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Elektrische Antriebe im ÖPNV

Erstellt am: 14.12.2010 | Stand des Wissens: 21.01.2019
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Im öffentlichen Nahverkehr können Fahrzeuge mit reinen elektrischen Antrieben zum Beispiel in Form von Oberleitungsbussen, Batterie-Oberleitungsbussen, Brennstoffzellenbussen oder Elektrobussen eingesetzt werden. Insbesondere Brennstoffzellenbusse, Batterie-Oberleitungsbusse (O-Busse mit zusätzlichem reinem Batteriebetrieb) und Elektrobusse werden aktuell noch vor allem auf Pilotlinien eingesetzt.

Ein fahrleitungsgebundener Bus mit elektrischem Antriebssystem wird O-Bus (oder Trolleybus) genannt. Er wird mit elektrischer Energie aus einer Oberleitung über ein Stromabnehmersystem versorgt. Aufgrund des beweglichen Stromabnehmers ist es ihm möglich, circa 4 Meter zu jeder Seite auszuschwenken. Dies ermöglicht das Umfahren von Baustellen und sonstigen Hindernissen auf der Straße. Im Hinblick auf die Straßenraumgestaltung können so auch die Oberleitungen seitlich am Fahrbahnrand angeordnet werden. Mit Hilfe von Ersatzantrieben, im Falle des Batterie-Oberleitungsbusses eine direkte Speisung aus der Batterie, können kurze Strecken fahrleitungsfrei überwunden werden. Somit können z.B. historische Stadtkerne oberleitungsfrei gehalten werden und auf dem Betriebshof ist ein freies Rangieren möglich. O-Busse mit Dieselaggregat (Duo-Busse) und Batterie-Oberleitungsbusse können auch längere Strecken fahrleitungsfrei fahren. Die elektrischen Komponenten sind auf dem Dach des Busses angeordnet [VDV07b].


Obus in SolingenAbb. 1: O-Bus in Solingen [Walt10b]
In Deutschland ist ein Nahverkehrssystem mit Oberleitungsbussen zur Seltenheit geworden. Aktuell existieren O-Bussysteme nur noch in Solingen, Eberswalde und Esslingen am Neckar. In Italien, Frankreich und der Schweiz hingegen werden die Verkehrssysteme weiter ausgebaut. In der Schweiz kommen auch 24 Meter lange Doppelgelenkbusse zum Einsatz. Im Vergleich zu anderen alternativen ÖPNV-Systemen kann der O-bus und seine Technik auf eine lange Geschichte zurückblicken und hat sich im Alltag als zuverlässig und wirtschaftlich bewährt. O-Busse sind trotz des zusätzlichen Investitionsbedarfs in Oberleitungsinfrastruktur wettbewerbsfähig bei Betrachtung der Gesamtkosten pro gefahrenem Kilometer. Gerade im Vergleich zu Straßenbahnen zeichnet sich der O-Bus dadurch aus, dass notwendige Infrastruktur um ein Vielfaches schneller und günstiger ausgebaut werden kann [KüBö10]. Kurz vor dem Linieneinsatz steht der Batterie-Oberleitungsbus in Solingen [BOB19].

Brennstoffzellenbusse zählen ebenso wie rein batteriebetriebene Fahrzeuge und leitungsgebundene O-Busse zu den Elektrofahrzeugen; allerdings mit dem Unterschied, dass die elektrische Energie nicht in Batterien gespeichert, sondern in der Brennstoffzelle elektrochemisch aus Wasserstoff gewonnen wird. Im Gegensatz zu Batterien sind Brennstoffzellen also keine Energiespeicher sondern Energiewandler.
Ein Brennstoffzellenbus benötigt ein völlig neues, elektrisches Antriebssystem. Der Bus wird mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Strom über einen Elektromotor angetrieben. Das Antriebssystem besteht aus verschiedenen Komponenten. Dazu gehört das Gasspeichersystem, in dem der Wasserstoff bei einem Druck von bis zu 350 bar gespeichert wird. Dieser Wasserstoffvorrat wird in Aluminiumbehältern auf dem Dach des Busses gelagert. Ist der Speicher vollgetankt  (etwa 1.600 Liter) kann ein Bus damit ungefähr 300 Kilometer weit fahren. Die Brennstoffzellen selbst sind im Heck des Busses eingebaut.

In Köln sind seit dem Jahr 2011 zwei Gelenkbusse mit Brennstoffzellenantrieb mit einer Reichweite von 250 Kilometer für die Regionalverkehr Köln GmbH (RVK) in Betrieb. Die Anschaffungskosten von jeweils 1,86 Millionen Euro wurden durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und durch das NRW Hydrogen HyWay-Programm gefördert. Durch den Verein "HyCologne - Wasserstoff Region Rheinland" kann die RVK kostengünstig Wasserstoff von der Chemieindustrie im Kölner Raum beziehen, der dort als Nebenprodukt abfällt [Buen12]. Im September 2017 verkündete die RVK im Rahmen des Nationalen Innovationsprogrammes für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) 30 H2-Hybridbusse und zwei weitere Wasserstofftankstellen für den Betrieb ab 2019 zu beschaffen [NOW17].
Neben der RVK sind auch bei der Hamburger Hochbahn Brennstoffzellenbusse im Einsatz. Im Rahmen der Teilnahme am EU Förderprojekt "Clean Urban Transport for Europe" (CUTE) wurden zeitweise bis zu neun Brennstoffzellenbusse getestet. Seit Frühjahr 2012 sind in Hamburg vier Brennstoffbusse der neuesten Generation im Einsatz, die im Gegensatz zu der vorherigen Generation die Bremsenergie zurückgewinnen können [Hoch12]. Weiterhin verkehren in Karlsruhe seit 2013 zwei Wasserstoffbusse als KIT-H2-Shuttle [KIT2013]. Ab 2018 sollen auch im Rhein-Main-Gebiet 11 aus EU-Mitteln geförderte H2-Busse im regulären Linienbetrieb verkehren [Pete17].

Aktuell ist die Brennstoffzellentechnologie jedoch noch verhältnismäßig teuer. Mit einem Preis zwischen 600.000 und 900.000 Euro ist ein neuer Wasserstoffbus in etwa doppelt so teuer wie ein herkömmlicher dieselbetriebener Bus. Darüber hinaus stellt die fehlende Wasserstoffinfrastruktur ein Problem dar [MoBu13].

Eine Alternative zum O-Bus und Brennstoffzellenbus ist der vollständig batteriebetriebene Bus. Aufgrund beschränkter Reichweiten von Elektrobussen unterscheidet sich ihr Einsatz grundlegend von dem eines herkömmlichen Dieselbusses. Ein Dieselbus wird angeschafft und kann "als Generalist" auf jeder Linie eingesetzt werden, ein Elektrobus muss spezifisch auf eine Strecke bzw. Linie ausgelegt werden, auf der er eingesetzt wird. Ein Elektrobus kann demnach bei der Anschaffung nicht mehr isoliert betrachtet werden, sondern ist vielmehr ein Teil eines aufeinander abgestimmten Verbunds aus Fahrzeug, skalierbarer Batterie und Ladeinfrastruktur. Die technische Auslegung aller Teilsysteme erfolgt hierbei liniengebunden, der Betrieb erfolgt spezifisch auf die Streckencharakteristika und ist eng verzahnt mit dem Ladekonzept.

Die rein batteriebetriebenen Busse unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich ihrer Ladetechnologien. Neben der Aufladestrategie über Nacht ("Overnight Charging") ist auch ein Wechsel der Batterie und das Aufladen während des Betriebs möglich. Eine Technologie, die Batterie während der Fahrt wieder aufzuladen ist die induktive Aufladetechnologie [GoKu13]. Dabei wird unsichtbar unter der Fahrbahnoberfläche aus Kabeln eine Induktionsschleife (Primärspule) verlegt. Die am Boden der Busse montierte Aufnahmespule (Sekundärspule) wandelt das erzeugte magnetische Feld in elektrischen Strom um, der den Motor speist. Eine weitere Möglichkeit sind kabelgebundene (konduktive) Systeme, die über Kontaktarme Ladestrom abgreifen [GaFu15]. Durch die regelmäßige Ladung müssen die Fahrzeuge im Vergleich zu normalen Elektrobussen nur relativ leichte Batterien mitführen und sind damit effizienter [Falk13] und günstiger in der Anschaffung [Bran14]. Der städtische Busverkehr hat den Vorteil, dass die notwendigen Ladephasen genau geplant werden können, da die Busse - anders als der motorisierte Individualverkehr - nach Fahrplan fahren.

Bereits in mehreren deutschen Städten verkehren Elektrobusse, beispielsweise in Aachen, Berlin oder Hamburg, hauptsächlich zur Erprobung in Forschungsprojekten. Bedeutende Forschungsprojekte sind beispielsweise die Projekte Emil, ZeEUS oder SEB [GaFu15].
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Antriebstechnologien im Straßenverkehr (Stand des Wissens: 21.01.2019)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?298940
Literatur
[BOB19] Batterie-Oberleitungsbus in Solingen, 2019/01/01
[Bran14] Brandl, P. E-Mobilität mit Zukunftschancen, veröffentlicht in Der Nahverkehr, Ausgabe/Auflage Bd. 32. Jahrgang, Nr. 05/2014, 2014/05/01
[Buen12] Claus Bünnagel Brennstoffzellenbusse im harten Linieneinsatz, veröffentlicht in Busmagazin, Ausgabe/Auflage 06/2012, 2012/06
[Falk13] Markus Falkner Bei der BVG kommt der Strom bald aus der Straße, veröffentlicht in Berliner Morgenpost, 2013/09/25
[GaFu15] Gauger, J. F., Funke, S. Á. Elektrische Linienbusse: vom Generalisten zum Spezialisten, veröffentlicht in DER NAHVERKEHR, Ausgabe/Auflage 33. Jahrgang, 3/2015, 2015/03/01
[GoKu13] Dietmar Göhlich, Alexander Kunith, Sven Gräbener Systemtechnologien für elektrische Stadtbusse - die richtige Wahl, veröffentlicht in Internationales Verkehrswesen, Ausgabe/Auflage 4, 2013
[Hoch12] Innovative Brennstoffzellenbusse im Linienbetrieb, 2012/02/13
[KIT2013] KIT (Hrsg.) Zukunft tanken - der KIT-H2-Shuttle, 2013/01/01
[KüBö10] Reinhart Kühne, Philipp Böhnke Analyse neuzeitlicher Systeme des öffentlichen Personennahverkehrs und deren Anwendungsmöglichkeiten in Osnabrück, 2010
[MoBu13] C. Mohrdieck, , A. Burkert Chancen einer H2-Infrastruktur, veröffentlicht in ATZ Automobiltechnische Zeitschrift, Ausgabe/Auflage Volume 115, Issue 5, 2013/05
[NOW17] National Organisation Hydrogen and Fuel Cell Technology Cologne procures largest fuel cell hybrid bus fleet in Germany, 2017/09/28
[Pete17] Anke Petermann Brennstoffzellen-Busse fürs Rhein-Main-Gebiet - Nahverkehr ohne Abgase, 2017/08/08
[VDV07b] Müller-Hellmann, Adolf, Prof.Dr.-Ing., Pütz, Ralph, Dipl.-Ing., Freiesleben, Volker, Koch, Alexander, Dipl.-Ing. Linienbus-Verkehrssysteme mit elektrischem Fahrantrieb - Potenzial für eine emissionsfreie Mobilität, Eurailpress, Hamburg, 2007/06, ISBN/ISSN 978-9-7771-0366-2
[Walt10b] Christian Walther Obus in Solingen, 2010
Glossar
O2
= Sauerstoff. Im Normzustand ist Sauerstoff ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist sehr reaktiv, fast jedes chemische Element, abgesehen von Edelgasen, reagiert mit Sauerstoff, um Verbindungen zu bilden.
Sauerstoff ist von großer Bedeutung, weil er wesentlich an den Atmungsprozessen der meisten lebenden Zellen und an Verbrennungprozessen beteiligt ist. Es ist das am häufigsten vorkommende Element der Erdkruste. Die Luft besteht zu fast einem Fünftel (Volumen) aus Sauerstoff. Ungebundener gasförmiger Sauerstoff besteht normalerweise aus einem zweiatomigen Molekül (O2), es gibt ihn  aber auch in dreiatomiger Form (O3,) besser bekannt unter dem Begriff Ozon.
Motorisierter Individualverkehr Als motorisierter Individualverkehr (MIV) wird die Nutzung von Pkw und Krafträdern im Personenverkehr bezeichnet. Der MIV, als eine Art des Individualverkehrs (IV), eignet sich besonders für größere Distanzen und alle Arten von Quelle-Ziel-Beziehungen, da dieser zeitlich als auch räumlich eine hohe Verfügbarkeit aufweist. Verkehrsmittel des MIV werden von einer einzelnen Person oder einem beschränkten Personenkreis eingesetzt. Der Nutzer ist bezüglich der Bestimmung von Fahrweg, Ziel und Zeit frei (örtliche, zeitliche Ungebundenheit des MIV).
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?336709

Gedruckt am Montag, 21. September 2020 21:21:23