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Studie: Einsatzmöglichkeiten von E-Bussen im Linienbetrieb Energetische Bewertung von E-Bussen und ableitbare Handelsempfehlungen Dominik Fasthuber TU-Wien 4. Fachtagung „e-mobil in niederösterreich“ 08.03.2018, St. Pölten

Studie: Einsatzmöglichkeiten von E-Bussen im Linienbetrieb · DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018. 2. Agenda TU Wien - Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe AG Elektrische

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Studie:Einsatzmöglichkeiten von E-Bussen im Linienbetrieb

Energetische Bewertung von E-Bussen und ableitbare Handelsempfehlungen

Dominik Fasthuber TU-Wien

4. Fachtagung „e-mobil in niederösterreich“08.03.2018, St. Pölten

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 2

Agenda

TU Wien - Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe

AG Elektrische Anlagen

Studie: Einsatzmöglichkeiten von E-Bussen im Linienbetrieb

Methodik der energetischen Bewertung von (Elektro-) Fahrzeugen

Ergebnisse und Erkenntnisse aus den Untersuchungen

Ladeinfrastruktur für E-Busse mit erhöhtem Leistungsbedarf

Zusammenfassung und Ausblick

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Forschungsaktivitäten „Elektromobilität“

Derzeitige Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Elektrische Anlagen (Institut ESEA, TU Wien) zum Thema „Elektromobilität“:

Konzeptionierung Ladesteuerungen

Auswirkungen auf das elektrische

Netz

Modellierung von Ladeprofilen

Planung zukünftiger

Ladeinfrastruktur

Integration Erneuerbarer

Energien

Flotten und MIV in der E-Mobilität

http://www.ea.tuwien.ac.at/

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E-Busse im Linienbetrieb

Studie: Einsatzmöglichkeiten von E-Bussen im Linienbetrieb• Im Auftrag des Amtes der NÖ Landesregierung • In enger Kooperation mit KollegInnen der VOR GmbH,

der Elektromobilitätsinitiative NÖ (ecoplus) und der NÖ.Regional.GmbH

AN-Team:• HERRY Consult GmbH (Projektleitung)• TU Wien – Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe• VerkehrsConsulting OG

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Omnibusse der Klasse M2/M3

Omnibusse der Klasse M2/M3• Stand 12/20161 : 9.825 Busse in Österreich• davon 94% Diesel = 9.236 Dieselbusse

• Rechenbeispiel:

− 9.236 Dieselbusse x 45.000 Bus-km/a = ~ 416 Mio. Bus-km/a

− 416 Mio. Bus-km/a x 760𝑔𝑔2 CO2 je Fzg.km (direkte Emissionen)

− ~ 316.000 Tonnen CO2-Einsparung pro Jahr an direkten Emissionen bei 100%-iger Umstellung auf E-Busse

1 Quelle: https://www.statistik.at/

2 Quelle: www.umweltbundesamt.at

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E-Busse im Linienbetrieb - Inhalt

Überblick über die aktuelle Marktsituation zum möglichen Einsatz von E-Bussen im Linienverkehr• inkl. Wasserstoff (H2) , exkl. Hybridsysteme

Informationen der Studie sollen u.a. als Basis für zukünftige Ausschreibungen im ÖV-Bereich dienen.

VOR-Region (Wien, Niederösterreich und Burgenland):• 891 Bus-Linien• ~ 65 Mio.-Bus-km je Jahr (Quelle: VOR GmbH, 2017)

Laufzeit: Anfang April 2017 – Anfang Dezember 2017

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E-Busse im Linienbetrieb - Inhalt

1. Technologie der Fahrzeuge und der zum Einsatz notwendigen Infrastruktur State of the Art Analyse der am Markt befindlichen Systeme

2. Rahmenbedingungen für den Einsatz von E-Bussen und Besonderheiten bei der (Umlauf-) Planung eines E-Busbetriebes.• Stadtbus: Citybuslinien in der Stadt Baden• Regionallinie: Linie 364 Mödling - Gruberau /

Linie 365 Mödling - Heiligenkreuz - Alland undLinie 221 Flughafen Wien - Münchendorf

• Expresslinie: Wieselbus-Linie H / Wiener Neustadt - St. Pölten

3. Begleitung des Pilotprojektes in Wiener Neustadt

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Überblick über verfügbare Busse in Europa

Welche Daten wurden erhoben?Projekt "E-Busse": Template "FAHRZEUGE"Allgemeine DatenFahrzeugtypneues ModellModell HerstellerDimensionenPersonenkapazität Gesamt

davon Sitzplätze

davon Stehplätze

davon Rollstuhl-/Kinderwagenplätze

Anzahl der TürenGewicht (Leergewicht) [in Tonnen]zulässiges Gesamtgewicht [in Tonnen]Fahrzeuggröße

Länge [in mm]

Höhe [in mm]

Breite [in mm]

Wendekreis [m]

Projekt "E-Busse": Template "FAHRZEUGE"KostenAnschaffungspreis [EUR]Angaben zu Betriebskosten Angaben zu NebenverbraucherKlimatisierungs- und HeizungskonzeptAngaben zu weiteren NebenverbrauchernEinsatzorteim Einsatz in [Orte]:Erfahrungen aus Pilotanwendungen:Ausblick:Weiterführende InformationenWeiterführende Informationen, wie Studien, Dokumente, Websites, …Weitere Anmerkungenweitere Anmerkungen:

Projekt "E-Busse": Template "FAHRZEUGE"AntriebMotortypmax. Motorleistung [kW]max. Geschwindigkeit [km/h]Ø Geschwindigkeit [km/h]max. Reichweite [km]BatterieBatterietyp (Zelltechnologie)max. Batteriekapazität [Ah] bzw. [kWh]maximaler Wert der Kapazität [kWh]

Reichweite bei Verbrauch von 250 kWh/100 km und maximaler Batteriekapazität [km]

Nennspannung [V]LadesystemLadedauer [Std.]Schnellladefähigkeit (J/N)mittlere LebensdauerGewährleistung:

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Fahrzeuge

Lade-IS

ExpertInnen-„Interview“

PraxisbeispieleGPS-Tracking

NutzerInnen-Akzeptanz

Basis für zukünftige Ausschreibungen

ÖV-Bereich

Basis für zukünftige Ausschreibungen

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Energetische Bewertung - Methodik

Energetische Bewertung über Berechnung des Gesamtfahrwiderstandes mit Hilfe eines einfachen Längsdynamikmodells.

Fahrwiderstände und ein hinterlegtes GPS-Profil ermöglichen folgende Aussagen:• Aussage eines Umlaufes liefert:

− Aussagen über notwendige Traktionsleistung und die benötigte Energie • Hochrechnung eines Umlaufes auf einen ganzen Betriebstag ergibt:

− Dimensionierung der notwendigen Batteriegröße (Kapazität)− Dimensionierung der daraus resultierenden Ladeinfrastrukturparameter

– Ladeleistung (Langsam- versus Schnellladung)– Schnittstelle (Konduktiv, Induktiv, Oberleitung etc.)– Position (Depotladung, Opportunity Charging)

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Energetische Bewertung - Methodik

Luftwiderstand 𝐹𝐹𝐿𝐿, Rollwiderstand 𝐹𝐹𝑅𝑅, Steigungswiderstand 𝐹𝐹𝑆𝑆𝑆𝑆 und Beschleunigungswiderstand 𝐹𝐹𝐵𝐵 bilden gemeinsam den Gesamtfahrwiderstand 𝐹𝐹𝑊𝑊.

𝐹𝐹𝑊𝑊 = 𝐹𝐹𝑅𝑅 + 𝐹𝐹𝐿𝐿 + 𝐹𝐹𝑆𝑆𝑆𝑆 + 𝐹𝐹𝐵𝐵• 𝐹𝐹𝑅𝑅 = 𝑚𝑚 ∗ 𝑔𝑔 ∗ cos𝛼𝛼 ∗ 𝑓𝑓𝑅𝑅• 𝐹𝐹𝐿𝐿 = 𝜌𝜌

2∗ 𝑐𝑐𝑊𝑊 ∗ 𝐴𝐴 ∗ 𝑣𝑣2

• 𝐹𝐹𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝑚𝑚 ∗ 𝑔𝑔 ∗ sin𝛼𝛼• 𝐹𝐹𝐵𝐵 = 𝑒𝑒𝑖𝑖 ∗ 𝑚𝑚 ∗ 𝑎𝑎

Daraus resultiert notwendige Antriebsleistung 𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴• 𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴 = 𝐹𝐹𝐴𝐴𝐴𝐴 ∗ 𝑣𝑣 = −𝐹𝐹𝑊𝑊 ∗ 𝑣𝑣

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Energetische Bewertung - Ergebnisse

Hinreichend gute Abschätzung trotz Vereinfachungen und Messunsicherheiten im GPS-Profil.

Berücksichtigung der saisonalen Unterschiede durch Variation der (konstant angenommenen)Nebenverbraucher.

Gleichbleibende Parameter:

Fahrzeugmasse = 14.000 kg Effizienz des Antriebsstrangs = 0,9

Personenanzahl = 20 à 80 kg Rekuperationseffizienz = 0,8

Breite = 2,55 m Rollwiderstands-Beiwert 𝑓𝑓𝑅𝑅 = 0,01

Höhe = 3,298 m Massenfaktor 𝑒𝑒𝑖𝑖 = 1,3

Nebenverbraucher = 5 bzw.15 kW Strömungswiderstand 𝑐𝑐𝑊𝑊 = 0,66

A. W. Kunith, Elektrifizierung des urbanen öffentlichen Busverkehrs: Technologiebewertung für den kosteneffizienten Betrieb emissionsfreier Bussysteme, Springer-Verlag, 2017.

SB = Standardbus 12mAB = Gelenkbus 18m

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Energetische Bewertung – Citybus Baden

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

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Energetische Bewertung – Citybus Baden

Die Stadtbuslinie A in Baden:• Beschränkung der maximalen Beschleunigung (orange)

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Energetische Bewertung – Citybus Baden

Die Stadtbuslinie A in Baden:• Verlauf der Traktionsenergie bei keiner, voller und beschränkter Rekup. (ab 15 km/h).

Konstanter Nebenverbrauch von 5 kW

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 16

Energetische Bewertung – Citybus Baden

Die Stadtbuslinie A in Baden:• Verlauf der Traktionsenergie bei keiner, voller und beschränkter Rekup. (ab 15 km/h).

Konstanter Nebenverbrauch von 15 kW

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 17

Energetische Bewertung – Citybus Baden

Die Stadtbuslinie A in Baden:

Vergleich mit Umsetzungsprojekt in Berlin:

Nebenverbraucher = 5 kW Nebenverbraucher = 15 kW

Elek

trisc

her

Verb

rauc

h Volle Rekuperation 107,4 kWh/100 km 161,0 kWh/100 km

Rekuperation ab 15 km/h 117,4 kWh/100 km 167,8 kWh/100 km

Keine Rekuperation 200,3 kWh/100 km 238,9 kWh/100 km

Ener

gie-

Verb

rauc

h bz

w.Zu

gew

inn E_OUT_max 17,6 kWh 21,0 kWh

E_IN_max -8,2 kWh -6,9 kWh

A. W. Kunith, Elektrifizierung des urbanen öffentlichen Busverkehrs: Technologiebewertung für den kosteneffizienten Betrieb emissionsfreier Bussysteme, Springer-Verlag, 2017.

--------- 03/2016 --------- ------- 08/2016 -----------

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Energetische Bewertung – Regionallinie 221

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

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Energetische Bewertung – Regionallinie 221

Die Regionallinie 221:

• Höhere Durchschnittsgeschwindigkeit als Citybuslinie• Weniger Stop & Go Längere Fahrtabschnitte• Hochgerechneter Tagesumlauf würde eine Kapazität von ca. 300kWh bedeuten• Hohe Ausdehnung des Umlaufs bedeutet vielfältige Errichtungsmöglichkeiten

der Ladeinfrastruktur.

Nebenverbraucher = 5 kW Nebenverbraucher = 15 kW

Elek

trisc

her

Verb

rauc

h Volle Rekuperation 102,5 kWh/100 km 133,7 kWh/100 km

Rekuperation ab 15 km/h 104,9 kWh/100 km 135,3 kWh/100 km

Keine Rekuperation 152,9 kWh/100 km 174,9 kWh/100 km

Ener

gie-

Verb

rauc

h bz

w.Zu

gew

inn E_OUT_max 57,6 kWh 66,0 kWh

E_IN_max -19,0 kWh -15,6 kWh

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Energetische Bewertung – Regionallinie 364

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

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 21

Energetische Bewertung – Regionallinie 364

Die Regionallinie 364:

• Großer Streubereich im Durchschnittsverbrauch• Hügeliges Streckenprofil zeigt erhöhtes Rekuperations-Potential auf• Prinzipiell wäre eine Umsetzung möglich• Ladeinfrastruktur bietet sich am Bahnhof in Mödling an

Nebenverbraucher = 5 kW Nebenverbraucher = 15 kW

Elek

trisc

her

Verb

rauc

h Volle Rekuperation 110,2 kWh/100 km 150,2 kWh/100 km

Rekuperation ab 15 km/h 114,8 kWh/100 km 153,4 kWh/100 km

Keine Rekuperation 208,4 kWh/100 km 236,0 kWh/100 km

Ener

gie-

Verb

rauc

h bz

w.Zu

gew

inn E_OUT_max 94,0 kWh 106,4 kWh

E_IN_max -44,3 kWh -38,6 kWh

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 22

Energetische Bewertung – Wieselbus – Linie H

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

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 23

Energetische Bewertung – Wieselbus – Linie H

Expresslinie Wieselbus – Linie H :

• Hoher Energieverbrauch aufgrund von hohen Geschwindigkeiten (𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴~𝑣𝑣3) • Maximale Höchstgeschwindigkeit der meisten Hersteller auf 80 km/h begrenzt• Elektrobuseinsatz im Moment nur bedingt für diese Linienführung

geeignet (keine Einhaltung des Umlaufplanes!)

Nebenverbraucher = 5 kW Nebenverbraucher = 15 kW

Elek

trisc

her

Verb

rauc

h Volle Rekuperation 123,4 kWh/100 km 139,6 kWh/100 km

Rekuperation ab 15 km/h 124,7 kWh/100 km 140,6 kWh/100 km

Keine Rekuperation 191,6 kWh/100 km 202,7 kWh/100 km

Ener

gie-

Verb

rauc

h bz

w.Zu

gew

inn E_OUT_max 183,5 kWh 194,1 kWh

E_IN_max -65,4 kWh -60,4 kWh

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 24

Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen

Naheliegendste Lösung Laden im Depot• Kostengünstig und relativ einfach zu realisieren

Wenn nötig Gelegenheitsladung an Haltestellen über• Pantograf oder• Ladestecker (CCS – Stecker)

A. W. Kunith, Elektrifizierung des urbanen öffentlichen Busverkehrs: Technologiebewertung für den kosteneffizienten Betrieb emissionsfreier Bussysteme, Springer-Verlag, 2017.

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 25

Bild-Quelle: https://www.hochbahn.de/hochbahn/hamburg/de/Home/Naechster_Halt/Ausbau_und_Projekte/Innovationslinie_109/Busflotte/

Overnight charging (Laden im Depot über Nacht)• Kleinere Ladeleistungen Erfordert möglicherweise größere Batteriekapazitäten für

einen Tagesumlauf Opportunity charging (Laden bei Haltestellen)

• Große Ladeleistungen Ermöglicht kleinere Batterien aber teure Infrastruktur

Bild-Quellen: ABB; ebg-compleo, Schrack

Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 26Bild-Quelle: Wiener Linien

Falls Oberleitungssystem bereits vorhanden Einfache Nutzung von bestehender Infrastruktur

Relativ hoher Infrastrukturaufwand bei Neuerrichtung

Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 27Bild-Quelle: https://www.oppcharge.org/

Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 28Bild-Quelle: ABB, Schunk-Group

Möglichkeiten der Betankung von E-Bussen

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DI Dominik Fasthuber, 08.03.2018 29

Zusammenfassung und Ausblick

Was haben wir gelernt?• E-Busse Angebot bereits sehr gut mit 30 Herstellern und 74 Bussen (5 H2-Busse) wird zukünftig noch besser.

• Elektrobusse sollen bzw. müssen anhand ihres (vorher teilweise bekannten) Einsatzzweckes ausgewählt werden.

• Anschaffungskosten der E-Busse (derzeit) doppelt so hoch im Vergleich zu konventionellen (Diesel-) Bussen.

• Wirtschaftliche Darstellbarkeit vs. Einsatzbereiche (Stadtbereich: geringe/re Fahrleistungen).

• (derzeitige) Umlaufpläne genau betrachten Adaptierungen möglich? Lade-Infrastruktur:

• Die Kosten für die Ladeinfrastruktur auf die Busse umzulegen, ist im Moment nicht wirtschaftlich darstellbar.

• Wer baut, bezahlt und betreibt die notwendige Infrastruktur?

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Energetische Bewertung

Kostenfreier Download der Marktübersicht unter: http://ebusse.mobilitaetsmanagement.at

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Kontakt:

DI Dominik Fasthuber Projektassistent

Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe

E: [email protected] T: +43 1 58801 370 112W: www.ea.tuwien.ac.at