Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest eine ...

Hybridbusse und Speichertechnologien

im Praxistest – eine Zwischenbilanz

Dipl. Oec. Herbert König,

MVG Münchner Verkehrsgesellschaft

12. März. 2013

In Kürze: Die MVG

Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 2

• MVG: Das Verkehrsunternehmen der Landeshauptstadt München (LHM)

• U-Bahn, Bus und Tram in München (sowie diverse Nachbargemeinden)

• Im Rahmen des NVP der LHM plant, betreibt und finanziert die MVG ihr Angebot

• 87 Linien (U-Bahn: 7, Bus: 67, Tram: 13,) 628 km Streckenlänge, rund 1.200 Haltestellen

• Fahrzeugeinsatz HVZ (2013) U-Bahn: 482 Wagen, Bus: 382, Tram: 90 Züge

• Höchste Netz- und Angebotsdichte unter den großen deutschen Großstädten

• Gemeinschaftstarif im Münchner Verkehrs- und Tarifverbund (MVV)

• 2012: 536 Mio Fahrgäste (Zuwachs seit 2004: 21%)

• Umsatz 2012: ca. 409 Mio €

• Über 3000 Mitarbeiter + ca. 700 MA bei privaten Buspartnern

• Zweitgrößtes kommunales Verkehrsunternehmen (nach BVG)

Hybridbus-Vergleichstest: Unser Ansatz (I)


• Ziel: Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern beim Verkehrsmittel Bus

• Hybridtechnik kann ein (Übergangs-)weg sein

• Weitere erwünschte Effekte: Lärmreduzierung, Effizienzsteigerung, Entwicklungsschub

für leistungsfähige und ÖV-anwendungsgeeignete Speichertechnik sowie für

elektrische Antriebstechnik beim Bus

• Testziele:

• Prüfung der Tauglichkeit im alltäglichen Praxisbetrieb

• Optimierung im Alltagseinsatz

• Prüfkriterien:

• Verbrauchsentwicklung

• Verfügbarkeit

• Akzeptanz bei Fahrgast, Fahr- und Werkstattpersonal

• Weiteres Bewertungskriterium:

• Wirtschaftlichkeit


Hybridbus-Vergleichstest: Unser Ansatz (II)

• Nahziel ist Verbrauchsreduzierung

• Testzweck: Objektivierter Vergleich verschiedener Hybridbuskonzepte

• Test soll als Entscheidungsgrundlage für die künftige Beschaffungsstrategie dienen


Hybrid ist nicht gleich Hybrid: parallel versus seriell (I)

Paralleler / Leistungsverzweigter Hybrid:

• Es besteht eine mechanische Verbindung zwischen Antriebsachse und

Verbrennungsmotor

• Leistung des Verbrennungsmotors kann sowohl an die Antriebsachse als

auch an ein Speichermedium abgegeben werden

• Elektro- und Verbrennungsmotor wirken zusammen auf die Antriebsachse

• Bremsenergie wird rekuperiert und gespeichert

• Ohne weitere technische Komponenten (z.B. Zusatzkupplung) ist ein

emissionsfreies Fahren nicht möglich

• Evtl. „Downsizing“ möglich (= kleinerer Verbrennungsmotor)


Hybrid ist nicht gleich Hybrid: parallel versus seriell (II)

Serieller Hybrid:

• Es besteht keine mechanische Verbindung zwischen Antriebsachse und

Verbrennungsmotor

• Aufgabe des Verbrennungsmotors ist nur der Antrieb eines Generators zur

Erzeugung des Fahrstromes

• Der Verbrennungsmotor arbeitet drehzahlunabhängig von der Fahr-

geschwindigkeit und befindet sich somit meistens im optimalen

Drehzahlbereich

• Bremsenergie wird rekuperiert und gespeichert

• Ein partiell emissionsfreies Fahren ist möglich (z.B. Anfahren)

Fahrzeuge im MVG-Test (I) - Gelenkbusse


Solaris Urbino 18 Hybrid:

Einsatz seit August 2008 auf der MetroBuslinie 52

Laufleistung bisher: 213.133 km (31.01.2013)

Technische Daten:

Hubraum: 6,69 Liter

Leistung: 178 kW

Abgasnorm: Euro 5

Hybridantrieb: parallel

E- Antrieb: 2x 75 kW

Speichermedium: NiMH-Akkumulatoren

• Energiedichte: ~ 90 Wh/kg

• Lebensdauer: ca. 6-8 Jahre

Mercedes-Benz Citaro G Blue Tec Hybrid:

Einsatz seit April 2011 auf der MetroBuslinie 52


Technische Daten:

Hubraum: 4,80 Liter

Leistung: 160 kW

Abgasnorm: EEV

Hybridantrieb: seriell


Speichermedium: Li-Ion-Akkumulatoren


• Lebensdauer: 8-10 Jahre

Fahrzeuge im MVG Test (II) - Solobusse


MAN Lion‘s City Hybrid:

Einsatz seit November 2010 auf StadtBuslinie 132


Technische Daten:

Hubraum: 6,90 Liter

Leistung: 184 kW

Abgasnorm: EEV

Hybridantrieb: seriell


Speichermedium: Ultracaps



Volvo 7700 Hybrid:

Einsatz seit April 2012 durch Koop.partner (Stadtgebiet)


Technische Daten:

Hubraum: 4,76 Liter

Leistung: 158 kW

Abgasnorm: Euro 5

Hybridantrieb: parallel


Speichermedium: Li-Ion-Akkumulatoren

• Energiedichte: 110 Wh/kg


23.04.2013 Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 9

MVG-Vergleichstest - Linienparameter

Linie MetroBus 52:

Linienlänge:

Marienplatz - Alemannenstraße:

5,142 km

Alemannenstraße - Marienplatz:

5,266 km

Durchschnittsgeschwindigkeit:

17,99 km/h

Anzahl Haltepunkte insgesamt: 32

Haltepunkte/km: 3,07

Durchschnittlicher Abstand zwischen den

Haltepunkten: 0,316 km

Linie StadtBus 132:

Linienlänge:

Rindermarkt - Forstenrieder Park:

13,420 km

Forstenrieder Park - Rindermarkt:

13,864 km

Durchschnittsgeschwindigkeit:

17,77 km/h

Anzahl Haltepunkte insgesamt: 68

Haltepunkte/km: 2,5

Durchschnittlicher Abstand zwischen

den Haltepunkten: 0,396 km

Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (I) - Verbrauch


Überblick: Durchschnittl. Kraftstoffverbräuche 2012 - Hybrid versus Diesel

Solaris Mercedes-Benz Volvo MAN

Hybrid

Dieselbus

Gelenkbusse Solobusse

Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (I) - Verbrauch


Mercedes-Benz Citaro Hybrid

Merced Citaro - Vergleichsbus

MAN Hybrid

MAN - Vergleichsbus (keineDaten für Juli vorhanden)

Kraftstoffverbräuche 2012 im Jahresverlauf - Serielle Typen versus Diesel


Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (II) - Eignung Speicher

Speichermedien:

• Ultracaps: geringere Energiedichte (~5 Wh/kg) – können aber anfallende Energie beim

Rekuperieren schnell aufnehmen und schnell wieder abgeben

• Akkumulatoren: hohe Energiedichte (~90-100 Wh/kg) – können aber Energie beim

Rekuperieren nur zum Teil bzw. langsamer aufnehmen (z. B. durch langsames Bremsen)

(bildlich gesprochen: man versucht aus einem Maßkrug eine Flasche Bier zu befüllen: das

meiste geht daneben)

Im Ergebnis zeigte sich:

• Optimal für das rein elektrische Anfahren sind Ultracaps

• Für eine Start-Stopp-Automatik sind Ultracaps oder gering dimensionierte Li-Ion-

Akkumulatoren zu nutzen

• Längere rein elektrische Fahrten sind nur mit Li-Ion-Akkumulatoren möglich

• NiMH-Akkumulatoren sind eine kostengünstige Alternative zu Li-Ion-Akkumulatoren

(haben aber höheres Gewicht und geringere Energiedichte)

Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (II) - Eignung Speicher


Unterschiedliche Betriebskonzepte und verschiedene Kombinationen aus Antrieb und

Speichermedium haben Auswirkungen auf die Kraftstoffeinsparungen

• Serieller Antrieb mit Li-Ionen Akkumulator: Möglichst langes rein elektrisches fahren

steht im Vordergrund, erzielt jedoch nur geringe Einsparungen

• Serieller Antrieb mit Ultracaps: Hohe Kraftstoffeinsparungen ergeben sich vor allem aus

dem rein elektrischen Anfahren bis maximal 35 km/h

• Paralleler Antrieb mit Li-Ionen Akkumulator: Hohe Kraftstoffeinsparungen werden zum

Teil durch ein fast stetiges reines elektrisches Anfahren bis 15 km/h (unabhängig von der

Beschleunigung) realisiert

• Paralleler Antrieb mit NiMh Akkumulator: Unterstützung des Verbrennungsmotors, ohne

ihn komplett abzustellen (keine Start-Stopp-Automatik); ist kostengünstiger, erzielt jedoch

geringe Kraftstoffeinsparungen


Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (III) - Technik

Verfügbarkeit und technische Stabilität:

• Die Hybridbusse weisen inzwischen eine Verfügbarkeit von 70 - 83 % auf

• Konventionelle Dieselbusse erreichen ~ 95 %

• Häufigste Ursachen für Störungen im Fahrbetrieb oder Standzeiten:

• Folgeprobleme im Bereich der Bremsanlage

• Unausgereifte Komponenten

• Defekte an Steckern und Sensoren im Bereich der Radnabenmotoren

• Defekt am Akkumulator (Komplettaustausch bei einem Fahrzeug)

• Generell lässt sich für alle Hybridfahrzeuge bisher eine schlechte Verfügbarkeit von

Ersatzteilen feststellen


Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (IV) - Fazit

• Die von den Herstellern prognostizierten Kraftstoffeinsparungen konnten bisher

nur von den beiden hybriden Solofahrzeugen erreicht werden

• Die notwendige Zusatzheizung in den Wintermonaten reduziert bei den

Gelenkbussen die Kraftstoffeinsparungen stark und führt teilweise sogar zu

erheblichen Mehrverbräuchen

• Auf Grund der häufigen Betriebsstörungen und daraus folgend schlechter

Verfügbarkeit sind die Fahrzeuge als Vorserienfahrzeuge zu betrachten

• Die Wahl des Speichermediums hängt vom Betriebskonzept des Hybridbusses ab

• Der rein elektrische Fahrbetrieb wird von den Fahrgästen als positiv empfunden

• Für die Werkstätten bedeutet der Betrieb von Hybridbussen ein Mehraufwand –

Schulung Personal, Anschaffung Dacharbeitsplatz und spezielles HV-Werkzeug

• Wirtschaftlichkeit ist bei hybriden Gelenkfahrzeugen derzeit (Einsparung zu

aktuellen Kraftstoffpreisen vs. Beschaffungmehrpreis) nicht zu erkennen

• Bei hybriden Solobussen erscheint eine vergleichbare Wirtschaftlichkeit zu

konventionellen Bussen möglich, sofern sie gleiche Laufleistungen erreichen.


Und noch ein paar Beobachtungen und Hypothesen….

• Viele Erfolgsmeldungen / Versprechungen berücksichtigen Heizungsverbrauch nicht!

• Nutzen von effizienten Zwischenspeichern steigt mit der Häufigkeit von Brems- und

Anfahrvorgängen. Das heißt aber auch: Je mehr durch effiziente Linienbeschleunigung

die Brems- und Anfahrvorgänge reduziert werden, desto geringer die Treibstoffersparnis

gegenüber dem konventionellen Bus!

• Auch der konventionelle Verbrennungsmotor hat noch Effizienzsteigerungspotential;

wenn EURO VI-Busse und/oder neue Getriebe weniger Kraftstoff verbrauchen, sinkt

der (relative) Nutzen der Hybridtechnik.

• Das gilt auch beim Thema „verbrauchsarmes Fahren“ durch Fahrerschulung.

• Fokus Umwelt: Ein höherer Marktanteil des ÖPNV wirkt signifikant mehr als eine

weitere Verbesserung der Emissionsbilanz beim Linienbus. Wird aber der Bus teurer, ist

bei gleicher Finanzierungsbasis weniger ÖPNV möglich.

• Deshalb: Beim erreichten Stand der Bustechnik ist der beste Umweltbeitrag möglichst

viel finanzierbarer (und genutzter) ÖPNV durch möglichst wirtschaftlichen Busbetrieb!

• Die MVG wird daher derzeit Hybridbusse (noch ?) nicht in Serie beschaffen.

Tram mit Energiespeicher


Anlaß: Planung Trambahnnordtangente Neuhausen – Schwabing – Bogenhausen;

hiervon vorhanden 6 km,

Bedarf Neubau (nur) 2 km;

Planfeststellungsverfahren

gescheitert wegen Widerspruch

Freistaat Bayern zu 1 km Teil-

Strecke durch Gartendenkmal

Englischer Garten

bisher Busstraße)!

Hauptablehnungsgrund: Fahrleitung und Masten würden Landschaftsbild beeinträchtigen

Tram mit Energiespeicher


• MVG verfolgt die Planung weiter, da hoher verkehrlicher Nutzen, u. a.

• erhebliche Attraktivitätssteigerung ÖPNV durch Tangente

• erhebliche Entlastung radialer ÖPNV-Achsen

• Entlastung des Englischen Gartens von lokalen Verkehrsemissionen

• MVG-Konzept daher: Neuantrag mit 1 km fahrleitungsloser Strecke im Englischen

Garten

• Voraussetzung: Verfügbarkeit eines ausreichend leistungsfähigen und wirtschaftlichen

Energiespeichers

Lösung und Umsetzung


Anforderungen der MVG an die Leistung des Speichers für Einsatzzweck:

• Ein 1 km langer Abschnitt mit leichtem Höhenunterschied soll zweimal mit 20

km/h Geschwindigkeit ohne Ladung zurückgelegt werden

• Dabei ist ein planmäßiger (Haltestelle) sowie ein weiterer ggf. betrieblich

notwendiger Stopp (inkl. jeweils Bremsen und Anfahren) einzuplanen

• Anschließend steht normalerweise eine Strecke von ca. 30 km (Umlauf) zur

Ladung unter Fahrdraht zur Verfügung (Ausreichende Restkapazität bei

Laufwegverkürzung muß gegeben sein)

• Fahrzeuggewicht: 40 t, Fahrgastkapazität 220 P

• Berücksichtigung der technisch möglichen Achslast

• Wirtschaftlichkeitsanforderung: Lebensdauer des Speichers min. 10-15 Jahre;

dies entspricht einer Zyklenzahl von überschlägig 90.000 bis 135.000 (bei 30

Einsätzen täglich an 300 Tagen/Jahr)

Lösung und Umsetzung


Untersuchte Speichervarianten:

• Schwungradspeicher

• Herkömmliche Batterietechnik

• Supercaps

• Kombination Batterie + Supercaps

• Neu entwickelte Batterie

Lösung:

• Auf Basis der Anforderungen erwies sich eine neu entwickelte Lithium-Ionen-Batterie der

Fa I+ME Actia GmbH (240 Zellen, Energiedichte 93 Wh/kg) als besonders geeignet.

• Bei einem Gewicht von nur 380 kg erfüllt die neue Batterie die Einsatzanforderung mit

einer Entladetiefe auf nur 85 – 90 % ihrer Kapazität (somit ausreichend Störungsreserve)

• Bei vollständiger Entladung benötigt die Batterie 2 ½ Stunden, um ihre Kapazität von

rund 30 Ah zu erreichen (ca. 5 kWh werden für die Durchfahrt verbraucht, ca. 14 km,

bzw. 26 min bei 30 km/h werden für das Wiederaufladen benötigt)

• Erwartet wird daher im Anwendungsfall eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren!

Rekordfahrt am 25. Mai 2011


Die Batterie wurde auf der Münchner Variobahn 2301 installiert;

ein entsprechendes Energiemanagement regelt die Fahrt bei abgesenktem Stromabnehmer

und die anschließende Wiederaufladung unter Fahrdraht

Um die Leistungsfähigkeit der neuen Batterie zu demonstrieren, absolvierte die Variobahn am

25. Mai 2011 auf einer Teststrecke in Velten (Brandenburg) vor zahlreichen Fachleuten und

Journalisten eine Rekordfahrt:

Bis zur vollständigen Entladung legte e

die Tram oberleitungsfrei und

ausschließlich mit Batteriestrom eine

Strecke von 18,96 km zurück

Damit hat sie einen Eintrag ins

Guiness-Buch der Rekorde erreicht!

Ergebnis


• Die Rekordfahrt hat die Leistungsfähigkeit der Batterie bewiesen.

• Diese und die vorangegangenen Dauertests haben gezeigt:

• die Anforderungen der Streckencharakteristik für die Querung des Englischen

Gartens sind mit dieser Technik problemlos und dauerhaft zu bewältigen

• Ein stabiler Betrieb mit ausreichenden Reserven und ausreichender

Batterielebensdauer ist möglich

• Das stark reduzierte Gewicht der Batterie bei ausreichender Leistungsfähigkeit macht

eine Verwendbarkeit auch bei anderen Fahrzeugtypen wahrscheinlich

• Die MVG bereitet daher derzeit einen erneuten Planfeststellungsantrag für die

Nordtangente vor - nunmehr mit fahrdrahtlosem Betrieb im Englischen Garten.

• Parallel läuft derzeit das Zulassungsverfahren für das Fahrzeug.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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