KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Institut für Fahrzeugsystemtechnik, Teilinstitut Bahnsystemtechnik

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Auslegungsmethodik für dieElektrifizierung von Buslinien

Markus Tesar

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ÖPNV im Wandel

Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien

Motivation

30.04.2018

Batteriedimensionierung

Reichweitenproblematik

Lokal emissionsfrei

Lärmreduzierung

Einsatz linienübergreifend

Simpler Betriebsablauf

Schadstoffemissionen

Lautstärkeproblematik

Diesel-

BusE-Bus

E-Bus fördert Trend zu lebenswerteren Städten

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Grundlage: PRIMOVE Mannheim

Induktives Gelegenheitsladen auf der Linie 63

Bus mit 60 kWh Batterie ausgestattet

Ziel: Erkenntnisse zur Elektrifizierung weiterer Linien

30.04.2018 Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien

Motivation

Wie muss das Gesamtsystem aus Fahrzeug, Betrieb und Infrastruktur

ausgelegt werden, um einen möglichst energieeffizienten Betrieb und eine

möglichst lange Lebensdauer der Batterie zu ermöglichen?

Leitfrage

Quelle: PRIMOVE Mannheim

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Grundlagen

Weiterentwicklung Gesamtsystem E-Bus

Simulationsstudien

Ergebnisse

Zusammenfassung

Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien

Agenda

30.04.2018

5 Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien

Grundlagen

30.04.2018

Auslegung ist mit Zielkonflikten behaftet

6 Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien

Grundlagen

30.04.2018

Fahrer

Gas & Bremse

Fahrzeug-

Parameter

Daten-

Input

Fahrzeug-

Modell Daten-

Output

Leistungen

SOC

etc.

v_soll

v_ist

Raddrehzahl

Betrieb & Umwelt

Modell bildet die Teilsysteme Fahrzeug, Betrieb und Infrastruktur ab

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Gesamtsystemsimulation

Energieflüsse validiert

Initialzustand nach jedem Umlauf angenommen

Ausschließlich Linie 63 betrachtet

Einfluss der Infrastruktur nicht berücksichtigt

Keine Gefäßgrößenvariation möglich

Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien

Grundlagen

30.04.2018

Untersuchung der Wechselwirkungen noch nicht möglich

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Gesamtsystemsimulation

Auswirkungen von variierendem Verkehrs- und

Fahrgastaufkommen

Berücksichtigung von Aus- und Einrückfahrten

Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien

Weiterentwicklung Gesamtsystem E-Bus

30.04.2018

Repräsentative Aussagen zu Zielgrößen durch Simulation mehrerer, kompletter Betriebstage

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Teilsystem Betrieb

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Weiterentwicklung Gesamtsystem E-Bus

30.04.2018

Linie 63 60 53

Tägl. Fahrstrecke 180km 220km 290km

Anzahl Umläufe 19 10 8

Anzahl Haltestellen 25 46 72

Betriebstage

(GPS-Messdaten)3 3 3

Abweichende Charakteristika der Linien 53 und 60 zur Linie 63

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Teilsystem Infrastruktur

Linie 53 und 60 bisher nur für Dieselbusse ausgelegt

Auswahl geeigneter Ladehaltestellen nötig

Berücksichtigung von:

Haltedauer

Haltewahrscheinlichkeit

Netzanbindung durch ergänzenden Nahverkehr

Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien

Weiterentwicklung Gesamtsystem E-Bus

30.04.2018

Elektrifizierung der Linien 53 und 60 mit 10 bzw. 12 Ladehaltestellen

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Simulationsstudien

30.04.2018

60kWh

2017

60kWh

202590kWh

2017

90kWh

2025

120kWh

2017

120kWh

2025240kWh

2025

240kWh

2017

480kWh

2017480kWh

2025

200kW 200kW 300kW 500kW

Linie53 Linie60 Linie63

12m 18m

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Gesamtsystemsimulation

Ziele:

Bestätigung Zielkonflikte bei Elektrifizierung von Buslinien

Identifikation von Alterungsfaktoren der Batterie

Feststellung Energiebedarf in Abhängigkeit der Gesamtsystemkonfiguration

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Simulationsstudien

30.04.2018

Linie 63 60 53

Simulationen ~450 ~150 ~100

Anzahl Ladehalte 0-12

Besonderheiten

Zusätzliche Standzeiten an den Endhaltestellen

Umwegfahrt

Batterietechnologie 2025++

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Sensitivitäten Batterielebensdauer

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Ergebnisse

30.04.2018

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

Reduktion Basis Steigerung

Sensitivitätsanalyse: Auswirkungen auf Lebensdauer für 12 m Bus mit 90 kWh Batterie und 300 kW Ladesystem

Batteriekapazität +/- 60kWh Ladeleistung +/- 100kW Heizleistung +/- 50kWh

Ladedauer +/- 5% Anzahl Fahrgäste +/- 20 Leergewicht Bus +/- 5t

Energiedichte Akku +/- 50Wh/kg Tägliche Strecke +/- 20km

Treibende Faktoren sind Ladedauer, Kapazität und Gefäßgröße

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Sensitivitäten Energiebedarf

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Ergebnisse

30.04.2018

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

Reduktion Basis Steigerung

Sensitivitätsanalyse: Auswirkungen auf Energiebedarf für 12 m Bus mit 90 kWh Batterie und 300 kW Ladesystem

Batteriekapazität +/- 60kWh Durchschnittsgeschwindigkeit +/- 5km/h Heizleistung +/- 50kWh

Halteanteil +/- 10% Anzahl Fahrgäste +/- 20 Leergewicht Bus +/- 5t

Energiedichte Akku +/- 50Wh/kg Tägliche Strecke +/- 20km

Treibende Faktoren sind Gefäßgröße, Klimatisierung und Streckenführung

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Pareto-Optimierung mittels Partikelschwarmoptimierung

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Ergebnisse

30.04.2018

Lebensdauer [Jahre] 8,36 9,19

Energiebedarf [kWh/km] 2,71 2,71

Batteriekapazität [kWh] 90 90

Ladeleistung [kW] 200 300

Ladehaltestellen 8 10

Zielkonflikt bei Auslegung durch Pareto-Optimierung bestätigt

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Erkenntnisse technologische Auslegung

Technisch optimal: jede Haltestelle = Ladehaltestelle

Minimierung Lade-/Entladehübe

Kleinere Batterie einsetzbar

Aufwand höherer Ladeleistungen bleibt unberücksichtigt

Ausstattung mit höherer Ladeleistung teurer

Kleine Gefäßgröße immer bevorzugt

Fahrgastaufkommen wird außer Acht gelassen

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Ergebnisse

30.04.2018

Betrachtung betriebswirtschaftlicher Faktoren notwendig

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Minimalauslegung für die Linie 63

Endhaltestelle als Ladepunkt ausreichend

Kostenreduzierung

60 kWh: 4,71 Jahre; 200 kW induktiv

90 kWh: 5,94 Jahre ; 25% Erhöhung; 500 kW kond.

Übernachtladen

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Ergebnisse

30.04.2018

60 kWh 90 kWh

# Ladehaltestellen 6 1

Ladeleistung 200 kW 500 kW

Batterielebensdauer 4,71 Jahre 5,94 Jahre

Energiebedarf 2,07 kWh/km 2,10 kWh/km

Praxistrend bei Linienauslegung geht in Richtung großer Batterie und wenig Ladeinfrastruktur

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Zusammenfassung

Zielkonflikte für die Auslegung nachgewiesen

Einflussfaktoren auf Lebensdauer und Energiebedarf ermittelt und quantifiziert

Auslegungsmethodik entwickelt

Optimierungspotenzial an der Mannheimer Linie 63 aufgezeigt

Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien

Zusammenfassung

30.04.2018

Markus Tesar, M. Sc.

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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