4 Technische Machbarkeit Eigenschaft 123 Einheit Modul 1 Modul 3 Modul 4 kW 37 … 50 60 77 Nennspannung V 661 666 666 Masse kg 253 353 372 Effektivwert der Leistung Wie in Abschnitt 3.3 beschrieben, hängt die Lebensdauer des Energiespeichers entschei- dend von der Zyklenfestigkeit und der realisierten Laderate (C-Rate) ab. Wenn vom Her- steller nicht anders garantiert, können C-Raten zwischen 1,0 und 2,0 für alle in 3.3.2 be- schriebenen Speichertechnologien als batterieschonend betrachtet werden. Die zu erwar- tenden Laderaten ergeben sich direkt aus der Streckenlänge der oberleitungsfreien Ab- schnitte gegenüber den Abschnitten mit Fahrleitung. Bei einem sich ergebenden Strecken- verhältnis größer als 0,5 übersteigen die durchschnittlichen Ladestromraten die durch- schnittlichen Traktionsströme. Das heißt, es wären keine hochstromfähigen Batterien erfor- derlich und die Batterie wäre in Bezug auf ihren Energieinhalt zu groß bemessen. Nach Ermittlung der benötigten Speicherkapazität muss eine geeignete Ladestrategie für die angedachte Streckenkonfiguration bestimmt werden. Es gilt also für unterschiedliche C- Raten die zugehörigen Nachladezeiten zu bestimmen. Daraus ergibt sich dann, in Abhän- gigkeit der durchschnittlichen Fahrzeuggeschwindigkeit, das notwendige Verhältnis zwi- schen fahrleitungsfreien und elektrifizierten Streckenabschnitten. Jeweils gleiche Module der in Tabelle 4-5 dargestellten Batteriemodule lassen sich zu Bat- teriesystemen unterschiedlichem Energieinhalts zusammenfügen. Durch Parallelschaltung von drei Modulen des Typ 1 lässt sich bspw. die benötigte Speicherkapazität mit 73,2 kWh näherungsweise zusammenstellen. Im Folgenden wurden weitere mögliche Modulkombi- nationen untersucht. Die in den Abbildungen aufgeführten Nennenergien sind farblich un- terschieden und entsprechen folgenden Konfigurationen     3 Module vom Typ 1  Nennenergie 73,2 kWh (blau) 3 Module vom Typ 2  Nennenergie 91,8 kWh (gelb) 3 Module vom Typ 3  Nennenergie 105,9 kWh (grau) 6 Module vom Typ 1  Nennenergie 146,4 kWh (orange) Es ist zu erkennen, dass es nicht möglich ist, das Speichersystem mit 73,2 kWh Energiein- halt bei einer C-Rate von 1 im folgenden Fahrleitungsabschnitt wieder aufzuladen (siehe Abbildung 4-11). Lediglich die Speicherkombination aus 6 Modulen vom Typ 1 kann mit einer Laderate von 1 C schnell genug wieder aufgeladen werden. Allerdings sind dafür sehr hohe Ladeleistungen und ein sehr großer und schwerer Speicher erforderlich. Für den Re- gelbetrieb wäre das Batteriesystem deutlich zu groß dimensioniert. Abbildung 4-12 zeigt aber, dass alle untersuchten Speicherkombinationen mit einer Nach- laderate von 2 C (entspricht 72 kW Nachladeleistung) schnell genug wieder aufgeladen werden können. Die sich ergebenden benötigten elektrifizierten Abschnittslängen sind in allen zu untersuchenden Szenarien vorhanden. Da der Energieverbrauch eines Fahrzeugs Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

124 4 Technische Machbarkeit direkt proportional zur Fahrzeugmasse ist, stellt ein Speicher mit einer Kapazität von ca. 72 kWh für den Einsatz im Streckennetz Berlin Spandau die bestmögliche Auslegungsvari- ante dar. Abbildung 4-11: Ermittlung der notwendigen Laderate und des benötigten Fahrleitungs- überspannten Folgeabschnitts, nach [85] – Verlauf für 1 C Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

4 Technische Machbarkeit Abbildung 4-12 125 Ermittlung der notwendigen Laderate und des benötigten Fahrleitungs- überspannten Folgeabschnitts, nach [85] – Verlauf für 2 C Grundsätzlich erscheinen unter den gegebenen Voraussetzungen alle in 3.3.2 für HObusse verfügbaren Li-Speichertechnologien geeignet für den geplanten Einsatz in Berlin Spandau. Jedoch zeigen die Abbildung 4-11 und Abbildung 4-12, dass Energiespeicher benötigt wer- den, welche Nachladeraten größer/gleich 2 C aushalten können und gleichzeitig, wegen der verhältnismäßig großen benötigten Kapazität von ca. 72 kWh, eine relativ große Ener- giedichte aufweisen. In Abschnitt 3.3.2 wurde gezeigt, dass LTO-Batterien bei sehr hohen Nachladeraten von Vorteil sind und NMC-Batterien besonders geeignet sind, wenn große Energiedichten zur Bewältigung sehr langer Strecken gefordert sind. Die LFP-Batterie wird von vielen Batterie- busherstellern angeboten und ihre Vorzüge (thermische Stabilität, gute Energiedichte, gute Zyklenfestigkeit, moderate Hochstromfähigkeit und günstige Materialkosten) passen bes- tens zu den ermittelten Anforderungen. In den zu untersuchenden Szenarien wurde daher der Einsatz von HObussen mit ca. 72 kWh-LFP-Batteriesystemen unterstellt. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

126 4 Technische Machbarkeit 4.2 Elektrische Netzinfrastruktur Um die elektrische Infrastruktur im Simulationsprogramm zu modellieren, werden spezifi- sche elektrische Werte und die Struktur des Netzes benötigt. Die Struktur und die wesent- lichen Parameter werden in den Abbildungen und Tabellen der folgenden Unterkapitel dar- gestellt. Die resultierenden elektrischen Netzkonfigurationen wurden ingenieurtechnisch iterativ er- mittelt. Dabei wurde ausgehend von einer initialen frei gewählten Netzkonfiguration die not- wendige Anzahl und Position der Unterwerke, die Positionen der fahrleitungsbehafteten Abschnitte und die Anzahl und der Querschnitt der notwendigen elektrischen Leiter be- stimmt. Die jeweiligen Simulationsergebnisse wurden im Hinblick auf die technischen Be- wertungskriterien: - - - - Spannungshaltung Belastung der elektrischen Leiter und Betriebsmittel Kurzschlusserkennbarkeit und Ladezustand der Fahrzeugbatterien mit dem Ziel beurteilt, eine für die betrieblichen Erfordernisse optimale elektrische Netzkon- figuration für jedes untersuchte Szenario zu finden. 4.2.1 Unterwerke und Anschluss an die Strecke Die Positionen der Unterwerke wurden nach Absprache mit der BVG frei entlang der be- trieblichen Buslinien ausgewählt, da zum einen Mittelspannungsnetzanschlüsse, die für die Energieversorgung der Unterwerke notwendig sind, flexibel beim lokalen Energieversorger beantragt und gelegt werden können und zum anderen auch keine direkt verfügbaren Grundstücksflächen zur Aufstellung der Unterwerke zur Verfügung stehen. Damit erfolgte die Positionierung der Unterwerke rein aus betriebselektrischen Gesichtspunkten und unter Berücksichtigung der technischen Bewertungskriterien mit dem Ziel, eine möglichst geringe Anzahl an Unterwerken zu erreichen. Im Rahmen der nächsten Planungsschritte sind die konkreten Unterwerksstandorte genauer zu spezifizieren und die Anzahl sowie die techni- schen Bewertungskriterien bei Bedarf zu überprüfen. Unterwerke besitzen in der Simulation standardmäßig eine, an ausgewählten Standorten zwei Gleichrichtereinheiten, bestehend aus je einem Gleichrichtertransformator und einem Gleichrichter. Das Prinzip der Verschaltung ist in Abbildung 4-13 dargestellt. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

4 Technische Machbarkeit Abbildung 4-13: 127 Prinzipdarstellung der Unterwerks- und Fahrleitungsmodellierung in der Simulation Angeschlossen ist jeweils eine unterschiedliche Zahl von Speisebereichen, wobei die Spu- ren h und r eines Abschnitts (AB) standardmäßig querverbunden sind. Alle Speisekabel sind mit einer Sammelschiene (BB+) verbunden. Ebenso sind die Rückleiterkabel mit der Rückleitungssammelschiene (BB-) verbunden. Die Speisung erfolgt standardmäßig an die Leiter an der Spur h (Fahrleitungsspur mit aufsteigenden Richtungskilometern), eine Quer- kupplung zur Spur r (Fahrleitungsspur mit aufsteigenden Richtungskilometern) ist ebenfalls an der Anschlussstelle angeordnet. In der Mitte einer mit Fahrleitungen versehenen Strecke sind direkt am Unterwerk die Fahr- leitungen der auf- und absteigenden Streckenkilometer mit einem Streckentrenner elektrisch voneinander isoliert. Die Speisekabel befinden sich an den Enden der Stre- ckentrenner, wobei dieser in mit einer Länge von einem Meter im Simulationsmodell be- rücksichtigt ist. Bei einer längeren Fahrdrahtlücke (z. B. wegen einer Kreuzung) sind die Einspeisungen auf je einer Seite der Lücke angeordnet und die Streckentrenner aufgrund der schon bestehenden Unterbrechung nicht vorhanden. Ist vom Standort des Unterwerks gesehen nur auf einer Seite der Strecke Fahrleitung installiert, sind dort nur eine Einspei- sung und kein Streckentrenner vorhanden. Die Unterwerke werden in der Simulation einheitlich durch eine Leerlaufspannung von DC 845 V und sich aus den Leistungsdaten ergebenen Innenwiderständen modelliert. Durch die Speise- und Rückleitungskabel werden die Gleichrichtereinheiten mit der elektri- schen Netzinfrastruktur im Modell verbunden. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

128 4.2.2 4 Technische Machbarkeit Oberleitung, Kupplungsleitungen und Verstärkungsleitungen Für die Oberleitungen wurden pro Hin- und Rückleiter gängige Parameter angenommen. An oberleitungsfreien Kreuzungen wurden die angrenzenden Fahrleitungsbereiche mittels Kupplungsleitungen überbrückt für den Fall, dass dort kein Unterwerk steht, Während der Studie hat sich herausgestellt, dass für einige Oberleitungsbereiche Verstärkungsleitungen erforderlich sind. Diese Verstärkungsleitungen verlaufen parallel zu den Oberleitungen und sind mittels geringen Widerstands mit ihnen elektrisch verbunden. In Tabelle 4-6 sind die berücksichtigen Parameter der modellierten Leiter im Netzmodell aufgelistet. Für die Fahr- drähte wurde eine 20% Abnutzung unterstellt. Der Widerstand der elektrischen Leiter wurde für eine Temperatur von 60°C ermittelt und für die Dimensionierung zu Grunde gelegt. Tabelle 4-6: Leiter dell Daten der verwendeten elektrischen Leiter Netzmo- Beschreibung Material und Querschnitt resultieren- der Widerstand [Ω/km] H Fahrdraht (+) BRi100 (Cu 100 mm²) 0,247 R Fahrdraht (-) BRi100 (Cu 100 mm²) 0,247 H2 2. Fahrdraht (+) BRi100 (Cu 100 mm²) 0,247 R2 2. Fahrdraht (-) BRi100 (Cu 100 mm²) 0,247 HV Verstärkungsleiter (+) Cu 120 mm² 0,171 RV Verstärkungsleiter (-) Cu 120 mm² 0,171 LF-kkkk-mmnn+ Speisekabel mit „kkkk“ = Kür- zel des Unterwerks, „mm“ = AB-Nummer, nn = Spur u. ggf. Speisebereichsnummer Cu 400 mm² 0,051 RF-kkkk-mmnn- Rückleiterkabel mit „kkkk“ = Kürzel des Unterwerks, „mm“ = AB-Nummer, nn = Spur u. ggf. Speisebereichsnummer Cu 400 mm² 0,051 (keine Bezeich- nung) Längsverbinder über Fahr- drahtlücken Cu 120 mm² 0,171 (keine Bezeich- nung) Längsverbinder über Fahr- drahtlücken Cu 240 mm² 0,086 (keine Bezeich- nung) Querverbinder zwischen ver- schiedenen Spuren eines AB (H bzw. R) sowie zwischen H/HV bzw. R/RV einer Spur - 0,001 Ω je Verbinder, ein Verbinder alle 0,1 km Das Eindrahten der Busse ist nur an den Haltestellen mittels Fangtrichtern möglich. Daher beginnt die Oberleitung immer an einer Haltestelle. Das Abdrahten ist dagegen überall mög- lich, z. B. vor einer Kreuzung ohne Oberleitung oder wenn der Bus an der Kreuzung in einen Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

4 Technische Machbarkeit 129 fahrleitungsfreien Bereich abbiegt. Das Ende der Oberleitung im Modell wurde daher ent- weder vor einer Kreuzung oder ebenfalls an einer Haltestelle positioniert. 4.3 Entwickelte Szenarien 4.3.1 Vorgehen Zunächst wurde eine Variante mit einem sehr hohen Fahrleitungsanteil für das Netz Span- dau als Grundlage für die Analyse der elektrischen Ergebnisse und die sich daraus erge- bene Iteration für die mögliche Reduktion der fahrleitungsgebundenen Abschnitte erstellt. Für diese Maximalvariante mit dem höchsten Elektrifizierungsgrad (Szenario A) wurde eine elektrische Netzkonfiguration ermittelt, die ohne Weichen- oder Kreuzungselemente in der Fahrleitung auskommt und auch für die Bereiche um das Schloss Charlottenburg und die Alstadt Spandau einen batterieelektrischen Betrieb vorsieht. Das Szenario A dient als Aus- gangspunkt für die technische und wirtschaftliche Machbarkeit, stellt allerdings als solches kein für die Durchführung umzusetzendes Szenario dar und wird daher in der Ergebnisdar- stellung nicht explizit detailliert dargestellt. Ausgehend von Szenario A wurde eine elektrische Netzkonfiguration mit einem möglichst geringen Anteil an Fahrleitung abgeleitet (Szenario B). Die Anzahl der Unterwerke und die weitere elektrische Ausrüstung wurden entsprechend reduziert, außerdem wurden an eini- gen Orten geographisch naheliegende Unterwerke zu jeweils einem Standort zusammen- gefasst. Schließlich wurden einige Ladepunkte an Endhaltestellen hinzugefügt, um den La- destand der Batterie bei längerem Aufenthalt der Fahrzeuge beibehalten bzw. erhöhen zu können. Dabei besteht ein Ladepunkt aus einem kurzen Stück Oberleitung, welche aus dem nächsten Unterwerk mit einem eigenen Speise- und Rückleiterkabel angeschlossen wird und auch eigene Leistungs- und Trennschalter besitzt. Das Szenario C ist von Szenario B abgeleitet und berücksichtigt, dass einzelne Buslinien perspektivisch gemäß dem Nahverkehrsplan 2019-2023 durch einen Straßenbahnbetrieb ersetzt werden sollen. Im Bereich Spandau betrifft es die Achsen Paulsternstraße-Garten- feld-Wasserstadt-Rathaus Spandau-Heerstraße Nord und Rathaus Spandau-Falkenhage- ner Feld. Durch die im Vergleich zum Bus notwendige Schieneninfrastruktur wird von län- geren Planungs- und Realisierungszeiträumen für das schienengebundene System ausge- gangen. Der Betrieb der Linien 136, 236 und X36 sowie 137 und M37 wird für das Szenario C nicht mehr berücksichtigt. Daraus ergibt sich eine Reduktion der betrieblichen Strecken- kilometer auf 200 km bzw. auf 85 % im Vergleich zu den Szenarien A und B. Analog dazu wurden Fahrleitungsbereiche und Unterwerke reduziert. Auf die technischen Möglichkeiten des Parallelbetriebs von Straßenbahn und HObus wurde im Grundlagen Kapitel eingegan- gen. Es wird empfohlen die technische und wirtschaftliche Machbarkeit zu prüfen und die Planung von Straßenbahn und HObus zu synchronisieren, da insbesondere Unterwerke / Unterwerksstandorte von beiden Systemen gemeinsam genutzt werden können. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

130 4.3.2 4 Technische Machbarkeit Szenario A - Gesamtnetz und hoher Elektrifizierungsgrad Die Länge des untersuchten Streckennetzes beträgt ca. 125 km (davon 110 km in Doppel- richtung und 15 km in Einzelrichtung), woraus sich ein betriebliches Netz von 235 km ergibt. Das Szenario sieht vor, 95 Streckenkilometer doppelspurig und 7 Streckenkilometer ein- spurig mit Fahrleitung zu versehen. Somit werden insgesamt 197 km des betrieblichen Net- zes elektrifiziert, was einem Fahrleistungsanteil von 84 % entspricht. Die Positionierung der Unterwerke wurde zunächst anhand der Lage der Endhaltestellen sowie der Kreuzungen vorgenommen, danach wurden weitere Unterwerke entlang der Ab- schnitte, jeweils etwa alle 1,5 km bis 2,0 km voneinander entfernt. Die sich ergebene Netz- konfigurationen wurde anschließend mittels elektrischer Netzsimulation simuliert und hin- sichtlich der technischen Bewertungskriterien analysiert. Auf Basis dieser Analyse wurden die Netzkonfigurationen adaptiert, bis eine finale den Bewertungskriterien entsprechende Netzkonfiguration gefunden wurde. Die tabellarische Darstellung einer finalen Netzkonfiguration mit den Oberleitungsberei- chen, den Bereichen mit Verstärkungsleitungen und den Bereichen mit doppelter Fahr- drahtausführung erfolgt in Kapitel 10.2.1. Zur Übersicht sind die elektrifizierten Abschnitte mit Oberleitung für das Szenario A in Abbildung 4-14 dargestellt. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

4 Technische Machbarkeit Abbildung 4-14: 131 Übersichtsplan Szenario A Für Szenario A werden abschnittsspezifisch verschiedene Mastkonfigurationen für die Fahrleitung vorgeschlagen (siehe Abbildung 4-15) Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

132 Abbildung 4-15: 4 Technische Machbarkeit Übersicht Bereiche verschiedener Mastkonfigurationen, Szenario A In Tabelle 10-8 in Kapitel 10.2.1 ist die mögliche Lage der Unterwerke, die Positionierung der Speise- bzw. Rückleiterkabelanschlüsse und die Länge der Kabel zusammengetragen. In Tabelle 10-9 die vorgesehene Anzahl und die Nennwerte der Gleichrichtereinheit unter- werksspezifisch dargestellt. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“