20 3 Grundlagen und Leistungsdichte von Dieselkraftstoff, große Reichweiten realisieren kann. Die hohe Fle- xibilität bezüglich des Einsatzprofils der Fahrzeuge ermöglicht zudem zeitnahe betriebliche Anpassungen auch bei außergewöhnlichen Vorkommnissen. Fernab all der genannten positiven Argumente für den Dieselbus-Betrieb bleiben die Ab- hängigkeit vom fossilen, nicht erneuerbaren Energieträger, die lokalen Schadstoffemission und der schlechte Wirkungsgrad des Dieselmotors. Zusätzliche Infrastrukturkosten zur Sicherstellung der Energieversorgung der Busse müs- sen vom Betreiber kaum aufgebracht werden und der Herstellungsprozess kann als kos- tengünstig bezeichnet werden. Die Preisstabilität ist natürlich abhängig von der Erschließ- barkeit weiterer Vorkommen. Die meisten der genannten Vorteile gelten ebenfalls für diesel-hybride Fahrzeuge. Durch die Kombination aus Elektromotor und Dieselmotor im Zusammenspiel mit einem mitge- führten Energiespeicher können jedoch zielgerichtet die Nachteile des konventionellen Die- selbusses reduziert werden. Genannt werden müssen hierbei die Verringerung des Gesam- tenergieverbrauchs um ca. 10% in Folge der Möglichkeit, Teile der Bremsenergie zu reku- perieren und die Reduktion lokaler Emissionen. Hinzu kommen die Reduktion der Lärmemission und die Verbesserung des Fahrkomforts im niedrigen Drehzahlbereich. Diese Vorteile „kauft“ man durch eine in etwa Verdoppelung der Beschaffungskosten, einer schlechteren Verfügbarkeit, da der Antriebsstrang zusätzliche Elemente enthält und einen verminderten Fahrgastraum, da die Traktions-Batterie mitgeführt werden muss. Ein weite- rer Nachteil ist, dass die zu erwartenden Batterielebensdauern momentan nicht den Fahr- zeuglebensdauern entsprechen und deswegen im Fahrzeuglebenszyklus erneuert werden müssen. In der an [76] angelehnten Tabelle 3-1 sind die Vor- und Nachteile des Dieselbussystems abschließend zusammengefasst. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen Tabelle 3-1: 21 Vor- und Nachteile von Dieselbus- und Diesel-Hybridbus-Systemen, nach [76] Vorteile: Technisch:  Höchste Reichweite aller punktuell nachladbaren Antriebssysteme  Kürzeste Betankungsdauer  Hybridbusse können in eigenen Speicher rekuperieren Ökonomisch:  Geringste Investitionskosten  Infrastruktur normalerweise vorhanden  Keine Zusatzkosten für Schulung, Instandhaltung etc. Ökologisch:  Konventioneller Diesel hat eine gute Prozessökobilanz Nachteile: Technisch:  Unstetige Anfahrzugkraft beim konventionellen Diesel  Geringerer Fahrkomfort aufgrund Motorvibration und -geräusch  Höherer Verschleiß des Antriebsstrangs gegenüber E-Motor  Schlechter Motorwirkungsgrad  Mäßiger Fahrzeugwirkungsgrad  Diesel-Hybrid: Lebensdauer des Energiespeichers Ökonomisch:  geringere Fahrzeuglebensdauer gegenüber Elektrobussen  höhere Kosten für Primärenergie  Fahrzeuginvestitionskosten für Hybridfahrzeuge  Erhöhter Wartungsaufwand  Hybrid-Fahrzeug: Wiederbeschaffungskosten der Energiespeicher Ökologisch:  Hohe lokale Emissionswerte  Erhöhte globale Emission  Hohe Lärmemission Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

22 3 Grundlagen 3.2.2 Technischer Hintergrund von Elektro-Bus-Systemen 3.2.2.1 Elektrische Traktion Für die Wandlung der elektrischen Energie in kinetische Energie werden in Elektrobussen meist Asynchronmaschinen oder permanenterregte Synchronmaschinen (beides Dreh- strommotoren) verwendet. Diese haben ein sehr gutes Masse-Leistungs-Verhältnis und der Wartungsaufwand ist vernachlässigbar gering. Die Ausführung des Stators mit jeweils 120° phasenversetzt angeordneten Wicklungen beider Maschinen ist nahezu identisch. Hinsicht- lich der Gestaltung des Läufers unterscheiden sich die Maschinen aber grundsätzlich. Asynchronmotoren induzieren in einen kurz geschlossenen Läufer ein Drehfeld, welches sich hinsichtlich der Drehzahl vom speisenden Ständerdrehfeld, Schlupf bedingt, unter- scheidet (asynchrones Verhalten). Dagegen bilden permanenterregte Synchronmaschinen durch Nutzung starker Magnete ein permanentes, dem Ständerdrehfeld synchrones Läu- ferfeld aus. Die nötige Drehspannung wird auf den Fahrzeugen in IGBT-Wechselrichtern, üblicherweise mit konstanter Zwischenkreisspannung, erzeugt. Aus den Unterschieden im Aufbau des Läufers ergeben sich spezifische Vor- und Nachteile im Betriebsverhalten. In Tabelle 3-2 sind diese übersichtlich zusammengefasst. Tabelle 3-2: Vergleich von Asynchron- und permanenterregter Synchronmaschine, nach [78] Nachteile Vorteile Kurzschlussläufer Asynchronmotoren - - - - - Einfacher / robuster Aufbau Einfache Regelung Einfaches Schutzkonzept Günstigere Beschaffungskosten Einfachere Fertigung - - Wirkungsgrad im Nennpunkt Rotorverluste bei geringer Dreh- zahl  Erwärmung Masse-Leistungs-Verhältnis nicht so kompakt weniger kompakt als PSM - - Permanenterregte Synchronmotoren - - - - - - - - - - Geringe Rotorverluste Wirkungsgrad im Nennpunkt besseres Masse-Leistungs-Verhält- nis geringere Masse geräuscharm Regelung erfordert Polradlagegeber komplexere Schutztechnik Hoher Blindstromanteil bei hoher Drehzahl Zusatzverluste wegen erforderlicher Feldschwächung im Leerlauf Material- / Produktionskosten Die von allen Elektrobussen benötigte Gleichspannung kann entweder aus der Oberleitung, einem Energiespeicher oder aus alternativen Energiequellen bezogen werden. Abbildung 3-1 zeigt eine typische Konfiguration des Traktionskreises eines Obusses. Die Speisung des Fahrmotors erfolgt über einen IGBT-Sechspuls-Wechselrichter, welcher aus Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 23 dem kondensatorgestützten Gleichspannungs-Zwischenkreis die benötigte Wechselspan- nungsamplitude und Frequenz erstellt. Der Aufbau der Regelung ist sowohl für Fahrzeuge geeignet, die von Asynchronmotoren angetrieben werden als auch für permanenterregte Synchronantriebe. Der Antrieb durch Elektromotoren hat gegenüber der Ausführung Dieselmotor mit mecha- nischer Kraftübertragung den Vorteil, dass sich Drehmoment und Drehzahl des Traktions- antriebes frei einstellen lassen. Zusätzlich können die Motoren im Bremsvorgang genera- torisch betrieben und die entstehende Energie zurückgespeist oder in einer mitgeführten Batterie gespeichert werden. Da Batterien zum Laden mit Gleichspannung versorgt werden müssen, wird das Batterie- system, wie in Abbildung 3-2 dargestellt, üblicherweise an den Zwischenkreis angeschlos- sen. Für eine flexible, über viele Freiheitsgrade regelbare Speichersteuerung werden nor- malerweise bidirektionale DC/DC-Wandler (Abbildung 3-3) eingesetzt. So lässt sich die Speicherspannung unabhängig von der Zwischenkreisspannung einstellen. Weitere Erläu- terungen zur Steuerung der leistungselektronischen Stellglieder und verfeinerter DC/DC- Wandler-Topologien finden sich in der Fachliteratur [86], [87] und [88]. Abbildung 3-1: Prinzip des Traktionskreises von Obussen Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

24 Abbildung 3-2: Abbildung 3-3: 3 Grundlagen Prinzip des Traktionskreises von HObussen (Obus mit Energiespeicher) Prinzip des Ladestellers für den Energiespeicher Da die maximale Traktionsleistung erst ab Erreichen der Übergangsgeschwindigkeit benö- tigt wird und dies im Stadtverkehr aufgrund kurzer Haltestellenabstände nur kurzzeitig der Fall ist, zeigt sich, dass Bordnetzverbraucher einen beträchtlichen Anteil am Gesamtener- gieverbrauch haben. Speziell bei ungünstigen Witterungsbedingungen steigt der Energie- bedarf erheblich an. Betriebserfahrungen verschiedener Betreiber zeigen, dass der Gesam- tenergiebedarf an einem strengen Wintertag bis um mehr als 80 % ansteigen kann. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 25 Außer bei Obussen mit kontinuierlicher Energieversorgung muss der beachtliche Einfluss der Bordnetzverbraucher im Auslegungsprozess der Fahrzeugenergiespeicher berücksich- tigt werden. Beispielsweise in [79] wird daher für eine unbestimmte Übergangszeit die Nut- zung einer Brennstoffheizung in Batteriebussen gefordert, da andererseits die erzielbaren Fahrzeugreichweiten für den ÖPNV unbefriedigend sind. 3.2.2.2 Elektrische Energieerzeugung und -bereitstellung Der Primärenergiebedarf eines Elektrobusses hängt, bezüglich Effizienz und Schadstoff- emission, direkt von der Art der Energieerzeugung ab. Um im Folgenden konventionelle dieselbasierte und verschiedene elektrische Antriebskonzepte energetisch miteinander ver- gleichen zu können, ist eingangs die Beschäftigung mit der Wirkungsgradkette elektrischer Energieversorgung erforderlich. Die in Tabelle 3-3 aufgeführten mittleren Wirkungsgrade unterschiedlicher Kraftwerkstypen zeigen zunächst die Effizienz unterschiedlicher Energieerzeuger. Der Wirkungsgrad be- zieht sich auf den eingesetzten „Rohstoff“, wobei kommerziell die unterschiedlichen Kosten des „Rohstoffs“ zu berücksichtigen sind. Der schlechte Wirkungsgrad von Solaranlagen wird durch die kostenlose Bereitstellung der Sonneneinstrahlung kompensiert. Tabelle 3-3: Physikalischer Wirkungsgrad von Energieerzeugungssystemen, nach [76] Bauart Wirkungsgrad Solarkraftwerk 0,15 0,15…0,2 Photovoltaikanlage Wasserkraftwerk 0,85 0,50…0,42 Thermisches Kraftwerk Gas und Dampf-Kraftwerk > 0,55 Kernkraftwerk 0,33…0,36 Windkraftanlagen 0,40…0,45 Übertragen und verteilt wird die Energie über Höchst-, Hoch- und Mittelspannungsnetze. Einschließlich der notwendigen Umspannvorgänge sind die Übertragungsverluste gering. In der ProBas-Datenbank des Umweltbundesamtes finden sich bspw. die nachstehenden Effizienzangaben (Tabelle 3-4). Tabelle 3-4: Effizienz unterschiedlicher Freileitungsanlagen, nach [76] Spannungsebene Eigenschaften Einheit 30 kV 150 kV 400 kV Leistung [MW] 15 60 900 Verluste [%/100 km] 2,00 0,44 0,33 Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

26 3 Grundlagen Spannungsebene Eigenschaften Einheit 30 kV 150 kV 400 kV Länge [km] 50 100 300 Gesamtverluste [%] 1,00 0,44 0,99 Gesamtwirkungsgrad [%] 99,00 99,56 99,01 Nicht betrachtet werden an dieser Stelle der Einfluss der Trassenlängen, die Netzverma- schung und die Verluste in Folge der tatsächlich fließenden Ströme. Nach [76] kann der Gesamtwirkungsgrad der Kette 380 kV – 150 kV – 6 kV mit 96% und für die Kette 380 kV – 150 kV – 6 kV – 0,4 kV mit 94% angenommen werden. 3.2.3 Oberleitungsbus Wirkungsgrad der Energieversorgung:   0,34 (Kraftwerk – Fahrzeug) 0,93 (Eingang Unterwerk – Fahrzeug) Fahrzeugwirkungsgrad:  0,855 (bei direkter Speisung des Antriebs aus der Oberleitung) Energieverbrauch:  rund 2,4 kWh/km (mit Möglichkeit der Rekuperation) Verfügbarkeit:  vergleichbar einem konventionellem Dieselbus Lebensdauer:   Fahrzeuge: 15-20 Jahre Infrastrukturanlagen: mindestens 30 Jahre Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen Abbildung 3-4: 27 Prinzip der Energieübertragung beim Obus ohne fahrleitungsfreie Ab- schnitte, eigene Darstellung, nach [76] Der Oberleitungsbus (Obus) ist nach heutigem Stand das einzige System, welches einen vergleichbaren technischen Reifegrad besitzt wie der Dieselbus. Die Energieübertragung beim klassischen Oberleitungsbus erfolgt konduktiv und kontinuierlich über die zweipolige Fahrleitung. Dies ist notwendig, da im Gegensatz zur Schienenbahn die Fahrbahn nicht die Funktion der Rückleitung übernehmen kann. Die Gesamtsystemverluste der Übertragung ergeben sich aus den in Abbildung 3-4 ange- gebenen Verlusten der Teilsysteme. Innerhalb des Systems gibt es keine Begrenzungen der Reichweite, jedoch sind die Fahr- zeuge hinsichtlich der betrieblichen Freiheitsgrade an das Fahrleitungsnetz gebunden. Der Zwang, die Fahrleitung zweipolig auszuführen und die U-förmig ausgeführten Schleif- stücke der Stromabnehmer führen zu aufwendigen und optisch auffälligen Weichen und Kreuzungen in der Fahrleitung. Durch Einsatz eines Energiespeichers an Bord der Fahr- zeuge können Abzweige, Kreuzungen oder Streckenabschnitte, wo eine Elektrifizierung aufwändig oder aus ästhetischen Gründen unerwünscht ist, fahrleitungsfrei ausgeführt wer- den. [15] [16] Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

28 3 Grundlagen Tabelle 3-5: Vor- und Nachteile von Oberleitungsbussen mit ausschließlicher Versor- gung aus der Fahrleitung, nach [76] Technisch: Vorteile     Hohe bereitstellbare Leistung (für Traktion und Nebenverbraucher) Hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung Hohe Drehmomente über den gesamten Drehzahlbereich Möglichkeit zur Rekuperation von Bremsenergie Ökonomisch:   Hohe Lebensdauer von Anlagen und Fahrzeugen Geringer Energieverbrauch der Fahrzeuge (Rekuperation und keine Ener- giequelle an Bord) Ökologisch:   Reduzierte lokale Schadstoffemission Reduzierte Lärmemission Nachteile Technisch:   Notwendigkeit der doppelten Isolation des Fahrzeuges  Kosten Begrenzung der betrieblichen Freiheitsgrade durch Spurzwang Ökonomisch:   Hoher Investitionsaufwand für die Infrastrukturanlagen Hoher Investitionsaufwand für die Fahrzeuge Ökologisch/Optisch:  3.2.4 Beeinflussung des Stadtbildes durch Oberleitungsanlagen Hybridoberleitungsbus (Streckenlader) Wirkungsgrad der Energieversorgung:   0,34; vom Kraftwerk zum Fahrzeug 0,93; vom Eingang des Unterwerks zum Fahrzeug Fahrzeugwirkungsgrad:   0,855; bei direkter Speisung des Antriebs aus der Oberleitung 0,75 – 0,70; bei Speisung des Antriebs aus der Batterie, unter Berücksichtigung des Lade- und Entladewirkungsgrads Energieverbrauch:  Für 18 m- Gelenkbusse rund 3,0 kWh/km Lebensdauer:   Fahrzeuge: 15-20 Jahre (vergleichbar mit dem Obus) Infrastrukturanlagen: mindestens 30 Jahre Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen Abbildung 3-5: 29 Prinzip der Energieübertragung beim HObus mit abschnittsweise Fahr- leitungsfreien Abschnitten, eigene Darstellung, nach [76] Wie schon oben angeführt ist es möglich, einen Oberleitungsbus mit einem leistungsfähigen Energiespeicher auszurüsten. Damit besteht die Möglichkeit, nicht elektrifizierte Abschnitte mit dem Obus zu erschließen beziehungsweise den Infrastrukturbedarf in zu elektrifizieren- den Abschnitten zu reduzieren (Verzicht auf Weichen und Kreuzungen). Zudem ergeben sich für den Betrieb zusätzliche Freiheitsgrade, sodass beispielsweise Baustellen und Staus umfahren werden können. Begrenzt wird die gewonnene Flexibilität durch den An- drahtvorgang. Dieser ist heute bereits im Stillstand mit Hilfe von Trichtern automatisch mög- lich, jedoch verliert man einige Sekunden Zeit und das Fahrzeug muss in einer bestimmten Position stehen. So sind beispielsweise Überholvorgänge schwierig zu realisieren, wenn nur punktuell angedrahtet werden kann. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie