Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbus- betriebs – „Berlin-Spandau“ Fraunhofer-Institut für System- und Innovations- forschung (ISI) PTV Transport Consult GmbH Breslauer Str. 48 76131 Karlsruhe, Germany 76139 Karlsruhe, Germany http://www.consult.ptvgroup.com Stumpfstr. 1 http://www.isi.fraunhofer.de Dr. Michael Krail Dipl.-Kauffrau Petra Strauß Phone: +49 721 6809 429 Phone: +49 721 9651 221 Fax: +49 721 77 6809 135 Fax: +49 721 9651 692 michael.krail@isi.fraunhofer.de petra.strauss@ptvgroup.com IFB Institut für Bahntechnik GmbH Technische Universität Dresden Wiener Str. 114-116 Professur für Elektrische Bahnen 01219 Dresden, Germany 01062 Dresden, Germany http://www.bahntechnik.de http://www.e-vs.de Dr.-Ing. Sven Körner Prof. Dr.-Ing. Arnd Stephan Phone: +49 351 877 59 52 Phone: +49 351 463 36 730 Fax: +49 351 877 59 90 Fax: +49 351 463 36 829 sk@bahntechnik.de arnd.stephan@tu-dresden.de © Fraunhofer ISI 2019 Karlsruhe, Dresden, 02. Juli 2019

Autorinnen und Autoren Fraunhofer ISI Dr.-Ing. Michael Krail Dr. Till Gnann Dr.-Ing. Simon Funke IFB Institut für Bahntechnik GmbH Dr.-Ing. Sven Körner Dipl.-Ing. Eckert Fritz Dipl.-Ing. André Müller Dipl.-Ing. Holger Neumann Dipl.-Ing. Felix Bartels Dipl.-Ing. Martin Steude Dipl.-Ing. Maximilian Franke B.-Eng. Jens Elger Dipl.-Phys. Manja Balser Dr.-Ing. Jochen Hietzge PTV Transport Consult GmbH Dipl.-Kauffrau Petra Strauß Dipl.-Ing. Heike Schäuble M.Sc. Carola Hocke TU Dresden – Professur für Elektrische Bahnen Prof. Dr.-Ing. Arnd Stephan Richard Kayser MSc

Versionsübersicht Revision Autor Datum Änderungen - IFB 27.04.2019 Entwurf - PTV 06.05.2019 Integration Kapitel 5.1.2, 7.4 – 7.4.5, Kapitel 8 - IFB+PTV 08.05.2019 Vorentwurf - IFB+PTV 22.05.2019 Entwurf 0 IFB+PTV 02.07.2019 Release Zu diesem Bericht gehören szenariospezifische Anlagen wie in Kapitel 10.3 erläutert. Die Simulationswerkzeuge wurden in folgenden Versionen verwendet: - OpenPowerNet: 1.8.0 - OpenTrack: 1.9.1 (2018-05-10)

Verzeichnisse I Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................ I Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. IV Tabellenverzeichnis ...................................................................................................... VII 1 Zusammenfassung................................................................................................. 11 2 Aufgabenstellung, Zielsetzung und Vorgehen ..................................................... 15 3 Grundlagen ............................................................................................................. 17 3.1 Allgemeine Einführung .................................................................................. 17 3.2 Fahrzeuge..................................................................................................... 18 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 Betrieb mit dem Dieselbus ........................................................................................... 19 Technischer Hintergrund von Elektro-Bus-Systemen .................................................. 22 Oberleitungsbus ........................................................................................................... 26 Hybridoberleitungsbus (Streckenlader) ........................................................................ 28 Elektrobusse mit punktueller, automatisierter Nachladung .......................................... 30 Gefäßgrößen ................................................................................................................ 34 3.3 Elektrische Energiespeicher .......................................................................... 35 3.3.1 3.3.2 Kenngrößen von Akkumulatoren .................................................................................. 35 Speichertechnologie für Traktionsanwendungen ......................................................... 38 3.4 Elektrische Infrastruktur ................................................................................ 51 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 Grundaufbau ................................................................................................................. 51 Wahl des Spannungssystems ...................................................................................... 51 Unterwerke ................................................................................................................... 52 Konfiguration des Fahrleitungsnetzes .......................................................................... 53 Isolationsfehler und Erdung .......................................................................................... 55 Fahrleitung und Stromabnehmer.................................................................................. 57 Infrastruktur im Betriebshof .......................................................................................... 72 3.5 Grundlagen der Betriebssimulation und der elektrischen Netzberechnung ........................................................................................... 76 3.5.1 3.5.2 3.5.3 Prinzip ........................................................................................................................... 76 Simulationssystem OpenTrack und OpenPowerNet .................................................... 76 Grundlagen der Fahrdynamik ....................................................................................... 81 3.6 Vorgehensweise technische Machbarkeit ..................................................... 83 3.7 Technische Bewertungskriterien der elektrischen Infrastruktur...................... 85 3.7.1 3.7.2 Spannungshaltung........................................................................................................ 85 Kurzschlusserkennbarkeit und Unterscheidung von Kurzschluss- und Betriebsströmen ........................................................................................................... 86 Belastung der stationären elektrotechnischen Anlagen ............................................... 87 Elektromagnetische Verträglichkeit .............................................................................. 88 3.7.3 3.7.4 Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

II 4 Verzeichnisse 3.7.5 Energiebedarfsermittlung ............................................................................................. 90 3.8 Übersicht über den Stand von Obus und HObus .......................................... 91 3.8.1 3.8.2 Ausgewählte Beispiele für Obusnetze.......................................................................... 91 Übersicht der Hersteller .............................................................................................. 101 Technische Machbarkeit ...................................................................................... 104 4.1 Eingangsdaten der Simulation .................................................................... 104 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 Infrastruktur ................................................................................................................ 104 Betriebskonzept .......................................................................................................... 106 Fahrplanmodell ........................................................................................................... 114 Eingangsdaten Fahrzeugkonfiguration....................................................................... 117 Speicherkonfiguration ................................................................................................. 120 4.2 Elektrische Netzinfrastruktur ....................................................................... 126 4.2.1 4.2.2 Unterwerke und Anschluss an die Strecke ................................................................ 126 Oberleitung, Kupplungsleitungen und Verstärkungsleitungen ................................... 128 4.3 Entwickelte Szenarien ................................................................................. 129 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 Vorgehen .................................................................................................................... 129 Szenario A - Gesamtnetz und hoher Elektrifizierungsgrad ........................................ 130 Szenario B - Gesamtnetz mit reduzierter Elektrifizierung .......................................... 133 Szenario C - Betrieblich reduziertes Netz mit reduzierter Elektrifizierung ................. 136 4.4 Szenariospezifische Ergebnisse ................................................................. 139 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.4.7 Resultierende Netzkonfiguration ................................................................................ 139 Spannungshaltung...................................................................................................... 139 Dimensionierung der Gleichrichtereinheiten .............................................................. 141 Belastung der elektrischen Leiter ............................................................................... 142 Kurzschlusserkennbarkeit .......................................................................................... 146 Batteriebezogene Ergebnisse .................................................................................... 148 Energiebedarf ............................................................................................................. 149 4.5 Betriebshof.................................................................................................. 152 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.5.6 Allgemeines ................................................................................................................ 152 Nachladekonzept für den Betriebshof Spandau ......................................................... 152 Flächenbedarf ............................................................................................................. 153 E-Umstellung der Werkstatt ....................................................................................... 159 Qualifizierung des Personals ...................................................................................... 160 Abschleppkonzept ...................................................................................................... 162 5 Einführung des Systems ..................................................................................... 163 6 Wirtschaftlichkeit ................................................................................................. 168 6.1 Technische Mengengerüste ........................................................................ 168 6.1.1 6.1.2 Flottengröße ............................................................................................................... 168 Anlagen- und Mengengrüste Infrastruktur .................................................................. 169 6.2 Einzelkostenwerte und Betriebskosten........................................................ 173 6.2.1 Investitionen für Fahrzeuge ........................................................................................ 173 Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

Verzeichnisse 7 III 6.2.2 6.2.3 Investitionen der Infrastruktur ..................................................................................... 173 Betriebskostenschätzung ........................................................................................... 176 6.3 Szenariospezifische Investitionen ............................................................... 179 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 Zusammenfassung der Szenarien ............................................................................. 179 Szenario A .................................................................................................................. 179 Szenario B .................................................................................................................. 180 Szenario C .................................................................................................................. 181 Hochlaufszenario ........................................................................................................ 181 6.4 Wirtschaftlichkeitsuntersuchung .................................................................. 183 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 Untersuchungsfälle ..................................................................................................... 183 Ergänzende Kennziffern Hybridoberleitungsbus ........................................................ 184 Vergleichsfall Diesel- und Elektrofahrzeuge .............................................................. 186 Life Cycle Cost Analyse ............................................................................................. 192 Nachhaltigkeit....................................................................................................... 204 7.1 Treibhausgasemissionen (CO2eq) .............................................................. 205 7.2 NOx Bilanz .................................................................................................. 209 8 Literaturverzeichnis ............................................................................................. 211 9 Anhang.................................................................................................................. 221 9.1 Glossar ....................................................................................................... 221 9.2 Gesetze, Verordnungen und Normen.......................................................... 224 10 Anlage A –Technische Machbarkeit.................................................................... 227 10.1 Darstellung der modellierten Abschnitte und Haltestellenpositionen ........... 227 10.2 Darstellung der Oberleitungsbereiche, Positionen der Gleichrichterunterwerke und Nennparameter der Gleichrichtereinheiten ................................................................................. 257 10.2.1 Szenario A . ................................................................................................................ 257 10.2.2 Szenario B . ................................................................................................................ 274 10.2.3 Szenario C . ................................................................................................................ 290 10.3 Bezeichnung der Ergebnisse der elektrischen Netzberechnung in den Anlagen ...................................................................................................... 302 Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

IV Verzeichnisse Abbildungsverzeichnis Abbildung 1-1: spezifische Annuität in Cent / Platz-km ................................................................... 13 Abbildung 3-1: Prinzip des Traktionskreises von Obussen ............................................................. 23 Abbildung 3-2: Prinzip des Traktionskreises von HObussen (Obus mit Energiespeicher) ............. 24 Abbildung 3-3: Prinzip des Ladestellers für den Energiespeicher ................................................... 24 Abbildung 3-4: Prinzip der Energieübertragung beim Obus ohne fahrleitungsfreie Abschnitte, eigene Darstellung, nach [76]............................................................... 27 Abbildung 3-5: Prinzip der Energieübertragung beim HObus mit abschnittsweise Fahrleitungsfreien Abschnitten, eigene Darstellung, nach [76] .............................. 29 Abbildung 3-6: Prinzip der Energieübertragung Elektrobus mit punktueller automatisierter Nachladung, eigene Darstellung, nach [76] ............................................................ 31 Abbildung 3-7: Ragone Diagramm für Traktionsspeicher ............................................................... 39 Abbildung 3-8: Ruhespannungsverläufe verschiedener Speichertechnologien, nach [82] [84]........................................................................................................................... 41 Abbildung 3-9: Kapazitätserhalt in Abhängigkeit der Entladungsrate verschiedener Speichertechnologien, nach [82] [84] [83] ............................................................... 42 Abbildung 3-10: Vergleich der Aufladekurven von LTO und LFP, nach [82] .................................... 43 Abbildung 3-11: Vergleich der Lade- und Entladewiderstandsverläufe von LFP und LTO, nach [82] .................................................................................................................. 45 Abbildung 3-12: Verlauf der maximalen Entladeleistungen mit Hilfe eines Hybrid Pulse Power Test, nach [82] ............................................................................................. 46 Abbildung 3-13: Vergleich der maximalen Aufladeleistungen, nach [82] .......................................... 47 Abbildung 3-14: Vergleich der maximalen Aufladeleistungen der Li-Speicher, nach [82] ................ 47 Abbildung 3-15: Vergleich der spezifischen Entladeleistungen bei 50% SoC, nach [82] ................ 48 Abbildung 3-16: Vergleich der spezifischen Aufladeleistungen bei 50% SoC, nach [82] ................ 48 Abbildung 3-17: Vergleich der spezifischen Energien, nach [82] [82] .............................................. 49 Abbildung 3-18: vergleichende Gegenüberstellung verschiedener Traktionsspeicher, nach [81] [83] ................................................................................................................... 50 Abbildung 3-19: Prinzipielle Struktur eines Gleichrichter-Unterwerks ............................................... 52 Abbildung 3-20: Gegenüberstellung von einseitiger Speisung und zweiseitiger Speisung, oben prinzipielle Anordnung, unten Spannung über Weg bei Konstantstrom über der Strecke ...................................................................................................... 54 Abbildung 3-21: Üblicherweise gewählte Konfiguration der Fahrleitung mit Streckentrennung vor dem Unterwerk, zweiseitiger Speisung und Querkupplung. Optional ist die Parallelführung der Verstärkungsleitung(en). Alle Linien sind zweipolig (Plus/Minus) zu verstehen. ............................................ 55 Abbildung 3-22: Prinzipieller Aufbau der Pendelaufhängung bei einer Obus-Fahrleitung, [65] ........ 60 Abbildung 3-23: Einfachfahrleitung mit Beiseil, [65] .......................................................................... 61 Abbildung 3-24: Stromabnehmerkopf ................................................................................................ 62 Abbildung 3-25: Vergleich der Höhenverhältnisse der Fahrleitung ................................................... 65 Abbildung 3-26: Demonstrator der Westsächsischen Hochschule Zwickau. .................................... 69 Abbildung 3-27: Anwendungsbeispiel Siemens Trolley Truck .......................................................... 70 Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

Verzeichnisse V Abbildung 3-28: Siemens-Teststrecke auf einem ehemaligen Flugplatz in Brandenburg. ............... 71 Abbildung 3-29: Gekoppelte Simulation mit OpenTrack und OpenPowerNet................................... 78 Abbildung 3-30: Auslegung elektrischer Anlagen mit zeitgewichteten Belastungsdauerkurven: – links: überdimensioniert (bzw. Dimensionierung mit Reserve), – Mitte: exakte Bemessung auf den Anwendungsfall (keine Reserve), – rechts: unterdimensioniert. .................................................................. 80 Abbildung 3-31: Zugkraft-Geschwindigkeits-Diagramm und Fahrwiderstände ................................. 81 Abbildung 3-32: Hybridoberleitungsbus der BBG [52] ....................................................................... 94 Abbildung 3-33: Fahrzeug Esslingen, Solaris/Kiepe Trollino 18,75 Metrostyle [31] ......................... 96 Abbildung 3-34: Fahrzeug BOB in Solingen [34] ............................................................................... 98 Abbildung 3-35: Yangtse Hybridoberleitungsbus Marrakesh im Batteriemodus [35] ...................... 100 Abbildung 3-36: Darstellung des SwissTrolley plus im Einsatz in Zürich [49] ................................. 101 Abbildung 4-1: Übersicht Gesamtnetz HObus Berlin Spandau in blau, perspektivische Straßenbahntrasse in orange, Bildquelle: Google Earth ....................................... 104 Abbildung 4-2: Ausschnitt Geschwindigkeitsverlauf Linie M37 ..................................................... 105 Abbildung 4-3: Linienwege der planungsrelevanten BVG-Linien .................................................. 108 Abbildung 4-4: Tagesbelastung je Streckenabschnitt 2025 .......................................................... 110 Abbildung 4-5: Ergebnisse der Dimensionierung ......................................................................... 111 Abbildung 4-6: Beispiel Umlaufplanung ........................................................................................ 112 Abbildung 4-7: Umlaufplanung für die Linie N34 ........................................................................... 114 Abbildung 4-8: Übersicht mit der maximalen Busanzahl je Tag und der Anzahl der Busse in der betrieblichen Spitzenstunde ........................................................................ 116 Abbildung 4-9: Prinzipdarstellung Leistungsfluss im Fahrzeugmodell Simulation ........................ 117 Abbildung 4-10: Zugkraft-Geschwindigkeits-Diagramm beider simulierter Bustypen sowie deren Fahrwiderstände für Ebene und 20 ‰ Steigung......................................... 119 Abbildung 4-11: Ermittlung der notwendigen Laderate und des benötigten Fahrleitungsüberspannten Folgeabschnitts, nach [85] – Verlauf für 1 C .............. 124 Abbildung 4-12 Ermittlung der notwendigen Laderate und des benötigten Fahrleitungs- überspannten Folgeabschnitts, nach [85] – Verlauf für 2 C .................................. 125 Abbildung 4-13: Prinzipdarstellung der Unterwerks- und Fahrleitungsmodellierung in der Simulation .............................................................................................................. 127 Abbildung 4-14: Übersichtsplan Szenario A .................................................................................... 131 Abbildung 4-15: Übersicht Bereiche verschiedener Mastkonfigurationen, Szenario A ................... 132 Abbildung 4-16: Übersichtsplan Szenario B .................................................................................... 134 Abbildung 4-17: Übersicht Bereiche verschiedener Mastkonfigurationen, Szenario B ................... 135 Abbildung 4-18: Übersichtsplan Szenario C .................................................................................... 137 Abbildung 4-19: Übersicht Bereiche verschiedener Mastkonfigurationen, Szenario C ................... 138 Abbildung 4-20: Übersichtsschaltplan Szenario A, AB 03 (Teil 1) und AB 04 (Teil 1) .................... 139 Abbildung 4-21: Beispieldarstellung der minimalen Spannung am Stromabnehmer, Szenario B, Spitzenlast, Ausfall UW 55 Zeppelinstr. (Seegefelder Str.), AB 04 (Teil 3) ...... 140 Abbildung 4-22: Maximaler Strom, 300s und 900s Effektivwert im Fahrdraht, Szenario B, Spitzenlast, Ausfall UW 55 Zeppelinstr. (Seegefelder Str.), AB 04 (Teil 6) .......... 143 Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

VI Verzeichnisse Abbildung 4-23: Maximaler Strom, 300s und 900s Effektivwert im Verstärkungsleiter, Szenario B, Spitzenlast, Ausfall UW 55 Zeppelinstr. (Seegefelder Str.), AB 04 (Teil 6) .............................................................................................................. 144 Abbildung 4-24: Fahrdrahtbelastung ggü. Belastbarkeit ................................................................. 145 Abbildung 4-25: Beispiel zur Vorgehensweise bei der Überprüfung der Kurzschlusserkennbarkeit ..................................................................................... 147 Abbildung 4-26: Ermittlung der Abmessungen des Betriebshof Berlin Spandau ............................ 153 Abbildung 4-27: Betriebshof Spandau, vereinfachte Darstellung .................................................... 154 Abbildung 4-28: Schleppkurve Doppelgelenkbus (Länge: 24,70m) im Maßstab 1:500, nach [101]....................................................................................................................... 155 Abbildung 4-29: Parallelabstellung des geplanten Fuhrparks für die Simulations-Szenarien A und B .................................................................................................................. 158 Abbildung 4-30: Parallelabstellung des restlichen Fuhrparks der Szenarien A und B auf dem angrenzenden Supermarktgelände (Abriss Gebäude) ......................................... 158 Abbildung 4-31: Parallelabstellung des geplanten Fuhrparks für die Simulations-Szenario C ....... 159 Abbildung 4-32: Qualifizierung für Arbeiten mit HV-Bussen (eigene Darstellung nach [73]) .......... 162 Abbildung 5-1: Linienverlauf der Linie M32 ................................................................................... 163 Abbildung 5-2: Schematische Darstellung des Anhörungsablaufs ............................................... 167 Abbildung 10-1: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 500 A (Belastbarkeitsklassen VI und VII) .............................................................. 271 Abbildung 10-2: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 750 A (Belastbarkeitsklasse VI) und 500 A (VII) ................................................... 271 Abbildung 10-3: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 750 A (Belastbarkeitsklassen VI und VII) .............................................................. 272 Abbildung 10-4: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 1000 A (Belastbarkeitsklasse VI) und 750 A (VII) ................................................. 272 Abbildung 10-5: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 1000 A (Belastbarkeitsklassen VI und VII) ............................................................ 273 Abbildung 10-6: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 1500 A (Belastbarkeitsklassen VI und VII) ............................................................ 273 Abbildung 10-7: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 500 A (Belastbarkeitsklassen VI und VII) .............................................................. 287 Abbildung 10-8: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 750 A (Belastbarkeitsklasse VI) und 500 A (VII) ................................................... 287 Abbildung 10-9 Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 750 A (Belastbarkeitsklassen VI und VII) .............................................................. 288 Abbildung 10-10: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 1000 A (Belastbarkeitsklasse VI) und 750 A (VII) ..................................... 288 Abbildung 10-11: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 1000 A (Belastbarkeitsklassen VI und VII) ................................................ 289 Abbildung 10-12: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 1500 A (Belastbarkeitsklasse VI) und 1000 A (VII) ................................... 289 Abbildung 10-13: Belastung der Gleichrichter vs. Belastbarkeit nach DIN EN 50328, I_Bd = 1000 A (Belastbarkeitsklassen VI und VII) ................................................ 290 Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“