32 3 Grundlagen Tabelle 3-7: Vor- und Nachteile von Elektrobussen mit punktueller, automatisierter Nachladung, nach [76] Technisch: Vorteile      Hoher betrieblicher Freiheitsgrad des Fahrzeugs Hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung Verteilter Antrieb mit hohem Drehmoment möglich Möglichkeit zur Rekuperation von Bremsenergie in den Speicher Doppelte Isolation entfällt, da das Fahrzeug beim Laden über ein Kontakt- system geerdet werden kann Ökonomisch:    Hohe Lebensdauer von Anlagen und Fahrzeugen Signifikant reduzierte Infrastrukturkosten gegenüber Obussystemen Geringer Energieverbrauch der Fahrzeuge (Rekuperation) Ökologisch:    Reduzierte lokale Schadstoffemission Reduzierte Lärmemission Stark reduzierte optische Beeinflussung des Stadtbildes Technisch:   Nachteile   Erhöhte Ladeverluste durch erhöhte Ladeleistungen (Wärme) Elektrisches Heizen des Fahrgastraums aus der Batterie reduziert die Reichweiten erheblich Schnellladung erhöht Verluste im Speicher (Wärme – Kühlung notwendig) Schnellladung erschwert bei hohen Umgebungstemperaturen Ökonomisch:    Hohe Infrastrukturkosten gegenüber Dieselsystem Hohe Fahrzeugbeschaffungskosten Lebensdauer der Batterie entspricht nicht der Lebensdauer der Fahrzeuge – Wechsel erforderlich Ökologisch/Optisch:  3.2.5.2 „ökologischer Fußabdruck“ durch zusätzlich benötigte Komponenten und große Speicher schlechter als beim Dieselbussystem Übernachtlader Als „Übernachtlader“ (mitunter auch „Volllader“ oder Depotlader genannt) werden jene Bat- teriebusse bezeichnet, die zum Nachladen des Energiespeichers die nächtliche Betriebs- pause nutzen. Die Ladeinfrastruktur kann bei diesem Konzept auf Nachladeeinrichtungen in den Betriebshöfen beschränkt werden. Entlang der zu befahrenden Strecken werden keine zusätzlichen Ladeeinrichtungen benötigt. Die Nachladung des Energiespeichers kann zum Beispiel erfolgen    per Kabel (Bodenelektranten oder Überkopfaufhängung des Steckers), mit speziellen leistungsfähigen Pantographensystemen, bei HObussen über die konventionellen Stromabnehmer (Ladeleistung sehr be- grenzt). Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 33 Bei ausreichender Standzeit kann die Nachladung „lebensdauerfreundlich“ mit geringer C- Rate erfolgen. Falls die Standzeit ausreicht, ist zur Reduktion der Anschlussleistung auch eine zeitlich versetzte Ladung von Fahrzeuggruppen möglich. Mit der Installation eines intelligenten Flotten-Batteriemanagements ist es somit möglich, die speisenden Netze moderat und kontinuierlich (ohne Spitzen) zu belasten. Jedoch werden für Übernachtlader große (schwere) Energiespeicher an Bord der Fahr- zeuge benötigt, da die erneute Ladung erst in der nächsten Betriebspause erfolgen kann. In Beispielprojekten wurden Speicher bis zu 300 kWh auf den Fahrzeugen installiert [95]. Die Energiedichte heutiger Batterien begrenzt die an Bord speicherbare Energie. Dieses Konzept ist somit vor allem für den Einsatz auf Linien mit geringem Tagesenergiebedarf anwendbar. Mit der momentan verfügbaren Speichertechnologie sind damit, innerhalb der Grenzen der Tragfähigkeit der Fahrzeugrahmen, Reichweiten von etwa 200…300 km mög- lich. [17],[94], [95], [96] Bei Unternehmen mit kurzen Betriebspausen wegen ausgedehntem Nachtverkehr und star- ker Frühspitze reduziert sich die verfügbare Ladezeit entsprechend. Dies führt zu höheren Ladeströmen und damit zu einem Bedarf an leistungsfähigerer Ladeinfrastruktur einschließ- lich leistungsfähigem Netzanschluss und letztlich auch zu geringerer Batterielebensdauer. 3.2.5.3 Gelegenheitslader Gelegenheitsladung (opportunity-charging) bedeutet, dass der Energiespeicher nicht nur in den Betriebspausen im Betriebshof nachgeladen wird, sondern auch an den Endhaltestel- len bzw. an Haltestellen mit längeren Wartezeiten. Auch Systeme zur Schnellladung sind bereits in der Erprobung bzw. im Praxiseinsatz. Die Vorteile hierbei sind, dass bei richtiger Dimensionierung des Energiespeichers eine deutlich größere Reichweite möglich ist oder der Energiespeicher kleiner ausgelegt werden kann. In Beispielprojekten wurden Speicher zwischen 60 und 160 kWh auf den Fahrzeugen installiert [95]. Damit können pro Tag Reich- weiten bis etwa 300 km erreicht werden. Die Ladeleistungen sind höher gegenüber der „Übernachtladung“ im Depot und kann induktiv (bis zu 200 kW) oder konduktiv über Panto- graph (bis zu 500 kW) erfolgen [94], [95]. Nachteilig bei diesem Konzept ist der Bedarf an zusätzlicher Ladeinfrastruktur im Liniennetz (Gleichrichterstation und Übertragungstech- nik), der mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. Betriebserfahrungen aus bereits realisier- ten Projekten zeigen, dass diese Technik für Netze mit mittleren Verkehrsaufkommen und ausreichend langen Wendezeiten an Endhaltestellen geeignet ist. [18] [19] Der in Kapitel 3.2.4 erwähnte HObus kann auch als spezielle Form des Gelegenheitsladers aufgefasst werden, da er die nur abschnittsweise verfügbare Fahrleitung zur Nachladung des Speichers nutzt. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

34 3.2.5.4 3 Grundlagen Elektrobusse mit punktueller nicht automatisierter Nachladung Steckerbasiert nachzuladende Fahrzeuge können als Depotlader oder Gelegenheitslader betrieben werden. Jedoch sind sie für Schnellladekonzepte aufgrund der limitierten, über- tragbaren Leistungen ungeeignet. Typische, heute verfügbare Ladestationen können Leis- tungen DC zwischen 90 kW und 170 kW (typischerweise 600V/150A, 400V/250A oder 400V/425A) übertragen [76]. Die Ladegeräte können bei diesem Konzept entweder fahr- zeugseitig mitgeführt werden oder in den externen Ladegeräten untergebracht werden. Letztgenannte Ladegeräte werden normalerweise an 400 V Drehstrom angeschlossen. In [79] wird darauf hingewiesen, dass das Nachladen mit Steckern grundsätzlich nicht ma- nipulationssicher ist und bei fehlender Verriegelung durch Dritte unterbrochen werden kann (allerdings besteht keine Gefährdungsgefahr). Steckerbasierte Lösungen lassen sich nicht automatisieren. Zudem unterliegen die Lade- kabel einem erhöhten Verschleiß und sie sind, wenn die Stecker gekühlt werden müssen (wenn hohe Ladeleistungen vorgesehen sind), sehr schwer. 3.2.6 Gefäßgrößen Nachfolgend werden für einen Single 12-m-Bus, einen Gelenkbus, einen Doppelgelenkbus und einen Doppelstockbus Angaben zu deren ungefähren Sitz- und Stehplatzkapazitäten (für 4 bis 6 Personen/m²) laut verschiedener Hersteller und der Gesamtplatzanzahl im Be- trieb getroffen. Dabei variieren die Angaben je nach Hersteller und dienen daher nur als Orientierungsgröße. Für die Berechnung spezifischer wirtschaftlicher Größen wird mit dem Wert der Gesamt- platzkapazität gerechnet (letzte Zeile der Tabelle 3-8). Für den Doppelgelenkbus wird ein zusätzlicher Wert von 156 Plätzen für die Berechnung der spezifischen Annuität zu Grunde gelegt. Tabelle 3-8: Platzkapazitäten für verschiedene Bussysteme (nach [14], [15], [17]) Single 12 m Gelenkbus Doppelgelenkbus Doppelstockbus Sitzplätze [Hersteller- angabe] 26 - 34 44 - 47 56 - 60 70 - 83 Stehplätze [Hersteller- angabe] 36 - 44 52 - 55 94 - 127 10 - 30 70 99 130 80 - 113 Gesamt [Betrei- beran- nahme] Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 35 Es ist zu erkennen, dass der Doppelgelenkbus eine erheblich größere Fahrgastkapazität gegenüber allen anderen Gefäßgrößen besitzt. Das Verhältnis des Aufwands Fahrer/Fahr- gästen ist somit günstiger. Dies wird erkauft durch einzelne Nachteile:    großer Wendekreis bzw. eingeschränkte Manövrierfähigkeit im öffentlichen Stra- ßenraum (damit Einschränkung der betrieblichen Einsatzfähigkeit bei Umleitungen, Festlegung auf bestimmte Strecken u.Ä.), Werkstätten müssen speziell zugeschnitten werden (längere Arbeitsstände, Anord- nung von Arbeitsständen ist nur im Durchlaufverfahren möglich, Anpassung von Kurvenradien), für den Betrieb von Doppelgelenkbussen ist eine Ausnahmegenehmigung erforder- lich (StVZO. B. III §34) Der Doppelstockbus hat betriebliche Einschränkungen, die durch seine Höhe bestimmt sind, z.B. die Durchfahrt durch Brücken. Die Kompatibilität des Oberleitungs-Doppelstock- busses mit Fahrleitungen wird in Kapitel 3.4.6.2.3 betrachtet. 3.3 Elektrische Energiespeicher 3.3.1 Kenngrößen von Akkumulatoren Bevor im Folgenden Energiespeicher miteinander verglichen werden, sollen an dieser Stelle die wichtigsten Kenngrößen und Begriffe im Zusammenhang mit Sekundärbatterien erläutert werden. 3.3.1.1 Spannungen Die Spannung von galvanischen Zellen ist abhängig von der Art der Elektroden, des Elektrolyts, sowie der Temperatur. Die aktuell nutzbare Spannung ergibt sich aus dem La- dezustand und der Zeit seit dem letzten Aufladen (aufgrund der Selbstentladung). Entladespannung Die Entladespannung beschreibt die minimale Spannung bis zu welcher ein Akkumulator betrieben werden darf. Die Nichteinhaltung dieser, vom Hersteller angegebenen Grenze, führt in der Regel zu irreparablen Schäden. Ladeschlussspannung Die Ladeschlussspannung beschreibt die maximale Spannung, die an einem Akkumulator angelegt werden darf. Das Überschreiten dieser, ebenfalls vom Hersteller angegebenen Grenze führt ebenfalls zu irreparablen Schäden bis hin zur Selbstentzündung des Akkus. Nennspannung Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

36 3 Grundlagen Die Nennspannung ist ein spezifischer Wert, mit dem die mittlere Entladespannung im Be- trieb einer Batteriezelle angegeben wird. Die Nennspannung eines Akkublocks ergibt sich aus der Summe der miteinander in Reihe geschalteten Batteriezellen. Tabelle 3-9: Nennspannungen häufig verwendeter Zelltypen Zellentyp Nennspannung Nickel-Metallhydrid 1,2 V Blei-Bleioxid 2,0 V Lithium-Titanat 2,3 V Lithium-Eisenphosphat 3,2 V – 3,3 V Lithium-Ionen 3,7 V Lithium-Polymer 3,7 V Ruhespannung Die Ruhespannung entspricht der messbaren Spannung über den Klemmen der unbelas- teten Batterie. Der maximal messbare Wert wird nach einem vollständigen Aufladeprozess erreicht. Aufgrund der unvermeidlichen Selbstentladung von Batterien sinkt der Wert mit zunehmender Zeit ab. Bei Li-Ionen Batterien besteht beispielsweise ein proportionaler Zu- sammenhang zwischen messbarer Ruhespannung und aktuellem Ladezustand (State of Charge, SoC). 3.3.1.2 Innenwiderstand Der Innenwiderstand ist eine wichtige Systemgröße zur Beschreibung der Belastbarkeit ei- ner Batterie, da sie zur Bestimmung der (aktuell) maximal verfügbaren Leistung benötigt wird. Die vom Innenwiderstand verursachten Verluste steigen quadratisch mit dem fließen- den Strom an und werden in Wärme umgewandelt. Die messbare Klemmspannung über der Batterie ergibt sich durch Subtraktion aus Ruhespannung und Spannungsfall über dem Innenwiderstand. 3.3.1.3 Kapazität und C-Rate Die Kapazität beschreibt, wieviel Strom der Akku über einen bestimmten Zeitraum abgeben kann und wird in Amperestunden angegeben. Die Kapazität einer Batterie wird üblicher- weise über einen Zeitraum von fünf Stunden ermittelt. Wird beispielsweise für einen Akku eine Kapazität von 1 Ah angegeben, bedeutet dies, dass diese für fünf Stunden einen Strom mit 0,2 A liefern kann. Die tatsächlich abrufbare Leistung ergibt sich dann durch Multiplika- tion mit der aktuellen Klemmenspannung. Batterieentwickler streben normalerweise eine Steigerung der Kapazität bei gleichbleiben- den Batteriegrößen an. Dabei wird aber oft ein Anstieg des Innenwiderstands akzeptiert. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 37 Zudem wird die verfügbare Kapazität durch den maximalen Entladestrom begrenzt. Einen schnellen Überblick über die tatsächliche Belastbarkeit und Schnellladefähigkeit erhält man durch die angegebenen C-Raten. C-Rate = (Ent-)Ladestrom / Nennkapazität des Speichers Der Batteriehersteller definiert, mit welcher C-Rate eine Batterie maximal geladen bzw. ent- laden werden darf. Die C-Rate für das Entladen ist allgemein um ein Vielfaches größer als die C-Rate für das Laden. 3.3.1.4 Energiedichte Die Energiedichte wird zwischen volumetrischer und gravimetrischer Energiedichte unter- schieden. Die gravimetrische Energiedichte beschreibt, wieviel Energie pro Masse der Batterie ge- speichert werden kann. Sie wird in Wattstunden pro Kilogramm angegeben. Je höher die Energiedichte ist, desto leichter ist eine Batterie bei gleicher gespeicherter Energiemenge. Lithium-Ionen-Batterien haben im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien etwa eine dreifach hö- here gravimetrische Energiedichte. Das bedeutet, dass eine Lithium-Ionen-Batterie, welche die gleiche Energiemenge wie eine Bleisäure-Batterie speichert, nur ein Drittel von der Blei- Säure-Batterie wiegt. Die volumetrische Energiedichte beschreibt, wieviel Energie pro Volumen aus einer Batterie entnommen werden kann. Sie wird in Wattstunden pro Liter angegeben. Je höher die volu- metrische Energiedichte, umso kleinere Maße hat eine Batterie bei gleicher gespeicherter Energiemenge. 3.3.1.5 Zyklenzahl Wenn ein Akku einmal geladen und anschließend wieder entladen wird, spricht man von einem Zyklus. Wird dieser Vorgang bis zur maximalen Lade- bzw. Entladbarkeit durchge- führt, spricht man von einem Vollzyklus. Mit der sogenannten Zyklenzahl kann nun die Le- benserwartung eines Akkus beschrieben werden. Spricht man beispielsweise bei einem Akku von einer Zyklenzahl von 2.000, dann bedeutet dies, dass er 2.000 Mal entladen und erneut geladen werden kann, ohne dass ein Kapazitätsverlust größer als 20 % eintritt. Die Zyklenzahl ist jedoch nur ein grober Richtwert, da sie die Verwendung des Akkus unter Idealbedingungen voraussetzt, was nur in seltensten Fällen zutrifft. Wird mit einem Akku nicht betriebsgerecht umgegangen, so kann sich seine Zyklenzahl drastisch reduzieren. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

38 3 Grundlagen 3.3.2 Speichertechnologie für Traktionsanwendungen Ein geeigneter Energiespeicher für die Versorgung des Traktionskreises und der Bordnetz- verbraucher von Fahrzeugen im Allgemeinen und Bussen im Speziellen, muss den folgen- den Anforderungen genügen [76]:         geringe Beschaffungs- und Betriebskosten, hoher Wirkungsgrad beim Laden und Entladen, hohe Energiedichten, so dass die Speicher klein und leicht gehalten werden können, hohe Leistungsdichten, für die fahrdynamische Performance und die effektive Auf- nahme von Rekuperationsenergie, kurze Nachladezeiten, für eine hohe Verfügbarkeit, sicherer Betrieb muss gewährleitstet sein, um zusätzliche Gefährdung auszuschlie- ßen, hohe kalendarische und zyklische Lebensdauer, günstiger ökologischer Fußabdruck. Moderne Elektrobusse verwenden bzw. planen den Einsatz von Akkumulatoren (wiederauf- ladbare Sekundärzellen) und Kondensatoren als Energiespeichersysteme. Einen ersten vergleichenden Überblick verschiedener Energiespeichersysteme vermitteln Ragone-Dia- gramme, in denen die Energie- und Leistungsdichtebereiche unterschiedlicher Speicher- technologien gegenübergestellt werden. Das Ragone Diagramm in Abbildung 3-7 zeigt u.a., dass Doppelschichtkondensatoren (Super-Caps) sehr hohe spezifische Leistungen gene- rieren können, die spezifischen Energien gegenüber Batterien aber gering sind. Umgekehrt lassen sich mit Akkumulatoren gegenüber Kondensatoren nur verhältnismäßig geringe Leistungen generieren. Gegenüber dem orange dargestellten, konventionellen Dieselgene- ratorsatz zeigt sich, dass die spezifische Energie aller alternativen Speichertechnologien um Zehnerpotenzen niedriger ist. Daraus folgt, dass batteriegestützte Antriebe prinzipiell schwerer als Dieselfahrzeuge mit vergleichbarer Reichweite sind. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 39 Abbildung 3-7: Ragone Diagramm für Traktionsspeicher Neben Energie- und Leistungsdichte haben Energiespeicher individuelle Vor- und Nach- teile. Für heute gängige, moderne Technologien sind in Tabelle 3-10 vergleichend gegen- übergestellt. Dabei wird deutlich, dass keine ideale Energiespeicher-Technologie existiert. Tabelle 3-10: Vergleich von Traktionsspeichertechnologien, nach [76], [83] Li-Ionen-Akkus - - Vorteile - - - - Höchste Energiedichte Geringes spezifisches Gewicht Hohe Zell-Nennspan- nung  erhöhte spez. Leistung Gute Zyklenfestigkeit und Lebensdauer Kein „Memory Effekt“ Geringe Selbstentla- dung NiMH-Akkus - - - - Zuverlässig und robust (kurzzeitig) Tief- entladefähig Gut geeignet für hohe Ströme, da geringer Innenwi- derstand Höhere Standzei- ten möglich Super-Caps - - Zuverlässig und robust Wartungsarm - Hohe kalendarische Lebensdauer - Hohe Zyklenzahl - Sehr große Leistungs- dichte - Hoher Wirkungsgrad Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

40 3 Grundlagen Li-Ionen-Akkus Nachteile - - - - - Hohe Kosten Reaktiv mit Luft und Feuchtigkeit Anfällig für Überladung Aufwendiges Batte- riemanagement not- wendig (elektrisch und thermisch) Temperaturanfällig NiMH-Akkus - - - - - Hohe Selbstent- ladung Schlechte Zyk- leneffizienz Nur begrenzt schnelladefähig Geringere Ener- giedichte Aufwendige Bat- teriepflege zur Reduktion des „memory Effekts“ Super-Caps - Hohe Selbstentladung - Großer Spannungshub - Sehr geringe Energie- dichte - Hoher Überwachungs- aufwand - Große Gefahr bei fal- scher Bedienung - Hohe Kosten Super-Caps sind als reine Traktionsenergiespeicher aufgrund der viel zu geringen Energie- dichten ungeeignet. Jedoch bieten sie Potenziale, in Kombination mit Batterien, deren be- grenzte Leistungsdichten zu kompensieren. Die NiMH-Batterien werden besonders in Mild- und Full-Hybrid Fahrzeugen eingesetzt. Auf- grund deutlich größerer Energiedichten, der spezifischen Leistung, der Möglichkeit zur Schnellladung und deutlich verringerter Selbstentladungsraten werden heute aber im Hyb- rid- und Elektrofahrzeugsektor Li-Ionen Akkus verwendet. Li-Ionen-Batterien werden als Hochenergiebatterien und Hochleistungsbatterien hergestellt (siehe Abbildung 3-7). Während für rein elektrische Fahrzeuge eine hohe Energiedichte zur Erzielung großer Reichweiten wesentlich ist, sind für Hybridfahrzeuge hohe Leistungsdich- ten zur Erzielung hoher Beschleunigungsvorgänge und zur schnellen Speicherung von gro- ßen Anteilen der Bremsenergie bedeutend. Der im Folgenden dargestellte Vergleich von drei in Hybridfahrzeugen üblicherweise einge- setzten Hochleistungs-Li-Ionen-Akkus aus unterschiedlichen Elektrodenmaterialien – Li- thium-Eisenphosphat (LTO), Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) und Lithiumtitanat (LTO) - und einem kommerziellem Doppelschichtkondensator wurde in [81] veröffentlicht. Es werden im Speziellen die Leistungsmerkmale, das Lade- und Entladeverhalten und das thermische Verhalten der Zellen beim Betrieb mit unterschiedlichen C-Raten und unterschiedlichen Umgebungstemperaturen vergleichend gegenübergestellt. 3.3.2.1 Ruhespannungsverläufe Die in Abbildung 3-8 dargestellten Ruhespannungen (bei einer Temperatur von 25 °C) er- geben sich für die Li-Akkumulatoren aus der verwendeten Materialkombination für die Ka- thoden- bzw. Anodenelektrode. Beim Doppelschichtkondensator hängt sie von den Polplat- tenflächen und deren Abstand ab. Auffällig ist, dass der Spannungsverlauf der LFP-Kurve im Bereich zwischen 20% und 80% des SoC einen sehr flachen Spannungsverlauf hat. Dies Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 41 erleichtert einerseits die Regelung der Ladespannung, erschwert aber gleichzeitig die Be- stimmung des momentanen Ladezustandes. Abbildung 3-8: 3.3.2.2 Ruhespannungsverläufe verschiedener Speichertechnologien, nach [82] [84] Ladeverläufe Entladen Die Ladeverläufe von Energiespeichern spielen eine wichtige Rolle für den Betrieb von Hyb- rid- und Elektrofahrzeugen, da das Energiespeichersystem einerseits in der Lage sein muss große Ströme/Leistungen für Beschleunigungsvorgänge zu liefern und ebenso in der Lage sein sollte, die sich beim Bremsen ergebenden hohen Ströme und Leistungen mit steilem Gradienten aufzunehmen. In Abbildung 3-9 sind die Verläufe der Kapazität in Abhängigkeit der Entladungsrate (C- Rate) bei einer Arbeitstemperatur von 25 °C dargestellt. Für alle Speichertechnologien ist zu erkennen, dass die verfügbare Kapazität mit zunehmender Entladungsrate abnimmt. Je- doch ergeben sich für identische Entladungsraten erhebliche Differenzen zwischen den Ka- pazitäten der Batterien und des Doppelschichtkondensators. Der Doppelschichtkondensa- tor (SC) ist den Li-Batterien im Hinblick auf den Kapazitätserhalt überlegen. Er kann mit recht hohen Raten, bis zu 60 C, entladen werden, wobei die Ursprungskapazität um weni- ger als 5% abnimmt. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie