Batteriebusse
Technische Einschätzung
Technische Eigenschaften, die die Einsatzmöglichkeiten von Batteriebussen unmittelbar beeinflussen, sind die Batteriekapazität sowie zulässige Lade- und Entladeleistungen.
Batteriebusse unterscheiden sich nach den für sie geeigneten Ladestrategien in drei Kategorien:
- Volllader (Betriebshof-, Depot- oder Übernachtladung),
- Gelegenheitslader (Gelegenheitsladung bzw. Opportunity Charging),
- Pulslader (Pulsladung bzw. Flash Charging oder Ultraschnellladung).
Faktoren, die die Ladestrategie beeinflussen
- Wie wird der Bus beheizt (rein elektrische Heizung oder Hybridheizung) und klimatisiert (Fahrerklimaanlage, Δ-Klimatisierung oder Vollklimatisierung)?
- Wie sind die Umlaufpläne zugeschnitten? Wie die Gesamtfahrweiten?
- Können sehr lange und kurze, die Verkehrsspitzenzeiten bedienende, Umlaufpläne neu kombiniert werden, sodass:
- diese jeweils kürzer als die erzielbaren Reichweiten sind und
- zwischen zwei Umlaufplänen ausreichend Zeit für das Wiederaufladen der Batterie gegeben ist?
- Welche Pausen werden durchgeführt? Blockpausen oder eine Pausenregelung nach §1 (3) Fahrpersonalverordnung?
- Besteht die Möglichkeit, Ladeinfrastruktur außerhalb von Betriebshöfen und Abstellanlagen zu errichten?
Kosten
Die Kosten für Batteriebusse unterliegen gegenwärtig noch enormen Preisspannen. Bei den angegebenen Kosten handelt es sich daher um erste Anhaltspunkte. Die größte Einzelposition stellen Kosten für die Batterien dar, die – nach dem derzeitigen Stand der Technik – während der Nutzungszeit der Busse mindestens einmal getauscht werden müssen. Die Kosten für die Ersatzbeschaffung sind also immer mit zu berücksichtigen.
| Midibusse | Solobusse | Gelenkbusse | |
|---|---|---|---|
| Volllader | 400.000 – 480.000€ | 520.000 – 650.000€ | k. a. D. |
| Gelegenheitslader | k. a. D. | 550.000 – 690.000€ | 650.000 – 850.000€ |
| Batterien1) | 150.000 – 180.000€ | 180.000 – 220.000€ | 250.000 – 300.000€ |
1) – Ein Tausch während der Nutzungszeit eines Busses
k. a. D. – Keine ausreichenden Daten
Da ein großer Anteil der Wartungs- und Instandhaltungskosten nicht antriebsspezifisch ist, gehen wir nicht davon aus, dass diese in Summe signifikant unterhalb der Kosten für Dieselbusse liegen. Aber: Es liegen zu den Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie zur Verfügbarkeit von Batteriebussen derzeit noch keine ausreichenden Erkenntnisse vor.
Bis zum Vorliegen ausreichender Daten gehen wir deshalb von in etwa gleichen Kosten oder Kostenvorteilen für Batteriebusse von maximal 4 Cent pro Fz-km aus. Batteriebusse sind noch nicht in der Form verfügbar wie Dieselbusse, daher setzen wir bei Kostenrechnungen vorläufig Verfügbarkeiten von maximal 90 – 92 % an.
Bei Batteriebussen sind bauartbedingt mehr Komponenten auf dem Fahrzeugdach verbaut als z. B. bei Dieselbussen. Neben Batterien kann es sich dabei u. a. um Leistungselektronik oder einen Pantographen handeln. Daher ist die Anschaffung von Dacharbeitsständen inkl. Krananlage (ca. 1,0 t Traglast) notwendig. Je nach Ausführung entstehen dabei Kosten von etwa 75.000 – 220.000 € pro Dacharbeitsstand.
Zusätzlich sind Spezialwerkzeuge für Arbeiten an Hochvoltanlagen sowie persönliche Schutzausrüstungen wichtig. Die Kosten hierfür variieren je nach Flottengröße und Anzahl der Mitarbeiter. Gemessen an den Aufwendungen für Batteriebusse und die Ladeinfrastruktur sind die Kosten hierfür jedoch fast vernachlässigbar.
Notwendige Schulungen unterteilen sich in verschiedene Stufen:
- A – Fahren (Fahrpersonal, Personal der Leitstelle, mobile Dispatcher)
- B1 – Reinigung und sonstige, nicht in die Struktur der Fahrzeuge eingreifende Arbeiten (z. B. Beklebung)
- B2 – Bergung und Abschleppen von Batteriebussen
- C1 – Werkstattpersonal – nichtelektrotechnische Arbeiten
- C2 – Werkstattpersonal – elektrotechnische Arbeiten im spannungsfreien Zustand
- C3 – Werkstattpersonal – Arbeiten unter Spannung
- C4 – Übernahme der Unternehmerverantwortung
Informationen zu Infrastrukturkosten finden Sie hier.
Arten von Batteriebussen
Die Batterien von Vollladern werden ausschließlich während der Aufenthaltszeiten der Fahrzeuge auf Betriebshöfen oder auf Abstellanlagen aufgeladen. Nimmt man bestehende Betriebs-, Wartungs- und Instandhaltungsabläufe für Diesel- und Erdgasbusse zum Maßstab, wäre der Großteil der Fahrzeuge ausschließlich über Nacht bzw. an Wochenenden oder Feiertagen nachzuladen. Daneben besteht die Möglichkeit, auch tagsüber Fahrzeuge nachzuladen – wenn hierfür entsprechend Zeiten bestehen oder eingeplant werden.
Volllader bieten im Vergleich zu Gelegenheits- und Pulsladern die größtmögliche Flexibilität. Sie können sowohl im Stadt- als auch im Regionalverkehr eingesetzt werden, da nicht regelmäßig Ladestationen angefahren werden müssen. Umleitungen oder Straßensperrungen, die die Erreichbarkeit von Endhaltestellen mit Ladestationen verhindern würden oder deren Ausfall spielen daher keine Rolle. Ebenso wird der Einsatz von Vollladern weniger durch Verspätungen beeinflusst.
Hinzu kommt, dass eine Ladeinfrastruktur ausschließlich auf Betriebshöfen oder Abstellanlagen errichtet werden muss. Das stellt, sofern ausreichende Reserven im vorgelagerten Mittelspannungsnetz gegeben sind, einen deutlich geringeren Aufwand im Vergleich zu Gelegenheits- oder Pulsladern dar.
Den unbestrittenen Vorteilen stehen, zumindest kurz- bis mittelfristig, die noch limitierten Reichweiten von Batteriebussen gegenüber. Die erste (obere) Abbildung zeigt die Aufteilung von etwa 4500 analysierten Solobus-Umlaufplänen auf einzelne Fahrleistungsklassen sowie deren prozentualer Anteil an der Gesamtheit aller Umlaufpläne. Die in die Analyse einbezogenen Umlaufpläne stammen aus Städten unterschiedlicher Größe.
Es wird ersichtlich, dass kurze Umlaufpläne mit bis zu 100 km Länge überwiegen. Dabei handelt es sich fast ausschließlich um Verstärker- oder Schulbusfahrten, auf denen der Einsatz von Batteriebussen vor dem Hintergrund der notwendigen Investitionskosten aus ökonomischer Sicht nicht oder nur bei Kombination von zwei oder mehr Umlaufplänen an einem Tag zu empfehlen ist.
Bei Betrachtung der Anteile der Fahrleistungsklassen an allen Fahrleistungen (untere Abbildung) wird deutlich, dass über 50 % aller Fahrzeug-Kilometer in Umlaufplänen mit einer Länge von mehr als 200 km erbracht werden. Ähnliche Aussagen gelten auch für Gelenkbusse.
Die Reichweiten von Batteriebussen hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie bspw. Topografie, Temperatur, Fahrweise des Fahrers etc. Kurz- bis mittelfristig können nicht alle Umlaufpläne, die auf einen minimalen Fahrzeug- und Personaleinsatz hin optimiert wurden, mit Vollladern bedient werden. Auch die Klimatisierung (Heizen und Kühlen) des Innenraums nimmt hierauf einen erheblichen Einfluss.
Der Einsatz von Vollladern wird daher bis zur Verfügbarkeit von Fahrzeugen mit ausreichenden Reichweiten zu einem Mehrbedarf an Fahrzeugen und insb. zu zusätzlichen Fahrpersonalstunden führen. Die notwendigen Mehraufwände für Fahrzeuge liegen zwischen etwa 5 und 25 %. Sie unterscheiden sich von Verkehrsbetrieb zu Verkehrsbetrieb und müssen anhand der lokalen Gegebenheiten individuell ermittelt werden.
Zudem müssen Volllader im Vergleich mit Gelegenheits- oder Pulsladern deutlich mehr Energie nachladen. Das führt wiederum zu einer leistungsstärkeren und damit teureren Ladeinfrastruktur sowie zu höheren Anschlussleistungen mit den damit verbundenen Mehrkosten.
Vor einer Entscheidung über die Einführung von Vollladern sollten daher mindestens folgende Fragen beantwortet werden:
- Wie sollen die Fahrzeuge beheizt werden (rein elektrisch, Kombination aus elektrischer und Brennstoffheizung, ausschließliche Brennstoffheizung)?
- Wie sollen die Fahrzeuge klimatisiert werden (nur Fahrer-Klimaanlage, Dt-Klimatisierung, Vollklimatisierung)?
- Entsprechen die Längen der Umlaufpläne den dauerhaft erzielbaren Reichweiten von kurz- bis mittelfristig verfügbaren Fahrzeugen?
- Zu welchem Mehraufwand an Fahrzeugen und Fahrpersonalstunden führt die Anpassung der Umlaufpläne an die erzielbaren Reichweiten?
Stehen planmäßige Aufenthaltszeiten an End- oder Unterwegshaltestellen mit längeren Haltezeiten an, können bei der Gelegenheitsladung (auch „Opportunity Charging“) die Batterien mithilfe hoher Ladeleistungen an Ladestationen nachgeladen werden. So ist über einen Umlaufplan hinweg jederzeit ausreichend Elektroenergie im Fahrzeug verfügbar.
Ergänzend dazu können Gelegenheitslader auch auf Betriebshöfen nachgeladen, wenn der Umlaufplan diese Aufenthaltszeiten vorsieht. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, Gelegenheitslader nur an Ladestationen außerhalb von Betriebshöfen nachzuladen, jedoch ist dies mit zusätzlichen Einsatzzeiten für das Nachladen am Beginn und/oder am Ende von Umlaufplänen verbunden.
In vielen Fällen ist es dadurch möglich, Linien oder Linienbündel zu bedienen, ohne bestehende Betriebsabläufe ändern zu müssen. Voraussetzung hierfür sind regelmäßig wiederkehrende Aufenthaltszeiten an Ladestationen – das muss im Umlaufplan berücksichtigt sein. Dies muss von Fall zu Fall durch eine Energiebilanzrechnung überprüft werden. Hierfür ist es notwendig, das Verhältnis von Aufenthaltszeiten an Ladestationen zu Fahrzeiten zu ermitteln.
Gelegenheitslader sind einsetzbar, wenn folgende Bedingungen erfüllt werden:
- tWLS≥tf6 … für Fahrzeuge mit Brennstoffheizung oder sogenannte Hybridheizung,
- tWLS≥tf4,5 … für Fahrzeuge mit rein elektrischer Heizung auch unter ca. 0 – 5°C,
- tWLS … Aufenthaltszeiten bzw. Wendezeiten an Haltestellen mit Ladestationen [min],
- tf … Fahrzeiten zwischen Aufenthalten an Haltestellen mit Ladestationen [min].
Stehen weniger Aufenthaltszeiten zum Nachladen zur Verfügung, sind bei längeren Umlaufplänen meist zusätzliche Fahrzeuge im Umlauf notwendig.
Dies sind nun die rein betriebstechnologischen Bedingungen gewesen. Es müssen aber noch weitere Voraussetzungen für den Einsatz von Gelegenheitsladern gegeben sein:
Sicherheit gegen Verspätungen
Es sind nur Linien bzw. Linienbündel geeignet, die nicht regelmäßig von größeren Verspätungen betroffen sind. Als Faustregel kann gelten, dass die o. g. Bedingungen nur dann gelten, wenn die Verspätungen über einen Umlaufplan hinweg im Durchschnitt drei Minuten nicht übersteigen.
Gleiche Haltestellen
Das Prinzip der Gelegenheitsladung setzt voraus, dass (End)Haltestellen mit Ladestationen an allen Verkehrstagen und auch weitgehend zu allen Verkehrszeiten angefahren werden.
Redundanz
Es muss sichergestellt sein, dass für jede Linie mindestens zwei Ladestationen, idealerweise an unterschiedlichen Haltestellen zur Verfügung stehen, um beim Ausfall einer Ladestation den Betrieb weitgehend aufrechterhalten zu können. Dadurch wird auch sichergestellt, dass ein Betrieb auch dann noch möglich ist, wenn eine Ladestation aufgrund von Bauarbeiten o. ä. nicht erreicht werden kann.
Aufwand für die Ladeinfrastruktur
Aufgrund der vergleichsweise hohen Ladeinfrastrukturkosten ist der Einsatz von Gelegenheitsladern nur dann ökonomisch vertretbar, wenn die Anzahl von Batteriebussen pro Ladestation eine individuell festzulegende Untergrenze nicht unterschreitet. Gleichzeitig ist die Anzahl der Batteriebusse pro Ladestation nach oben hin begrenzt. Umfangreiche Untersuchungen des Fraunhofer IVI in mehreren Städten und Verkehrsverbünden haben gezeigt, dass pro Ladestation i. d. R. nicht mehr als 4,0 – 4,5 Batteriebusse betrieben werden können. In Ausnahmefällen werden auch Werte von 5,0 – 5,5 Batteriebussen erreicht. Beim Betrieb einer darüberhinausgehenden Anzahl von Batteriebusse pro Ladestation, wären
- gegenseitige Behinderungen mit Ladezeitverlusten an den Ladestationen und
- im Falle von Ladestationsausfällen ein instabiler Betrieb die Folge.
Möglichkeiten zur Errichtung der Ladeinfrastruktur
In der überwiegenden Anzahl der Fälle ist es baulich weitgehend problemlos möglich, Ladestationen inkl. Lademasten und ggf. vorgelagerte Mittelspannungstransformatoren an (End)Haltestellen zu installieren, jedoch existieren speziell in Innenstädten auch Beispiele, wo dies nicht ohne weiteres möglich ist. Hinzu kommt, dass in der Nähe der Haltestellen nicht immer ausreichend leistungsfähige Nieder- bzw. Mittelspannungsanschlüsse vorhanden sind. Vor der Entscheidung zum Einsatz von Gelegenheitsladern sollten daher die baulichen und Netzanschlussbedingungen der jeweiligen (End)Haltestellen geprüft werden.
Linienwechsel
Der Wechsel von Bussen zwischen Linien über einen Einsatztag hinweg ist grundsätzlich kein Hindernis für Gelegenheitsladung, sofern die o. g. Ladezeiten ermöglicht werden. Je nach Anzahl der Fahrzeuge und angefahrenen Endhaltestellen in einem sog. Linienbündel steigt jedoch der Aufwand für die Ladeinfrastruktur. In der Folge ist oft zu beobachten, dass ein wirtschaftlicher Betrieb von Gelegenheitsladern nicht gegeben ist.
Den Aufwänden bei der Errichtung von Ladeinfrastruktur außerhalb von Betriebshöfen steht bei Gelegenheitsladern die geringere Energiemenge, die in den Betriebspausen auf Betriebshöfen oder Abstellanlagen nachgeladen werden muss, gegenüber. Dadurch können Ladegeräte mit einer geringeren Ladeleistung zum Einsatz kommen sowie die Anschlussleistung reduziert werden.
Eine Mischform zwischen Voll- und Gelegenheitsladern stellt die Nachladung im Betriebshof mit hohen Ladeleistungen von 250 kW und mehr dar. Dabei werden die Batteriebusse im Laufe des Tages für etwa 30 – 60 min auf den Betriebshof zurückgeholt, um Sie dort mit hoher Ladeleistung an Ladestationen nachzuladen. Im Vergleich zu Gelegenheitsladern ist hierfür ein geringerer Aufwand bei der Errichtung der Ladestationen notwendig, jedoch sind zusätzliche Fahrzeuge und ein Mehraufwand an Fahrpersonalstunden notwendig. Dieser ist jedoch gegenüber reinen Vollladern, die mit niedrigeren Ladeleistungen (i. d. R. mit Ladegeräten und Steckern) geladen werden, geringer.
Diese Form der Nachladung ist insb. dann geeignet, wenn
- der Betriebshof in der Nähe von Linien bzw. geeigneten Ein- und Aussetzpunkten liegt und
- lange Umlaufpläne durch viele kurze Umlaufpläne in den Verkehrsspitzenzeiten (Kurzläufer) ergänzt werden, mithin im Tagesverlauf Reservefahrzeuge verfügbar sind.
Im Gegensatz zur Gelegenheitsladung werden die fahrzeugseitigen Energiespeicher (Batterien bzw. Superkondensatoren) bei der Pulsladung auch an Unterwegshaltestellen mit normalen Haltestellenaufenthaltszeiten nachgeladen. Da hierbei in kurzer Zeit Energie übertragen werden muss, sind hohe Ladeleistung von 450 kW und mehr notwendig.
Das Prinzip der Pulsladung ist aus ökonomischer Sicht nur auf Linien mit sehr vielen Fahrzeugen im Umlauf einsetzbar: Es ist ein sehr hoher Ladeinfrastrukturaufwand sowohl bzgl. der Anzahl der Ladestationen als auch der notwendigen leistungsfähigen Elektroanschlüsse notwendig. Ein weiteres Hemmnis ist die Notwendigkeit, Ladestationen auch an Unterwegshaltestellen in Innenstadtbereichen installieren zu müssen.
Aus technologischer Sicht kommt noch hinzu, Haltestellen mit Ladestationen immer anfahren zu müssen, was in Nebenverkehrszeiten ggf. zusätzliche Halte nach sich zieht.
Vor diesem Hintergrund und aufgrund immer leistungsfähigerer Batterien werden Linien mit Pulsladung eher die Ausnahme bleiben.