Batteriebusse
Technische Einschätzung
Technische Eigenschaften, die die Einsatzmöglichkeiten von Batteriebussen unmittelbar beeinflussen, sind die Batteriekapazität sowie zulässige Lade- und Entladeleistungen.
Batteriebusse unterscheiden sich nach den für sie geeigneten Ladestrategien in drei Kategorien:
- Volllader (Betriebshof-, Depot- oder Übernachtladung),
- Gelegenheitslader (Gelegenheitsladung bzw. Opportunity Charging),
- Pulslader (Pulsladung bzw. Flash Charging oder Ultraschnellladung).
Faktoren, die die Ladestrategie beeinflussen
- Wie wird der Bus beheizt (rein elektrische Heizung oder Hybridheizung) und klimatisiert (Fahrerklimaanlage, Δ-Klimatisierung oder Vollklimatisierung)?
- Wie sind die Umlaufpläne zugeschnitten? Wie die Gesamtfahrweiten?
- Können sehr lange und kurze, die Verkehrsspitzenzeiten bedienende, Umlaufpläne neu kombiniert werden, sodass:
- diese jeweils kürzer als die erzielbaren Reichweiten sind und
- zwischen zwei Umlaufplänen ausreichend Zeit für das Wiederaufladen der Batterie gegeben ist?
- Welche Pausen werden durchgeführt? Blockpausen oder eine Pausenregelung nach §1 (3) Fahrpersonalverordnung?
- Besteht die Möglichkeit, Ladeinfrastruktur außerhalb von Betriebshöfen und Abstellanlagen zu errichten?
Kosten
Die Kosten für Batteriebusse unterliegen gegenwärtig noch enormen Preisspannen. Bei den angegebenen Kosten handelt es sich daher um erste Anhaltspunkte. Die größte Einzelposition stellen Kosten für die Batterien dar, die – nach dem derzeitigen Stand der Technik – während der Nutzungszeit der Busse mindestens einmal getauscht werden müssen. Die Kosten für die Ersatzbeschaffung sind also immer mit zu berücksichtigen.
Midibusse | Solobusse | Gelenkbusse | |
---|---|---|---|
Volllader | 400.000 – 480.000€ | 520.000 – 650.000€ | k. a. D. |
Gelegenheitslader | k. a. D. | 550.000 – 690.000€ | 650.000 – 850.000€ |
Batterien1) | 150.000 – 180.000€ | 180.000 – 220.000€ | 250.000 – 300.000€ |
1) – Ein Tausch während der Nutzungszeit eines Busses
k. a. D. – Keine ausreichenden Daten
Da ein großer Anteil der Wartungs- und Instandhaltungskosten nicht antriebsspezifisch ist, gehen wir nicht davon aus, dass diese in Summe signifikant unterhalb der Kosten für Dieselbusse liegen. Aber: Es liegen zu den Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie zur Verfügbarkeit von Batteriebussen derzeit noch keine ausreichenden Erkenntnisse vor.
Bis zum Vorliegen ausreichender Daten gehen wir deshalb von in etwa gleichen Kosten oder Kostenvorteilen für Batteriebusse von maximal 4 Cent pro Fz-km aus. Batteriebusse sind noch nicht in der Form verfügbar wie Dieselbusse, daher setzen wir bei Kostenrechnungen vorläufig Verfügbarkeiten von maximal 90 – 92 % an.
Bei Batteriebussen sind bauartbedingt mehr Komponenten auf dem Fahrzeugdach verbaut als z. B. bei Dieselbussen. Neben Batterien kann es sich dabei u. a. um Leistungselektronik oder einen Pantographen handeln. Daher ist die Anschaffung von Dacharbeitsständen inkl. Krananlage (ca. 1,0 t Traglast) notwendig. Je nach Ausführung entstehen dabei Kosten von etwa 75.000 – 220.000 € pro Dacharbeitsstand.
Zusätzlich sind Spezialwerkzeuge für Arbeiten an Hochvoltanlagen sowie persönliche Schutzausrüstungen wichtig. Die Kosten hierfür variieren je nach Flottengröße und Anzahl der Mitarbeiter. Gemessen an den Aufwendungen für Batteriebusse und die Ladeinfrastruktur sind die Kosten hierfür jedoch fast vernachlässigbar.
Notwendige Schulungen unterteilen sich in verschiedene Stufen:
- A – Fahren (Fahrpersonal, Personal der Leitstelle, mobile Dispatcher)
- B1 – Reinigung und sonstige, nicht in die Struktur der Fahrzeuge eingreifende Arbeiten (z. B. Beklebung)
- B2 – Bergung und Abschleppen von Batteriebussen
- C1 – Werkstattpersonal – nichtelektrotechnische Arbeiten
- C2 – Werkstattpersonal – elektrotechnische Arbeiten im spannungsfreien Zustand
- C3 – Werkstattpersonal – Arbeiten unter Spannung
- C4 – Übernahme der Unternehmerverantwortung
Informationen zu Infrastrukturkosten finden Sie hier.
Arten von Batteriebussen
Die Batterien von Vollladern werden ausschließlich während der Aufenthaltszeiten der Fahrzeuge auf Betriebshöfen oder auf Abstellanlagen aufgeladen. Nimmt man bestehende Betriebs-, Wartungs- und Instandhaltungsabläufe für Diesel- und Erdgasbusse zum Maßstab, wäre der Großteil der Fahrzeuge ausschließlich über Nacht bzw. an Wochenenden oder Feiertagen nachzuladen. Daneben besteht die Möglichkeit, auch tagsüber Fahrzeuge nachzuladen – wenn hierfür entsprechend Zeiten bestehen oder eingeplant werden.
Volllader bieten im Vergleich zu Gelegenheits- und Pulsladern die größtmögliche Flexibilität. Sie können sowohl im Stadt- als auch im Regionalverkehr eingesetzt werden, da nicht regelmäßig Ladestationen angefahren werden müssen. Umleitungen oder Straßensperrungen, die die Erreichbarkeit von Endhaltestellen mit Ladestationen verhindern würden oder deren Ausfall spielen daher keine Rolle. Ebenso wird der Einsatz von Vollladern weniger durch Verspätungen beeinflusst.
Hinzu kommt, dass eine Ladeinfrastruktur ausschließlich auf Betriebshöfen oder Abstellanlagen errichtet werden muss. Das stellt, sofern ausreichende Reserven im vorgelagerten Mittelspannungsnetz gegeben sind, einen deutlich geringeren Aufwand im Vergleich zu Gelegenheits- oder Pulsladern dar.
Den unbestrittenen Vorteilen stehen, zumindest kurz- bis mittelfristig, die noch limitierten Reichweiten von Batteriebussen gegenüber. Die erste (obere) Abbildung zeigt die Aufteilung von etwa 4500 analysierten Solobus-Umlaufplänen auf einzelne Fahrleistungsklassen sowie deren prozentualer Anteil an der Gesamtheit aller Umlaufpläne. Die in die Analyse einbezogenen Umlaufpläne stammen aus Städten unterschiedlicher Größe.
Es wird ersichtlich, dass kurze Umlaufpläne mit bis zu 100 km Länge überwiegen. Dabei handelt es sich fast ausschließlich um Verstärker- oder Schulbusfahrten, auf denen der Einsatz von Batteriebussen vor dem Hintergrund der notwendigen Investitionskosten aus ökonomischer Sicht nicht oder nur bei Kombination von zwei oder mehr Umlaufplänen an einem Tag zu empfehlen ist.
Bei Betrachtung der Anteile der Fahrleistungsklassen an allen Fahrleistungen (untere Abbildung) wird deutlich, dass über 50 % aller Fahrzeug-Kilometer in Umlaufplänen mit einer Länge von mehr als 200 km erbracht werden. Ähnliche Aussagen gelten auch für Gelenkbusse.
Die Reichweiten von Batteriebussen hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie bspw. Topografie, Temperatur, Fahrweise des Fahrers etc. Kurz- bis mittelfristig können nicht alle Umlaufpläne, die auf einen minimalen Fahrzeug- und Personaleinsatz hin optimiert wurden, mit Vollladern bedient werden. Auch die Klimatisierung (Heizen und Kühlen) des Innenraums nimmt hierauf einen erheblichen Einfluss.
Der Einsatz von Vollladern wird daher bis zur Verfügbarkeit von Fahrzeugen mit ausreichenden Reichweiten zu einem Mehrbedarf an Fahrzeugen und insb. zu zusätzlichen Fahrpersonalstunden führen. Die notwendigen Mehraufwände für Fahrzeuge liegen zwischen etwa 5 und 25 %. Sie unterscheiden sich von Verkehrsbetrieb zu Verkehrsbetrieb und müssen anhand der lokalen Gegebenheiten individuell ermittelt werden.
Zudem müssen Volllader im Vergleich mit Gelegenheits- oder Pulsladern deutlich mehr Energie nachladen. Das führt wiederum zu einer leistungsstärkeren und damit teureren Ladeinfrastruktur sowie zu höheren Anschlussleistungen mit den damit verbundenen Mehrkosten.
Vor einer Entscheidung über die Einführung von Vollladern sollten daher mindestens folgende Fragen beantwortet werden:
- Wie sollen die Fahrzeuge beheizt werden (rein elektrisch, Kombination aus elektrischer und Brennstoffheizung, ausschließliche Brennstoffheizung)?
- Wie sollen die Fahrzeuge klimatisiert werden (nur Fahrer-Klimaanlage, Dt-Klimatisierung, Vollklimatisierung)?
- Entsprechen die Längen der Umlaufpläne den dauerhaft erzielbaren Reichweiten von kurz- bis mittelfristig verfügbaren Fahrzeugen?
- Zu welchem Mehraufwand an Fahrzeugen und Fahrpersonalstunden führt die Anpassung der Umlaufpläne an die erzielbaren Reichweiten?
Stehen planmäßige Aufenthaltszeiten an End- oder Unterwegshaltestellen mit längeren Haltezeiten an, können bei der Gelegenheitsladung (auch „Opportunity Charging“) die Batterien mithilfe hoher Ladeleistungen an Ladestationen nachgeladen werden. So ist über einen Umlaufplan hinweg jederzeit ausreichend Elektroenergie im Fahrzeug verfügbar.
Ergänzend dazu können Gelegenheitslader auch auf Betriebshöfen nachgeladen, wenn der Umlaufplan diese Aufenthaltszeiten vorsieht. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, Gelegenheitslader nur an Ladestationen außerhalb von Betriebshöfen nachzuladen, jedoch ist dies mit zusätzlichen Einsatzzeiten für das Nachladen am Beginn und/oder am Ende von Umlaufplänen verbunden.
In vielen Fällen ist es dadurch möglich, Linien oder Linienbündel zu bedienen, ohne bestehende Betriebsabläufe ändern zu müssen. Voraussetzung hierfür sind regelmäßig wiederkehrende Aufenthaltszeiten an Ladestationen – das muss im Umlaufplan berücksichtigt sein. Dies muss von Fall zu Fall durch eine Energiebilanzrechnung überprüft werden. Hierfür ist es notwendig, das Verhältnis von Aufenthaltszeiten an Ladestationen zu Fahrzeiten zu ermitteln.
Gelegenheitslader sind einsetzbar, wenn folgende Bedingungen erfüllt werden:
- tWLS≥tf6 … für Fahrzeuge mit Brennstoffheizung oder sogenannte Hybridheizung,
- tWLS≥tf4,5 … für Fahrzeuge mit rein elektrischer Heizung auch unter ca. 0 – 5°C,
- tWLS … Aufenthaltszeiten bzw. Wendezeiten an Haltestellen mit Ladestationen [min],
- tf … Fahrzeiten zwischen Aufenthalten an Haltestellen mit Ladestationen [min].
Stehen weniger Aufenthaltszeiten zum Nachladen zur Verfügung, sind bei längeren Umlaufplänen meist zusätzliche Fahrzeuge im Umlauf notwendig.
Dies sind nun die rein betriebstechnologischen Bedingungen gewesen. Es müssen aber noch weitere Voraussetzungen für den Einsatz von Gelegenheitsladern gegeben sein:
Sicherheit gegen Verspätungen
Es sind nur Linien bzw. Linienbündel geeignet, die nicht regelmäßig von größeren Verspätungen betroffen sind. Als Faustregel kann gelten, dass die o. g. Bedingungen nur dann gelten, wenn die Verspätungen über einen Umlaufplan hinweg im Durchschnitt drei Minuten nicht übersteigen.
Gleiche Haltestellen
Das Prinzip der Gelegenheitsladung setzt voraus, dass (End)Haltestellen mit Ladestationen an allen Verkehrstagen und auch weitgehend zu allen Verkehrszeiten angefahren werden.
Redundanz
Es muss sichergestellt sein, dass für jede Linie mindestens zwei Ladestationen, idealerweise an unterschiedlichen Haltestellen zur Verfügung stehen, um beim Ausfall einer Ladestation den Betrieb weitgehend aufrechterhalten zu können. Dadurch wird auch sichergestellt, dass ein Betrieb auch dann noch möglich ist, wenn eine Ladestation aufgrund von Bauarbeiten o. ä. nicht erreicht werden kann.
Aufwand für die Ladeinfrastruktur
Aufgrund der vergleichsweise hohen Ladeinfrastrukturkosten ist der Einsatz von Gelegenheitsladern nur dann ökonomisch vertretbar, wenn die Anzahl von Batteriebussen pro Ladestation eine individuell festzulegende Untergrenze nicht unterschreitet. Gleichzeitig ist die Anzahl der Batteriebusse pro Ladestation nach oben hin begrenzt. Umfangreiche Untersuchungen des Fraunhofer IVI in mehreren Städten und Verkehrsverbünden haben gezeigt, dass pro Ladestation i. d. R. nicht mehr als 4,0 – 4,5 Batteriebusse betrieben werden können. In Ausnahmefällen werden auch Werte von 5,0 – 5,5 Batteriebussen erreicht. Beim Betrieb einer darüberhinausgehenden Anzahl von Batteriebusse pro Ladestation, wären
- gegenseitige Behinderungen mit Ladezeitverlusten an den Ladestationen und
- im Falle von Ladestationsausfällen ein instabiler Betrieb die Folge.
Möglichkeiten zur Errichtung der Ladeinfrastruktur
In der überwiegenden Anzahl der Fälle ist es baulich weitgehend problemlos möglich, Ladestationen inkl. Lademasten und ggf. vorgelagerte Mittelspannungstransformatoren an (End)Haltestellen zu installieren, jedoch existieren speziell in Innenstädten auch Beispiele, wo dies nicht ohne weiteres möglich ist. Hinzu kommt, dass in der Nähe der Haltestellen nicht immer ausreichend leistungsfähige Nieder- bzw. Mittelspannungsanschlüsse vorhanden sind. Vor der Entscheidung zum Einsatz von Gelegenheitsladern sollten daher die baulichen und Netzanschlussbedingungen der jeweiligen (End)Haltestellen geprüft werden.
Linienwechsel
Der Wechsel von Bussen zwischen Linien über einen Einsatztag hinweg ist grundsätzlich kein Hindernis für Gelegenheitsladung, sofern die o. g. Ladezeiten ermöglicht werden. Je nach Anzahl der Fahrzeuge und angefahrenen Endhaltestellen in einem sog. Linienbündel steigt jedoch der Aufwand für die Ladeinfrastruktur. In der Folge ist oft zu beobachten, dass ein wirtschaftlicher Betrieb von Gelegenheitsladern nicht gegeben ist.
Den Aufwänden bei der Errichtung von Ladeinfrastruktur außerhalb von Betriebshöfen steht bei Gelegenheitsladern die geringere Energiemenge, die in den Betriebspausen auf Betriebshöfen oder Abstellanlagen nachgeladen werden muss, gegenüber. Dadurch können Ladegeräte mit einer geringeren Ladeleistung zum Einsatz kommen sowie die Anschlussleistung reduziert werden.
Eine Mischform zwischen Voll- und Gelegenheitsladern stellt die Nachladung im Betriebshof mit hohen Ladeleistungen von 250 kW und mehr dar. Dabei werden die Batteriebusse im Laufe des Tages für etwa 30 – 60 min auf den Betriebshof zurückgeholt, um Sie dort mit hoher Ladeleistung an Ladestationen nachzuladen. Im Vergleich zu Gelegenheitsladern ist hierfür ein geringerer Aufwand bei der Errichtung der Ladestationen notwendig, jedoch sind zusätzliche Fahrzeuge und ein Mehraufwand an Fahrpersonalstunden notwendig. Dieser ist jedoch gegenüber reinen Vollladern, die mit niedrigeren Ladeleistungen (i. d. R. mit Ladegeräten und Steckern) geladen werden, geringer.
Diese Form der Nachladung ist insb. dann geeignet, wenn
- der Betriebshof in der Nähe von Linien bzw. geeigneten Ein- und Aussetzpunkten liegt und
- lange Umlaufpläne durch viele kurze Umlaufpläne in den Verkehrsspitzenzeiten (Kurzläufer) ergänzt werden, mithin im Tagesverlauf Reservefahrzeuge verfügbar sind.
Im Gegensatz zur Gelegenheitsladung werden die fahrzeugseitigen Energiespeicher (Batterien bzw. Superkondensatoren) bei der Pulsladung auch an Unterwegshaltestellen mit normalen Haltestellenaufenthaltszeiten nachgeladen. Da hierbei in kurzer Zeit Energie übertragen werden muss, sind hohe Ladeleistung von 450 kW und mehr notwendig.
Das Prinzip der Pulsladung ist aus ökonomischer Sicht nur auf Linien mit sehr vielen Fahrzeugen im Umlauf einsetzbar: Es ist ein sehr hoher Ladeinfrastrukturaufwand sowohl bzgl. der Anzahl der Ladestationen als auch der notwendigen leistungsfähigen Elektroanschlüsse notwendig. Ein weiteres Hemmnis ist die Notwendigkeit, Ladestationen auch an Unterwegshaltestellen in Innenstadtbereichen installieren zu müssen.
Aus technologischer Sicht kommt noch hinzu, Haltestellen mit Ladestationen immer anfahren zu müssen, was in Nebenverkehrszeiten ggf. zusätzliche Halte nach sich zieht.
Vor diesem Hintergrund und aufgrund immer leistungsfähigerer Batterien werden Linien mit Pulsladung eher die Ausnahme bleiben.
Brennstoffzellenbusse
Technische Einschätzung
Genauso wie batterieelektrische Busse verfügen wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenbusse über einen Elektromotor, der das Fahrzeug antreibt. Die dafür notwendige Elektroenergie wird in einer Brennstoffzelle (BSZ) an Bord des Fahrzeugs erzeugt. Dies geschieht durch eine chemische Reaktion, bei der Wasserstoff (aus den Speichertanks im Fahrzeug) und Sauerstoff (aus der Umgebungsluft) zu Wasser umgewandelt werden. Die dabei entstehende Elektroenergie wird entweder in einer Batterie zwischengespeichert oder direkt an die Elektromotoren und etwaige Nebenverbraucher (z. B. Wärmepumpen zur Klimatisierung des Fahrzeugs) weitergegeben.
Die beiden hier betrachteten Antriebsformen unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, welcher fahrzeugseitige Energiespeicher die Hauptenergiequelle darstellt:
- Fahrzeuge, bei denen der Hauptenergieanteil aus der BSZ (und damit aus dem Wasserstoff) kommt, sind auch unter der Bezeichnung „BSZ-Hybrid“ bekannt. Die an Bord befindliche Batterie dient in erster Linie zur Zwischenspeicherung der erzeugten Energie aus der BSZ bzw. zur Bereitstellung hoher elektrischer Leistungen oder zur Aufnahme von Rekuperationsenergie beim Bremsen.
- BSZ-REX-Fahrzeuge sind Fahrzeuge, die über eine relativ große Batterie verfügen, die über eine externe Schnittstelle aufgeladen werden kann (z. B. über einen Ladestecker). Zur Erhöhung der Reichweite sind außerdem ein Wasserstofftank und eine BSZ auf dem Fahrzeug verbaut. Die BSZ fungiert dabei als Range-Extender (daher die Bezeichnung „REX“) – zu deutsch „Reichweitenverlängerer“, während der Hauptenergieanteil aus der Hochvoltbatterie kommt.
Kosten
Die Datengrundlage für die Kosten von Brennstoffzellenbussen ist noch sehr gering, weshalb wir die nachfolgend angegebenen Kosten als Anhaltswerte betrachten. Die größte Einzelposition stellen Kosten für die Batterien und für das Brennstoffzellensystem dar. Da beide Komponenten beim gegenwärtigen Stand der Technik während der Nutzungszeit der Busse mindestens einmal getauscht werden müssen, sollten immer auch die Kosten für die Ersatzbeschaffung mit berücksichtigt werden. Die Preise beziehen sich auf beide Antriebsformen.
Solobusse | Gelenkbusse1) | |
---|---|---|
BSZ-Hybrid/BSZ-REX | 580.000 – 650.000€ | 800.000 – 850.000€ |
Batterie2) für BSZ-Hybrid | 50.000 – 60.000€ | k. a. D. |
Brennstoffzelle2) | 100.000 – 140.000€ | k. a. D. |
1) Nur geringe Datengrundlage
2) Ein Tausch während der Nutzungszeit des Busses, ggf. über Servicevertrag
k. a. D. – keine ausreichende Datengrundlage
Ein großer Anteil der Wartungs- und Instandhaltungskosten ist nicht antriebsspezifisch. Es ist daher nicht davon auszugehen, dass dieser Anteil unterhalb der Kosten für Dieselbusse liegt. Es liegen aber zu den Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie zur Verfügbarkeit von Brennstoffzellenbussen derzeit noch keine ausreichenden Erkenntnisse vor. Bis das der Fall ist sollte daher von in etwa gleichen Kosten oder Kostenvorteilen für Dieselbusse von etwa 5 – 10 Cent pro Fz-km ausgegangen werden. Gegenwärtig sind Brennstoffzellenbusse noch nicht so verfügbar wie Dieselbusse, weshalb bei Kostenrechnungen vorläufig Verfügbarkeiten von maximal 90 % angesetzt werden sollten.
Von Brennstoffzellenbussen geht bei richtigem Umgang keine größere Gefahr aus als von Dieselbussen. Mögliche Gefahrenquellen sind:
- austretender Wasserstoff mit Bildung eines ausreichend großen und explosionsfähigen Luft-Wasserstoff-Gemischs,
- Bersten eines unter Druck stehenden Wasserstofftanks (äußerst selten),
- Überhitzung oder sonstige Beschädigungen der Batterie sowie
- spannungsführende Teile der Hochvolt-Anlage.
Als betriebsmäßig dicht gelten abgestellte Brennstoffzellenbusse ohne Schädigung an gasführenden Bauteilen sowie Fahrzeuge, an denen Arbeiten an nicht gasführenden Bauteilen vorgenommen werden. Trotzdem ist gemäß den Anforderungen der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) für Werkstätten und Abstellhallen eine Gefährdungsbeurteilung erforderlich. Dazu gehört auch eine Beurteilung der explosionsgefährdeten Bereiche. Ein Verkehrsunternehmen hat bei der Erstellung von Explosionsschutzdokumenten zwar weiten Spielraum. Aber sowohl Abstellhallen als auch Werkstätten sollten folgende Ausstattungsmerkmale aufweisen:
- sichere Entlüftung an den höchsten Stellen einer Werkstatt bzw. einer Abstellhalle zur Vermeidung von explosionsfähigen Luft-Wasserstoff-Gemischen,
- Installation von Wasserstoffsensoren mit Warnanlage und Zwangslüftung, zumindest im Werkstattbereich und
- Vermeidung von Zündquellen in Bereichen, in denen baubedingt die Bildung von explosionsfähigen Luft-Wasserstoff-Gemischen nicht ausgeschlossen werden kann.
Besondere Anforderungen gelten für Arbeiten an Fahrzeugen – auch an gasführenden Bauteilen sowie nach Unfällen, und insbesondere dann, wenn das Schadensbild an gasführenden Bauteilen nicht genau bekannt ist. Dann gilt die BGI 5108 „Wasserstoffsicherheit in Werkstätten“ der BG Bahnen.
Wie bei Batteriebussen befinden sich bei Brennstoffzellenbussen eine Reihe von Komponenten auf dem Fahrzeugdach. Dacharbeitsstände und Krananlagen müssen daher – sofern nicht bereits vorhanden – installiert werden. Mehr Informationen hierzu finden sich hier. Neben der Installation von Wasserstoffwarnanlagen empfehlen wir die Anschaffung mobiler Sensoren.
Ergänzend zu den Schulungsmaßnahmen für Batteriebusse ist eine Sensibilisierung bzgl. Wasserstoff notwendig. Außerdem sollte das Werkstattpersonal im Umgang mit Gasanlagen geschult werden.
Arten von Brennstoffzellenbussen
Der reine Brennstoffzellenbus besitzt eine relativ kleine Batterie (üblicherweise < 40 kWh), deren Aufgabe es ist, in der BSZ erzeugte Energie zwischenzuspeichern und bei Bedarf zusätzliche Leistung für den Antriebsstrang bereitzustellen. Weiterhin nimmt sie auch die beim Bremsen durch Rekuperation gewonnene Energie auf. Die Hauptenergiequelle stellt jedoch der Wasserstoff dar – genauer: eine leistungsfähige BSZ. Für einen 12 m-BSZ-Hybrid-Bus liegt die BSZ-Leistung typischerweise zwischen 60 und 85 kW. Aufgrund ihres höheren Energiebedarfs benötigen BSZ-Gelenkbussen üblicherweise etwas größere Batterie- und Tankgrößen.
Brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge haben sehr hohe Reichweiten, daher bietet sich ihr Einsatz sowohl im Stadt- als auch im Regionalverkehr an. Im Gegensatz zu batterieelektrischen Fahrzeugen und Fahrzeugen mit einer BSZ als Range-Extender muss für Fahrzeuge mit einer BSZ als Hauptenergiequelle lediglich eine Wasserstofftankstelle vorgesehen werden. Üblicherweise wird diese auf dem Betriebshof des Busunternehmens aufgebaut. Dort tankt das Fahrzeug meist einmal täglich Wasserstoff.
Als mittlerer Wasserstoffverbrauch von Brennstoffzellenbussen ohne Range-Extender-Funktion nehmen wir folgende Richtwerte an:
- Solobusse: 7,5 – 9 kg/100 km
- Gelenkbusse: 11 – 12 kg/100 km
Die Kosten für die Bereitstellung von Wasserstoff hängen von verschiedenen Faktoren ab. Hierzu gehören:
- notwendige Wasserstoffqualität
- Elektroenergiekosten bei der Eigenherstellung
- Verfügbarkeit von industriell hergestelltem Wasserstoff (ggf. als Abprodukt).
Die Kosten variieren daher stark, jedoch können für Wirtschaftlichkeitsberechnungen überschläglich 7,50 €/kg Wasserstoff angesetzt werden (Variation je nach örtlichen Gegebenheiten von 5,50 – 9,00 €/kg).
Wird die BSZ als Range-Extender verwendet, verfügen Brennstoffzellenbusse über eine deutlich größere Batterie als ein reiner Brennstoffzellenbus (> 200 kWh, ähnlich der von klassischen Batteriebussen). Dabei nutzt das Fahrzeug primär die in der Batterie gespeicherte Energie zum Antrieb. Die BSZ sorgt für eine kontinuierliche Nachladung der Batterie während des Betriebs und verlängert so die Reichweite des Fahrzeugs. Durch diesen kontinuierlichen, statischen Betrieb der Brennstoffzelle kann sie im Vergleich zu reinen BSZ-Bussen deutlich kleiner dimensioniert werden. Für die BSZ eines Solobusses sind Leistungswerte von ca. 30 kW typisch. So sind analog zu Fahrzeugen, bei denen die BSZ als Hauptenergiequelle dient, mit diesem Konzept Reichweiten von 300 – 400 km möglich.
Aufgefüllt werden beide Energiespeicher in der Regel aktiv durch Laden an einer Ladestation (z. B. konduktive Ladung der Hochvoltbatterie über ein Ladekabel) und durch das Tanken von Wasserstoff. Im Gegensatz zum reinen Brennstoffzellenbus ist neben der Wasserstofftankstelle somit auch eine Ladeinfrastruktur zur Versorgung der Busse notwendig – üblicherweise einmal täglich auf dem Betriebshof. Durch den zusätzlichen Ladevorgang entsteht ein etwas höherer Aufwand in punkto Betriebsablauf im Vergleich zu reinen Brennstoffzellenbussen. Durch die primäre Nutzung der Batterie ist das Fahrzeug im Betrieb aber viel effizienter.
Beide Antriebsformen erreichen aufgrund der hohen massenbezogenen Energiedichte von Wasserstoff (H2 wird bei 350 bar in Drucktanks im Fahrzeug gespeichert) typischerweise Reichweiten von 300 – 400 km. Hinsichtlich Ihrer Einsatzmöglichkeiten unterscheiden sich die beiden Antriebsformen grundsätzlich nur unwesentlich voneinander. Zudem sind sie im Vergleich zu rein batterieelektrischen Fahrzeugen wesentlich flexibler einsetzbar. Der Betankungsvorgang der Brennstoffzellenfahrzeuge erfolgt über einen Tankstutzen und ist hinsichtlich Tankdauer (etwa 10 min) und Tankablauf mit dem Betankungsvorgang eines Gasfahrzeuges vergleichbar. Der Betriebsablauf, d. h. die Bedienung der Umlaufpläne sowie die Fahrzeugversorgung, unterscheiden sich daher nur unwesentlich von Bussen mit konventionellen Antriebsformen.
Die wesentlichen Einflussfaktoren hinsichtlich des Energieverbrauchs sind vergleichbar mit den Einflussfaktoren batterieelektrischer Fahrzeuge. Das Beheizungskonzept hat jedoch einen geringeren Einfluss auf die Einsatzmöglichkeiten und die Reichweite der Fahrzeuge, da die bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie in der Brennstoffzelle entstehende Abwärme zur Beheizung des Fahrzeugs mitverwendet werden kann.
Oberleitungsbusse
Technische Einschätzung
Genauso wie batterieelektrische Busse verfügen wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenbusse über einen Elektromotor, der das Fahrzeug antreibt. Die dafür notwendige Elektroenergie wird in einer Brennstoffzelle (BSZ) an Bord des Fahrzeugs erzeugt. Dies geschieht durch eine chemische Reaktion, bei der Wasserstoff (aus den Speichertanks im Fahrzeug) und Sauerstoff (aus der Umgebungsluft) zu Wasser umgewandelt werden. Die dabei entstehende Elektroenergie wird entweder in einer Batterie zwischengespeichert oder direkt an die Elektromotoren und etwaige Nebenverbraucher (z. B. Wärmepumpen zur Klimatisierung des Fahrzeugs) weitergegeben.
Die beiden hier betrachteten Antriebsformen unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, welcher fahrzeugseitige Energiespeicher die Hauptenergiequelle darstellt:
- Fahrzeuge, bei denen der Hauptenergieanteil aus der BSZ (und damit aus dem Wasserstoff) kommt, sind auch unter der Bezeichnung „BSZ-Hybrid“ bekannt. Die an Bord befindliche Batterie dient in erster Linie zur Zwischenspeicherung der erzeugten Energie aus der BSZ bzw. zur Bereitstellung hoher elektrischer Leistungen oder zur Aufnahme von Rekuperationsenergie beim Bremsen.
- BSZ-REX-Fahrzeuge sind Fahrzeuge, die über eine relativ große Batterie verfügen, die über eine externe Schnittstelle aufgeladen werden kann (z. B. über einen Ladestecker). Zur Erhöhung der Reichweite sind außerdem ein Wasserstofftank und eine BSZ auf dem Fahrzeug verbaut. Die BSZ fungiert dabei als Range-Extender (daher die Bezeichnung „REX“) – zu deutsch „Reichweitenverlängerer“, während der Hauptenergieanteil aus der Hochvoltbatterie kommt.
Kosten
Die Kosten für Hybrid-Oberleitungsbusse unterliegen hohen Preisspannen, weshalb wir die nachfolgend angegebenen Kosten als Anhaltswerte betrachten. Wie bei Batteriebussen gehen wir auch bei Hybrid-Oberleitungsbussen davon aus, dass die Batterien während der Nutzungszeit der Busse mindestens einmal getauscht werden müssen. Hierfür sind Kosten in Höhe von etwa 80.000 – 110.000 € anzusetzen.
Solobusse | Gelenkbusse | |
---|---|---|
Konventionelle Oberleitungsbusse | 540.000 – 610.000€ | 580.000 – 750.000€ |
Hybrid-Oberleitungsbusse | 580.000 – 670.000€ | 720.000 – 950.000€ |
Batterien1) | 70.000 – 90.000€ | 90.000 – 110.000€ |
1) Ein Tausch während der Nutzungszeit des Busses
Die Wartungs- und Instandhaltungskosten von Oberleitungsbussen liegen etwa 4 Cent pro Fz-km unterhalb der Kosten von Dieselbussen. Die Verfügbarkeit ist in etwa gleich. Hinweise zu den Unterhaltskosten für die Oberleitungsinfrastruktur finden Sie hier.
Auch bei Oberleitungsbussen sind bauartbedingt mehr Komponenten auf dem Fahrzeugdach verbaut als z. B. bei Dieselbussen. Neben den Stromabnehmern kann es sich dabei u. a. um Leistungselektronik handeln. Daher ist die Anschaffung von Dacharbeitsständen inkl. Krananlage (ca. 1,0 t Traglast) notwendig, falls nicht schon vorhanden. Je nach Ausführung entstehen dabei Kosten von etwa 75.000 – 220.000 € pro Dacharbeitsstand. Zusätzlich benötigt werden Spezialwerkzeuge für Arbeiten an Hochvoltanlagen sowie persönliche Schutzausrüstungen. Die Kosten sind abhängig von der Flottengröße und Anzahl der Mitarbeiter. Gemessen an den Aufwendungen für Oberleitungsbusse und die Oberleitungsinfrastruktur sind die Kosten hierfür jedoch fast zu vernachlässigen.
Hinsichtlich der Schulungskosten verweisen wir an dieser Stelle auf die Schulungskosten bei Batteriebussen. Hinzu kommen noch Schulungen, um Personal für die Oberleitungsinfrastruktur zu qualifizieren.
Informationen zu Kosten von Oberleitungssystemen finden Sie hier.
Arten von Oberleitungsbussen
Konventionelle Oberleitungsbusse benötigen entlang ihrer gesamten Linien Oberleitungen und haben ein Hilfsaggregat oder eine kleine Batterie. Deswegen ist das Fahren ohne Oberleitungen nur über kurze Distanzen und mit verringerter Leistung möglich. Obwohl es sich bei Oberleitungsbussen um eine lokal emissionsfreie sowie robuste und seit vielen Jahrzehnten erprobte Fahrzeugtechnologie handelt, ist die Anzahl der Verkehrsbetriebe mit Oberleitungsbussen in Mitteleuropa und speziell in Deutschland eher gering. Wesentliche Gründe hierfür sind:
- die hohen anfänglichen Investitionskosten in die Oberleitungsinfrastruktur und fehlende Fördermöglichkeiten,
- Hemmnisse bei deren städtebaulicher Integration sowie
- im Vergleich zu Dieselbussen deutlich höhere Fahrzeuginvestitionskosten, nicht zuletzt bedingt durch geringe Stückzahlen.
Gründe für Oberleitungsbusse sind hingegen:
- lange Nutzungszeiten der Oberleitungsinfrastruktur,
- geringere Betriebskosten durch die Nutzung von Elektroenergie sowie
- im Vergleich zu Dieselbussen längere Nutzungszeiten der Fahrzeuge von bis zu 20 Jahren.
Insbesondere auf Linien mit vielen Fahrzeugen sind Oberleitungsbusse eine echte Alternative zu anderen Antriebsformen. Denn wenn die Infrastruktur durch viele Fahrzeuge genutzt wird, werden deren Kosten auf mehr Fahrzeug-Kilometer verteilt.
Hybrid-Oberleitungsbusse verfügen über eine ausreichend große und leistungsfähige Batterie, um längere Distanzen abseits von Oberleitungen ohne Abstriche an der Geschwindigkeit zurücklegen zu können. Wie groß die Entfernungen ohne Oberleitung sein können hängt ab von
- der Fahrzeugkonfiguration, speziell der Größe der Batterie,
- der Fahrzeugauslastung, der Reisegeschwindigkeiten und dem Höhenprofil auf Abschnitten ohne Oberleitung sowie
- der Frage, ob die Abschnitte ohne Oberleitung längere Aufenthalte an Endhaltestellen beinhalten, an denen die Fahrzeuge geheizt bzw. klimatisiert werden müssen.
Hybrid-Oberleitungsbusse sind daher vor allem für die Verlängerung bestehender Oberleitungsbus-Linien geeignet sowie dazu, Oberleitungen in städtebaulich sensiblen Bereichen zu vermeiden. Der Anteil einer Linie, der mit Oberleitungsabschnitten versehen werden muss, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab und muss von Fall zu Fall individuell ermittelt werden. Maßgebend dabei ist die Zeit, die Fahrzeuge unter Oberleitungen fahren, oder stehen im Verhältnis zur Gesamtzeit inklusive Wendezeiten an den Endhaltestellen – nicht die Streckenlänge unter Oberleitungen. Als Faustregel kann gelten, dass mindestens etwa 40 bis 50 % einer Linie mit Oberleitungen versehen werden müssen. Wenn möglich sollten Endhaltestellen mit längeren Wendezeiten sowie Steigungsstrecken in das Oberleitungsnetz eingebunden werden.
Zwar ist es rein energetisch möglich, Hybrid-Oberleitungsbusse auch auf Linien mit einem geringeren Anteil an Oberleitungen zu betreiben, jedoch sinkt damit die Betriebssicherheit bei Unfällen oder Baustellen. Dadurch könnten einzelne Oberleitungsabschnitte nicht befahren werden.
Je nach den örtlichen Gegebenheiten fallen die Kosten für die Oberleitungsinfrastruktur für Hybrid-Oberleitungsbusse geringer aus als für konventionelle Oberleitungsbusse, da teure Infrastrukturelemente wie Kreuzungen, Weichen oder Oberleitungen in Kurven oder auf großen Plätzen zumindest teilweise entfallen können.
Hybrid-Oberleitungsbusse setzen ein sicheres Ein- und Ausdrahten der Stromabnehmer voraus. Im Gegensatz zu Schienenfahrzeugen ist dies aufgrund der hohen dynamischen Kräfte an den Stromabnehmerenden nicht ohne weiteres möglich. Während ein Ausdrahten in der Bewegung möglich ist, sind uns keine kommerziell verfügbaren Systeme bekannt, die ein sicheres Eindrahten während der Fahrt ermöglichen. Oberleitungsabschnitte sollten daher möglichst immer an Haltestellen beginnen. Für das Eindrahten im Stand existieren drei Methoden:
- händisches Eindrahten über Fangseile (ggf. unterstützt durch kleine Eindrahttrichter),
- halbautomatisches Eindrahten mittels Eindrahttrichter (s. Foto oben),
- automatische Eindrahtsysteme.