibt sich ein enormes Gesamtpotential, welches sich mit Hilfe des Projektes heben lässt. So werden innerhalb des Projektes eine Vielzahl von Themen behandelt, welche in der Diskussion im Zuge der stattfindenden Energiewende stehen. Das ist nicht nur die Elektromobilität per se, sondern ebenso die nachhaltige Energieumwandlung, der Energietransport und die Energiespeicherung.

Eine solche Verbindung von ÖPNV und Smard-Grid kann helfen, Städte effizienter, technologisch fortschrittlicher, grüner und sozialer zu gestalten.

Die Ziele sind:

  • Schadstoff- und Lärmreduzierung und damit Steigerung der Lebensqualität in Städten.
  • Dynamisches Nachladen der Busse während der Fahrt.
  • Reduzierte Oberleitungslängen im Bus, S-Bahn oder Bahnbetrieb und damit Kostensenkungen.
  • Streckenabschnitte komplett Oberleitungsfrei befahren.
  • Verringerung der notwendigen Batteriekapazitäten (Leistungs- und Gewichtsoptimierung der eingesetzten E-Busse).
  • Verschneidung von O-Bus und Dieselbuslinien, Erhöhung der ÖV-Netzflexibilität.
  • Anbindung von Außenbezirken an elektrischen ÖPNV.
  • Ausbau des O-Bus Netzes als „smart grid“.
  • Nutzung des Oberleitungsnetzes für Speicherung und intelligente Verteilung von Energie.
  • Erhöhung der Verteilnetzstabilität durch die intelligente Einbindung des Oberleitungsnetzes in das Versorgungsnetz des kommunalen Netzbetreibers.
  • Verstärkte Nutzung der Potenziale aus erneuerbaren Energien unter besonderer Berücksichtigung von mobilen und stationären Speicherkapazitäten.
  • Reduzierung von Lastspitzen im Energienetz.
  • Ertüchtigung des Oberleitungsnetzes mit samt der angeschlossenen Verbraucher und Speicher zum virtuellen Kraftwerk, um damit am Regelenergiemarkt teilzuhaben.
  • Akzeptanzsteigerung durch offensive Vermarktung des CO2 freien ÖPNV.

 

Projektpartner

 Ansprechpartner bei der Neuen Effizienz ist Daniel Bogatz