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Mit dem BOB zum emissionsfreien ÖPNV - Batterie-Oberleitungsbusse machen Diesel überflüssig

von Utz Späth, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Benedikt Schmülling, Prof. Dr.-Ing. Markus Zdrallek und Prof. Dr.-Ing. Stefan Soter
uspaeth{at}uni-wuppertal.de, schmuelling{at}uni-wuppertal.de, zdrallek{at}uni-wuppertal.de, stefan.soter{at}uni-wuppertal.de

Utz Späth, M.Sc.
Prof. Dr.-Ing. Benedikt Schmülling
Prof. Dr.-Ing. Markus Zdrallek
Prof. Dr.-Ing. Stefan Soter

Oberleitungsbusse fahren in 300 Städten – verteilt über den ganzen Globus. Nicht nur in europäischen Städten von A wie Athen bis Z wie Zürich, sondern beispielsweise auch in San Francisco, Moskau oder Peking sind sie anzutreffen. Doch so weit in die Ferne schweifen ist gar nicht notwendig, ein Blick in unsere Bergische Nachbarschaft genügt. Denn auch in Solingen bringen bereits seit über 65 Jahren Oberleitungsbusse Fahrgäste zuverlässig von A nach B, im letzten Jahr knapp 16 Millionen. Das rund 100 Kilometer lange Oberleitungsnetz erstreckt sich bis in den Wuppertaler Stadtteil Vohwinkel.

Über die Jahre wurden die Solinger Oberleitungsbusse äußerlich wie auch technisch immer weiter verändert und optimiert. Waren Anfang der 1950er Jahre die Busse noch in beige mit grünen Akzenten und zu Stoßzeiten mit Anhänger unterwegs, fahren heute überwiegend Gelenkbusse mit Niederflurtechnik in blau und gelb, den aktuellen Farben von Stadt und Verkehrsbetrieb, durch Solingens Straßen. Ihr größtes Manko, die Abhängigkeit von einer stetig verfügbaren Oberleitung für den rein elektrischen Betrieb, blieb dabei stets bestehen und musste mit Dieselbussen oder Diesel-Hilfsaggregaten kompensiert werden – bis jetzt.

Anfang des Jahres wurde das Projekt „Mit dem Batterie-Oberleitungsbus (BOB) und der intelligenten Ladeinfrastruktur zum emissionsfreien ÖPNV“ bewilligt. Ein Kernpunkt des mit knapp 15 Millionen Euro vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur geförderten Projektes ist der Sprung weg vom Diesel, hin zur Batterie als Puffer für oberleitungsfreie (Teil-)Strecken. Der Start dieses Leuchtturmprojektes zur Renaissance von Oberleitungsbussen hätte zeitlich kaum besser liegen können. Beinahe täglich sorgen Nachrichten und sonstige Berichte über Themen wie dem „Dieselabgasskandal“ und drohenden Fahrverboten in Deutschlands Innenstädten für Unruhe. Die Projektlaufzeit beträgt fünf Jahre, an deren Ende durch Kopplung des städtischen Stromverteilnetzes mit dem Oberleitungsnetz dank der neuen Batterie-Oberleitungsbusse und innovativer transdisziplinärer Forschungsansätze ein sogenanntes Smart-Trolleybus-System (STS) entstehen soll. Neben dem Konsortialführer Stadtwerke Solingen GmbH kooperieren unter koordinierender Leitung der Neuen Effizienz – Bergische Gesellschaft für Ressourceneffizienz mbH, die Stadt Solingen, die SWS Netze Solingen GmbH, die Voltabox AG, die NetSystem – Netzwerk- und Systemtechnik GmbH sowie drei Bereiche der Bergischen Universität Wuppertal miteinander. Mit 6,5 Millionen Euro geht der Löwenanteil an die Universität und wird dort auf den Lehrstuhl für Elektrische Energieversorgungstechnik unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Markus Zdrallek, den Lehrstuhl für Elektrische Maschinen und Antriebe unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Stefan Soter sowie das Arbeitsgebiet Elektromobilität unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Benedikt Schmülling aufgeteilt.

Das Projekt schafft die notwendigen technischen und wirtschaftlichen Grundlagen für eine nahezu vollständige Elektrifizierung des öffentlichen Personennahverkehrs der Großstadt Solingen sowie dessen Versorgung aus regenerativen Energiequellen. Die dafür notwendige Erforschung und Entwicklung der technischen Systeme, Komponenten und Steuerungs- sowie Regelansätze wird von den beteiligten Bereichen der Universität Wuppertal durchgeführt.

Wie eingangs beschrieben, ist ein großer Vorteil des Batterie-Oberleitungsbusses der mögliche zeitweise Einsatz ohne Oberleitung, um z. B. auch bisherige Dieselbuslinien damit betreiben zu können, die zumindest partiell unterhalb einer Oberleitung liegen. Dies ist aber bei Weitem nicht der einzige Vorteil. Das STS kann durch den BOB und die neuen Betriebskomponenten Systemdienstleistungen für das Mittelspannungsnetz offerieren und zukünftig an regionalen Flexibilitätsmärkten anbieten und so neue Erlösquellen erschließen. Konkret geht es um die Sektorkopplung von Mobilitäts- und Energiemärkten. Damit werden Mobilitäts-, Energieversorgungs- und Stadtentwicklungsfragen nicht getrennt voneinander, sondern integriert als städtisches Gesamtsystem betrachtet. Hierfür müssen zukünftig neuartige Geschäftsmodelle für Verkehrsbetriebe, Energieversorger und Netzbetreiber entwickelt werden. Neben weiteren Aufgaben wird speziell dieser tranzdisziplinäre Teil von der Neuen Effizienz, einem An-Institut der Bergischen Universität, übernommen.

Abb. 1: Ein „angedrahtetes“ Fahrzeug der Linie 683 aus der aktuellen Solinger Fahrzeugflotte.
Abb. 2: Solinger Oberleitungsbus aus den 1950ern im East Anglia Transport Museum, Großbritannien.

Was dies genau heißen soll, beschreibt folgendes Beispiel: Bisherige O-Bus-Systeme (und auch Straßenbahnsysteme) treten im elektrischen Netz als reiner Verbraucher auf. Die Energie wird aus dem Versorgungsnetz über Gleichrichter, die sogenannten Unterwerke, in das Oberleitungsnetz eingespeist und dort den Bussen zum Verbrauch zur Verfügung gestellt. Durch den Einsatz von Batterie-Oberleitungsbussen sind nun aber elektrische Energiespeicher im Oberleitungsnetz vorhanden. Diese dort gespeicherte Energie soll, wie zuvor erwähnt, dazu genutzt werden, um auch oberleitungsfreie Strecken elektromobil zu überwinden. Sie kann aber prinzipiell auch Verwendung finden, um z. B. Systemdienstleistungen anzubieten. So können Engpässe in der Energieversorgung, beispielsweise durch ein Problem im Mittelspannungsnetz, kurzzeitig durch eine Rückspeisung der Energie aus den Bussen in das Oberleitungsnetz überbrückt werden. Insgesamt könnte so der Umstieg auf Batterie-Oberleitungsbusse nicht nur dazu führen, dass der ÖPNV vollständig elektrifiziert wird, sondern auch eine bessere Integration von volatilen regenerativen Energieversorgern in das elektrische Versorgungsnetz bewirken.

Die konkreten Ziele der Bergischen Universität lassen sich in drei unterschiedliche Kategorien einordnen. Ein Teil der Ziele behandelt die Anpassung der Oberleitungsbustechnologie an die neuen Anforderungen. Ein anderer Teil befasst sich mit der notwendigen Anpassung der Oberleitungsinfrastruktur für den technologisch und wirtschaftlich optimalen Betrieb der BOB. Verknüpft werden die genannten Teilgebiete mit den Arbeiten, welche die Konzeptionierung und Entwicklung von Betriebs- und Regelungskonzepten des gesamten intelligenten Oberleitungssystems mit BOB beinhalten und dieses so zu einem Smart-Trolleybus-System erweitern. Kategorieübergreifend ist ein wesentliches Ziel der Aufbau eines leistungsfähigen Laboratoriums zur Erforschung, Entwicklung und prinzipieller Erprobung der zu entwickelnden BOB- und Infrastrukturkomponenten und -teilsysteme an der Bergischen Universität.

Anpassung der Oberleitungsbustechnologie

Damit es dazu kommt, sind aber Anpassungen an Bussen und Infrastruktur notwendig. So ist zum Beispiel ein Ziel die Entwicklung eines lokalen Parametersatzes zur Beschreibung der Einsatzflexibilität (sowohl verkehrstechnisch im Linienbetrieb als auch energietechnisch im Versorgungsnetz) eines Busses. Dies klingt zunächst gar nicht so kompliziert. Hierbei muss aber bedacht werden, dass die Einsatzflexibilität nicht nur vom SOC („State of Charge“) der Batterie abhängt, sondern auch vom prognostizierten Energiebedarf des Busses. Damit ist dieser Parametersatz u. a. von der aktuellen Position und Route des Busses, aber auch vom Fahrgast- und Verkehrsaufkommen sowie vom Wetter abhängig. Zur Erhöhung der Einsatzflexibilität wird außerdem ein neuartiges Fahrerinformationssystem konzeptioniert und entwickelt sowie im realen Betrieb erprobt und angepasst. Dieses soll mittels gezielter Hinweise die Fahrer zu einer möglichst effizienten Fahrweise anregen und damit die Nachhaltigkeit des Busbetriebs weiter steigern.

Abb. 3: Computergeneriertes Modell des erwarteten Batterie-Oberleitungsbusses. Er besitzt eine Länge von 18 Metern, eine zulässige Gesamtmasse von 28 Tonnen und wird von zwei 160 Kilowatt Elektromotoren angetrieben.

Auch das Fahrgastaufkommen ist von entscheidender Bedeutung für die Einsatzflexibilität der Busse. Dabei interessiert weniger die Anzahl der Fahrgäste, als vielmehr deren kumuliertes Gewicht. Denn gerade im Stadtverkehr mit vielen Brems- und Beschleunigungsvorgängen hat die Masse der Busse großen Einfluss auf den Energiebedarf. Letztlich soll es am Ende des Vorhabens möglich sein, die (oberleitungsfreie) Restreichweite jedes Fahrzeugs bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und unterschiedlicher Auslastung mit Fahrgästen möglichst exakt zu bestimmen, da nur so eine verlässliche Einsatzflexibilität ermittelt werden kann. Damit die in den Batterien gespeicherte Energie stets zur Verfügung gestellt werden kann und damit die Batterien so schnell wie möglich aufgeladen werden können, ist auch eine Übertragung der elektrischen Energie im Stillstand (z. B. an den Haltestellen) erforderlich. Für die Aufnahme oder Abgabe einer hohen elektrischen Leistung im Stillstand ist die Entwicklung eines neuartigen Stromabnehmersystems notwendig, da die konventionellen Stromabnehmer ihre maximale Leistung aufgrund thermischer Grenzen nur im Fahrbetrieb gewährleisten können. Dieses Stromabnehmersystem soll sowohl im Labor als auch auf einem Testfahrzeug erprobt werden.

Anpassung der Oberleitungsinfrastruktur

Nicht nur die Busse selbst, sondern auch die bestehende Oberleitungsinfrastruktur ist ursprünglich natürlich nur für die reine Versorgung klassischer Oberleitungsbusse erbaut worden. Für dieses Projekt ist es jedoch aus den zuvor benannten Gründen essentiell, dass eine intelligente bidirektionale Kopplung des Oberleitungsnetzes mit dem öffentlichen Energieversorgungsnetz möglich wird. Bidirektional bedeutet, dass der Strom nicht mehr nur aus dem Energieversorgungsnetz über die Oberleitung in die Busse fließt, sondern bei Bedarf auch umgekehrt, aus den Bussen heraus wieder in das Energieversorgungsnetz zurück. Hierfür sind die Entwicklung unterschiedlicher Strom-/Spannungswandler (Umrichter) sowie die Entwicklung einer performanten Leistungselektronik notwendig, die diese Energieflüsse effizient und zuverlässig bereitstellen können. Um den Betrieb der BOB möglichst nachhaltig zu gestalten und auch um die mögliche Anschlussleistung regenerativer Energien im Stadtgebiet zu erhöhen, ist ein zusätzliches Ziel die Erforschung der Möglichkeiten zur direkten Einbindung von regenerativen Energiequellen in die Oberleitungsinfrastruktur. Ebenfalls kann das Synergiepotenzial, welches sich aus der Sektorkopplung von Verkehr und Elektrizität ergibt, nur so vollständig erschlossen werden.

Abb. 4: Konzeptzeichnung des gesamten Smart-Trolleybus-Systems. Echtzeit-Information über Lastflüsse im Netz und der Auslastung und Reichweite der Busse ermöglichen eine Nutzung der Fahrzeugbatterie als mobilen Speicher zum Ausgleich von Lastspitzen im örtlichen Stromnetz. Durch zusätzliche Komponenten (PV-Anlagen, stationäre Speicher, E-PKW und E-Bikes) lässt sich die Flexibilität des STS weiter skalieren. Neue Geschäftsmodelle, wie z.B. das Anbieten von Regelenergie, sind dadurch möglich.

Eingebettet in das zukünftige Elektromobilitätskonzept der Stadt Solingen soll auch die Einbindung einer dezentralen Ladeinfrastruktur für private Elektrofahrzeuge in das Gleichstrom-Oberleitungsnetz erforscht und erprobt werden. Das Ziel hierbei ist die Entwicklung sowohl einer Betriebsstrategie für diese Ladepunkte als auch die Entwicklung der notwendigen Hard- und Software, da erhebliche technische Unterschiede im Vergleich zur Anbindung von Ladepunkten im konventionellen öffentlichen Stromnetz existieren. Um einen Ausbau des Oberleitungsnetzes möglichst zu vermeiden, ist es auch erforderlich, dass die Einbindung stationärer Speicher in das Oberleitungsnetz simuliert und erprobt wird. Wie von Handys bekannt, können auch die Batterien in den Bussen nach einiger Zeit der Benutzung nicht mehr so viel Energie speichern wie noch zu Beginn. Ab einer gewissen Schwelle eignen sich die Batterien dann nicht mehr für den Einsatz im Bus selbst, jedoch noch hervorragend für den stationären Einsatz. Dafür bedarf es allerdings eines Systems, welches speziell auf die Erfordernisse qualitativ stark unterschiedlicher Batteriezellen zugeschnitten ist, und eines Fortbildungskonzepts für die technischen Mitarbeiter der Stadtwerke, die später für die Instandhaltung und Erweiterung dieses Systems zuständig sind.

Konzeptionierung und Entwicklung von Betriebs- und Regelungskonzepten

Die Anbindung des Oberleitungsnetzes an Photovoltaik-Anlagen, stationäre Speicher und Ladesäulen für Elektroautos bildet zusätzlich zum Einsatz der Batterien in den BOB die technische Grundlage für die Entwicklung und den flexiblen Betrieb des Smart-Trolleybus-Systems. Aus technischer Sicht ist die Flexibilität, welche durch die steuerbaren Einspeiser und Verbraucher gegeben ist, unabdinglich, um sowohl Lastspitzen, als auch deren Komplement innerhalb der physischen Grenzen handzuhaben. Zusätzlich zu den hardwareseitigen Vorausetzungen wird eine intelligente Regelung benötigt, welche den einwandfreien Betrieb des STS sicherstellt. Dies geschieht durch den koordinierten Zugriff auf alle im System enthaltenen steuerbaren Komponenten mit wesentlichem Hinblick auf den Lastfluss. Das hieraus resultierende Lastflussmanagement basiert auf einer präzisen Überwachung aller relevanten Komponenten und Knotenpunkte innerhalb des STS. Das wesentliche Augenmerkt liegt somit auf der Entwicklung und Validierung intelligenter Überwachungs- und Regelungsalgorithmen. Diese ermöglichen zum einen, ein durchdringendes Monitoring des Gesamtsystems in Form einer Leitwarte und zum anderen, ein darauf aufbauendes Lastflussmanagement, welches als Kernelement vorausgesetzt wird. Zur Sicherstellung der Wirtschaftlichkeit muss die Regelung außerdem im Stande sein, potenzielle Kapazitäten im Oberleitungsnetz, welche sich für einen marktorientierten und netzdienlichen Einsatz der übergelagerten Mittelspannungsebene eignen, zu erkennen und ggf. durch neu entwickelte Vermarktungsoptionen effizient zu nutzen.

Um eine Verwendung der Ergebnisse jenseits von Oberleitungsbussen, Solingen und Deutschland hinweg zu ermöglichen, ist es zudem wichtig, die Übertragbarkeit der Planungs- und Betriebskonzepte auf andere bestehende Systeme des ÖPNV, wie z. B. Straßen- oder U-Bahnsysteme, zu untersuchen. Hierzu gehört einerseits die Konzeptionierung und Bewertung der möglichen Integration weiterer dezentraler Energieanlagen, wie beispielsweise Windkraftanlagen oder Blockheizkraftwerke, aber auch die Teilnahme weiterer Wirtschaftsverkehre am Oberleitungsbetrieb, wie zum Beispiel gewerbliche oder städtische Fahrzeuge mit Stromabnehmer und Batterie wie Straßenreinigung oder Müllabfuhr. Voraussetzung dafür ist wiederum eine eichbare Mess- und Abrechnungseinheit für den mobilen als auch stationären Einsatz, um die zusätzlichen Teilnehmer und auch die Energieanlagen nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich einbinden zu können. Gemeinsam mit den Kooperationspartnern wird zudem ein Kommunikationssystem erarbeitet, welches für die Gewährleistung des Gesamtbetriebs unverzichtbar ist. Denn Busse, Oberleitungs- und Versorgungsnetz müssen, damit sie als ein Gesamtsystem fungieren können, stetig Informationen miteinander austauschen.

Der erste der rund 900.000 Euro teuren Batterie-Oberleitungsbusse wird den Stadtwerken im Januar 2018 übergeben. Drei weitere BOB sollen dann im Verlauf des Frühjahres folgen. Die Vorbereitungen laufen bereits jetzt bei allen Beteiligten auf Hochtouren. Wenn die Ergebnisse der nächsten Jahre wie erwartet zufriedenstellend ausfallen, so wird bald nicht nur die Linie 695 auf ihrer gesamten Strecke dieselfrei unterwegs sein, sondern das Projekt über Städte- und Ländergrenzen hinaus seinen Vorbildcharakter entfalten.

www.evt.uni-wuppertal.de
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www.emobil.uni-wuppertal.de