Elektrische Antriebe im ÖPNV
Erstellt am: 14.12.2010 | Stand des Wissens: 08.03.2023
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Im öffentlichen Personenahverkehr können Fahrzeuge mit reinen elektrischen Antrieben zum Beispiel in Form von Oberleitungsbussen (O-Bus), Batterie-Oberleitungsbussen, Brennstoffzellenbussen oder Elektrobussen eingesetzt werden.
Ein fahrleitungsgebundener Bus mit elektrischem Antriebssystem wird O-Bus (oder Trolleybus) genannt. In der Abbildung 1 ist ein sogenannter O-Bus dargestellt. Er wird mit elektrischer Energie aus einer Oberleitung über ein Stromabnehmersystem versorgt. Aufgrund des beweglichen Stromabnehmers ist es ihm möglich, circa 4 Meter zu jeder Seite auszuschwenken. Dies ermöglicht das Umfahren von Baustellen und sonstigen Hindernissen auf der Straße. Im Hinblick auf die Straßenraumgestaltung können so auch die Oberleitungen seitlich am Fahrbahnrand angeordnet werden. Mit Hilfe von Ersatzantrieben, im Falle des Batterie-Oberleitungsbusses eine direkte Speisung aus der Batterie, können kurze Strecken fahrleitungsfrei überwunden werden. Somit können zum Beispiel historische Stadtkerne oberleitungsfrei gehalten werden und auf dem Betriebshof ist ein freies Rangieren möglich. O-Busse mit Dieselaggregat (Duo-Busse) und Batterie-Oberleitungsbusse können auch längere Strecken fahrleitungsfrei fahren. Die elektrischen Komponenten sind auf dem Dach des Busses angeordnet [VDV07b].
Ein fahrleitungsgebundener Bus mit elektrischem Antriebssystem wird O-Bus (oder Trolleybus) genannt. In der Abbildung 1 ist ein sogenannter O-Bus dargestellt. Er wird mit elektrischer Energie aus einer Oberleitung über ein Stromabnehmersystem versorgt. Aufgrund des beweglichen Stromabnehmers ist es ihm möglich, circa 4 Meter zu jeder Seite auszuschwenken. Dies ermöglicht das Umfahren von Baustellen und sonstigen Hindernissen auf der Straße. Im Hinblick auf die Straßenraumgestaltung können so auch die Oberleitungen seitlich am Fahrbahnrand angeordnet werden. Mit Hilfe von Ersatzantrieben, im Falle des Batterie-Oberleitungsbusses eine direkte Speisung aus der Batterie, können kurze Strecken fahrleitungsfrei überwunden werden. Somit können zum Beispiel historische Stadtkerne oberleitungsfrei gehalten werden und auf dem Betriebshof ist ein freies Rangieren möglich. O-Busse mit Dieselaggregat (Duo-Busse) und Batterie-Oberleitungsbusse können auch längere Strecken fahrleitungsfrei fahren. Die elektrischen Komponenten sind auf dem Dach des Busses angeordnet [VDV07b].
In Deutschland ist ein Nahverkehrssystem mit Oberleitungsbussen zur Seltenheit geworden. Aktuell existieren O-Bussysteme nur noch in Solingen, Eberswalde und Esslingen am Neckar. In Italien, Frankreich und der Schweiz hingegen werden die Verkehrssysteme weiter ausgebaut. In der Schweiz kommen auch 24 Meter lange Doppelgelenkbusse zum Einsatz. Im Vergleich zu anderen alternativen ÖPNV-Systemen kann der O-Bus und seine Technik auf eine lange Geschichte zurückblicken und hat sich im Alltag als zuverlässig und wirtschaftlich bewährt. O-Busse sind trotz des zusätzlichen Investitionsbedarfs in Oberleitungsinfrastruktur wettbewerbsfähig bei Betrachtung der Gesamtkosten pro gefahrenem Kilometer. Gerade im Vergleich zu Straßenbahnen zeichnet sich der O-Bus dadurch aus, dass notwendige Infrastruktur um ein Vielfaches schneller und günstiger ausgebaut werden kann [KüBö10]. Seit 2019 ist der Batterie-Oberleitungsbus in Solingen im Einsatz [BOB19].
Brennstoffzellenbusse zählen ebenso wie rein batteriebetriebene Fahrzeuge und leitungsgebundene O-Busse zu den Elektrofahrzeugen; allerdings mit dem Unterschied, dass die elektrische Energie nicht in Batterien gespeichert, sondern in der Brennstoffzelle elektrochemisch aus Wasserstoff gewonnen wird. Im Gegensatz zu Batterien sind Brennstoffzellen also keine Energiespeicher, sondern Energiewandler. Ein Brennstoffzellenbus benötigt ein völlig neues, elektrisches Antriebssystem. Der Bus wird mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Strom über einen Elektromotor angetrieben. Das Antriebssystem besteht aus verschiedenen Komponenten. Dazu gehört das Gasspeichersystem, in dem der Wasserstoff bei einem Druck von bis zu 350 bar gespeichert wird. Dieser Wasserstoffvorrat wird in Aluminiumbehältern auf dem Dach des Busses gelagert. Ist der Speicher vollgetankt, (etwa 1.600 Liter) kann ein Bus damit ungefähr 300 Kilometer weit fahren. Die Brennstoffzellen selbst sind im Heck des Busses eingebaut.
In Köln wurden im Jahr 2011 zwei Gelenkbusse mit Brennstoffzellenantrieb mit einer Reichweite von 250 Kilometer für die Regionalverkehr Köln GmbH (RVK) in Betrieb genommen. Die Anschaffungskosten von jeweils 1,86 Millionen Euro wurden durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und durch das NRW Hydrogen HyWay-Programm gefördert. Durch den Verein "HyCologne - Wasserstoff Region Rheinland" kann die RVK kostengünstig Wasserstoff von der Chemieindustrie im Kölner Raum beziehen, der dort als Nebenprodukt abfällt [Buen12]. Im Jahr 2020 kamen 35 und im Jahr 2021 15 weitere Wasserstoffbusse im Fuhrpark der RVK hinzu [RVK21].
Brennstoffzellenbusse zählen ebenso wie rein batteriebetriebene Fahrzeuge und leitungsgebundene O-Busse zu den Elektrofahrzeugen; allerdings mit dem Unterschied, dass die elektrische Energie nicht in Batterien gespeichert, sondern in der Brennstoffzelle elektrochemisch aus Wasserstoff gewonnen wird. Im Gegensatz zu Batterien sind Brennstoffzellen also keine Energiespeicher, sondern Energiewandler. Ein Brennstoffzellenbus benötigt ein völlig neues, elektrisches Antriebssystem. Der Bus wird mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Strom über einen Elektromotor angetrieben. Das Antriebssystem besteht aus verschiedenen Komponenten. Dazu gehört das Gasspeichersystem, in dem der Wasserstoff bei einem Druck von bis zu 350 bar gespeichert wird. Dieser Wasserstoffvorrat wird in Aluminiumbehältern auf dem Dach des Busses gelagert. Ist der Speicher vollgetankt, (etwa 1.600 Liter) kann ein Bus damit ungefähr 300 Kilometer weit fahren. Die Brennstoffzellen selbst sind im Heck des Busses eingebaut.
In Köln wurden im Jahr 2011 zwei Gelenkbusse mit Brennstoffzellenantrieb mit einer Reichweite von 250 Kilometer für die Regionalverkehr Köln GmbH (RVK) in Betrieb genommen. Die Anschaffungskosten von jeweils 1,86 Millionen Euro wurden durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und durch das NRW Hydrogen HyWay-Programm gefördert. Durch den Verein "HyCologne - Wasserstoff Region Rheinland" kann die RVK kostengünstig Wasserstoff von der Chemieindustrie im Kölner Raum beziehen, der dort als Nebenprodukt abfällt [Buen12]. Im Jahr 2020 kamen 35 und im Jahr 2021 15 weitere Wasserstoffbusse im Fuhrpark der RVK hinzu [RVK21].
Neben der RVK sind auch bei der Hamburger Hochbahn Brennstoffzellenbusse im Einsatz. Im Rahmen der Teilnahme am EU Förderprojekt "Clean Urban Transport for Europe" (CUTE) wurden zeitweise bis zu neun Brennstoffzellenbusse getestet.
Aktuell ist die Brennstoffzellentechnologie jedoch verhältnismäßig teuer. Mit einem Preis zwischen 600.000 und 900.000 Euro ist ein neuer Wasserstoffbus in etwa doppelt so teuer wie ein herkömmlicher dieselbetriebener Bus. Darüber hinaus stellt die fehlende Wasserstoffinfrastruktur ein Problem dar [MoBu13].
Eine Alternative zum O-Bus und Brennstoffzellenbus ist der vollständig batteriebetriebene Bus. Aufgrund beschränkter Reichweiten von Elektrobussen unterscheidet sich ihr Einsatz grundlegend von dem eines herkömmlichen Dieselbusses. Ein Dieselbus wird angeschafft und kann "als Generalist" auf jeder Linie eingesetzt werden, ein Elektrobus muss spezifisch auf eine Strecke beziehungsweise Linie ausgelegt werden, auf der er eingesetzt wird. Ein Elektrobus kann demnach bei der Anschaffung nicht mehr isoliert betrachtet werden, sondern ist vielmehr ein Teil eines aufeinander abgestimmten Verbunds aus Fahrzeug, skalierbarer Batterie und Ladeinfrastruktur. Die technische Auslegung aller Teilsysteme erfolgt hierbei liniengebunden, der Betrieb erfolgt spezifisch auf die Streckencharakteristika und ist eng verzahnt mit dem Ladekonzept.
Die rein batteriebetriebenen Busse unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich ihrer Ladetechnologien. Neben der Aufladestrategie über Nacht ("Overnight Charging") ist auch ein Wechsel der Batterie und das Aufladen während des Betriebs möglich. Eine Technologie, die Batterie während der Fahrt wieder aufzuladen ist die induktive Aufladetechnologie [GoKu13]. Dabei wird unsichtbar unter der Fahrbahnoberfläche aus Kabeln eine Induktionsschleife (Primärspule) verlegt. Die am Boden der Busse montierte Aufnahmespule (Sekundärspule) wandelt das erzeugte magnetische Feld in elektrischen Strom um, der den Motor speist. Eine weitere Möglichkeit sind kabelgebundene (konduktive) Systeme, die über Kontaktarme Ladestrom abgreifen [GaFu15]. Durch die regelmäßige Ladung müssen die Fahrzeuge im Vergleich zu normalen Elektrobussen nur relativ leichte Batterien mitführen und sind damit energieeffizienter [Falk13] und günstiger in der Anschaffung [Bran14]. Der städtische Busverkehr hat den Vorteil, dass die notwendigen Ladephasen genau geplant werden können, da die Busse - anders als der motorisierte Individualverkehr - nach Fahrplan fahren. In deutschen Städten verkehren bereits mehrere Elektrobusse, beispielsweise in Aachen, Berlin oder Hamburg.
Aktuell ist die Brennstoffzellentechnologie jedoch verhältnismäßig teuer. Mit einem Preis zwischen 600.000 und 900.000 Euro ist ein neuer Wasserstoffbus in etwa doppelt so teuer wie ein herkömmlicher dieselbetriebener Bus. Darüber hinaus stellt die fehlende Wasserstoffinfrastruktur ein Problem dar [MoBu13].
Eine Alternative zum O-Bus und Brennstoffzellenbus ist der vollständig batteriebetriebene Bus. Aufgrund beschränkter Reichweiten von Elektrobussen unterscheidet sich ihr Einsatz grundlegend von dem eines herkömmlichen Dieselbusses. Ein Dieselbus wird angeschafft und kann "als Generalist" auf jeder Linie eingesetzt werden, ein Elektrobus muss spezifisch auf eine Strecke beziehungsweise Linie ausgelegt werden, auf der er eingesetzt wird. Ein Elektrobus kann demnach bei der Anschaffung nicht mehr isoliert betrachtet werden, sondern ist vielmehr ein Teil eines aufeinander abgestimmten Verbunds aus Fahrzeug, skalierbarer Batterie und Ladeinfrastruktur. Die technische Auslegung aller Teilsysteme erfolgt hierbei liniengebunden, der Betrieb erfolgt spezifisch auf die Streckencharakteristika und ist eng verzahnt mit dem Ladekonzept.
Die rein batteriebetriebenen Busse unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich ihrer Ladetechnologien. Neben der Aufladestrategie über Nacht ("Overnight Charging") ist auch ein Wechsel der Batterie und das Aufladen während des Betriebs möglich. Eine Technologie, die Batterie während der Fahrt wieder aufzuladen ist die induktive Aufladetechnologie [GoKu13]. Dabei wird unsichtbar unter der Fahrbahnoberfläche aus Kabeln eine Induktionsschleife (Primärspule) verlegt. Die am Boden der Busse montierte Aufnahmespule (Sekundärspule) wandelt das erzeugte magnetische Feld in elektrischen Strom um, der den Motor speist. Eine weitere Möglichkeit sind kabelgebundene (konduktive) Systeme, die über Kontaktarme Ladestrom abgreifen [GaFu15]. Durch die regelmäßige Ladung müssen die Fahrzeuge im Vergleich zu normalen Elektrobussen nur relativ leichte Batterien mitführen und sind damit energieeffizienter [Falk13] und günstiger in der Anschaffung [Bran14]. Der städtische Busverkehr hat den Vorteil, dass die notwendigen Ladephasen genau geplant werden können, da die Busse - anders als der motorisierte Individualverkehr - nach Fahrplan fahren. In deutschen Städten verkehren bereits mehrere Elektrobusse, beispielsweise in Aachen, Berlin oder Hamburg.
