Research Collection Doctoral Thesis Energetischer Systemvergleich von Diesel-, Hybrid- und Elektrobussen Author(s): Schwertner, Michael Publication Date: 2017 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-b-000206395 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library DISS. ETH Nr. 24573 Energetischer Systemvergleich von Diesel-, Hybrid- und Elektrobussen Abhandlung zur Erlangung des Titels DOKTOR DER WISSENSCHAFTEN der ETH ZÜRICH (Dr. sc. ETH Zürich) vorgelegt von Michael Schwertner Dipl.-Ing., Technische Universität Dresden geboren am 26.04.1979 von Deutschland angenommen auf Antrag von Prof. Dr. Ulrich Weidmann Prof. Dr.-Ing. Arnd Stephan Dr. Steffen Schranil 2017 Vorwort Wenn von Elektromobilität die Rede ist, sind überwiegend Massnahmen öffent- lichkeitswirksam, welche die Elektrifizierung des motorisierten Individualver- kehrs voranbringen sollen. Weniger bekannt ist hingegen, dass zum Themenfeld «Elektromobilität» auch zahlreiche Projekte des öffentlichen Verkehrs gehören, die das Ziel verfolgen, dessen Umweltfreundlichkeit weiter zu verbessern. Im Gegensatz zum schienengebundenen Stadtverkehr besteht im Busverkehr nach wie vor eine grosse Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, weshalb derzeit verschiedene Antriebssysteme erprobt werden, wobei nicht absehbar ist, welches sich schliesslich durchsetzen wird. Bei den Versuchseinsätzen liegt der Fokus, neben dem Nachweis der Betriebstauglichkeit, meist auf den Wirkungen auf die Umwelt, während dem Energiebedarf eine geringere Aufmerksamkeit zukommt. Dabei ist gerade der Energiebedarf eine der wenigen Stellgrössen, die ein ÖV- Betreiber direkt beeinflussen kann und er wird zukünftig weiter an Bedeutung gewinnen. Bislang fehlt allerdings ein systematischer Vergleich der Antriebssys- teme auf Basis des Energiebedarfs. Diese Arbeit soll genau dies leisten, indem alle wesentlichen Faktoren, die den Energiebedarf beeinflussen, berücksichtigt werden, wobei der Vergleich auf der Ebene der Primärenergie erfolgt. Diese Arbeit wäre ohne die Unterstützung verschiedener Personen und Insti- tutionen nicht zustande gekommen, welchen ich an dieser Stelle meinen gros- sen Dank aussprechen möchte. Unentbehrlich war die Hilfe von Professor Dr. Ulrich Weidmann vom Lehrstuhl Verkehrssysteme des Instituts für Verkehrs- planung und Transportsysteme (IVT) der ETH Zürich. Durch die Anstellung als Wissenschaftlicher Assistent am IVT ermöglichte er mir, die Vielfalt der Schwei- zer ÖV-Welt kennenzulernen. Als geduldiger Betreuer meiner Dissertation sorg- te er für die hin und wieder notwendigen Ermunterungen und gab unzählige inhaltliche Anregungen. Ich bin ihm somit in zweifacher Hinsicht zu Dank ver- pflichtet. Ebenso unentbehrlich war die Hilfe des Bundesamtes für Energie (BFE), welches mit einem grosszügigen finanziellen Beitrag ermöglichte, dass ich mich während dreier Jahre auf meine Forschung konzentrieren konnte. Ich danke Pro- fessor Dr.-Ing. Arnd Stephan vom Lehrstuhl Elektrische Bahnen des Instituts für Bahnfahrzeuge und Bahntechnik der TU Dresden, dass er trotz seines überaus dicht gefüllten Terminkalenders das Korreferat übernommen hat und mir viele III Vorwort wichtige Hinweise gab. Ohne Dr. Steffen Schranil, bis Juni bei SBB Infrastruk- tur, Bereich Energiemanagement und seit Juli für SBB Cargo International tätig, welcher sich dankenswerterweise ebenfalls als Korreferent zur Verfügung stellte, wäre diese Arbeit sicherlich nicht vollendet worden. Während eines halben Jah- res konnten in wöchentlichen Besprechungen, sowohl in Zollikofen als auch in Zürich, unzählige inhaltliche Detailfragen geklärt werden. Dies hat massgeblich dazu beigetragen, dass ich in der Schlussphase der Bearbeitung das Ziel nie aus den Augen verloren habe. Herrn Adrian Vogel von den Verkehrsbetrieben Zürich (VBZ) danke ich für die Angaben zum Energiebedarf von Bussen, die mir die Va- lidierung meines Modells ermöglichten. Sehr nützlich waren überdies die vielen Berichte, Studien und Fachbeiträge zu elektrischen Bussen, auf die ich von Dr. Markus Rieder hingewiesen wurde. Nicht zuletzt waren auch die Gespräche mit den Kollegen am IVT bereichernd. Axel Bomhauer-Beins und Martin Sojka hatten stets ein offenes Ohr für meine Fragen zu Betriebs- und Energiethemen. Patrick Braess verdanke ich unter anderem die Idee der externen Betreuung während der Schlussphase. Ambra Toletti war mir eine grosse Hilfe bei allen die Arbeit mit LATEX betreffenden Herausforderungen und stand mir auch als Ratgeberin in mathematischen Fragen zur Seite. Alle vier halfen mir ausserdem bei vielen Füh- rungen und Lehrveranstaltungen im Eisenbahnbetriebslabor. Schliesslich möch- te ich auch meinen Eltern Isolde und Horst Schwertner danken, welche stets an mich geglaubt haben und mir damit eine grosse Stütze waren. Vielen Dank euch allen! Naturgemäss ist der Umfang einer solchen Aufzählung beschränkt. Denen, die zu dieser Arbeit beigetragen haben, hier jedoch nicht namentlich genannt werden konnten, sei ebenfalls herzlich gedankt. Sämtliche hier enthaltenen Fotografien stammen vom Verfasser dieser Arbeit. Dies gilt auch für alle übrigen Abbildungen, sofern nicht explizit eine andere Quelle angegeben ist. Abschliessend bleibt nur der Hinweis, dass der Verfasser für den Inhalt und damit auch für allfällige Fehler die alleinige Verantwortung trägt. Dem geneigten Leser sei hiermit eine anregende Lektüre gewünscht. IV Inhaltsverzeichnis Vorwort III Abbildungsverzeichnis IX Tabellenverzeichnis XIII Abkürzungsverzeichnis XV Zusammenfassung XVII Summary XXI 1 Einleitung 1 1.1 Vom Verkehrsbedürfnis zum öffentlichen Verkehr . 1 1.2 Historischer Abriss zur Elektromobilität im Stadtverkehr . 2 1.2.1 Begriff .............................. 2 1.2.2 Strassenbahn . 3 1.2.3 Trolleybus . 4 1.2.4 Versuche mit anderen Systemen . 7 1.3 Perspektiven und Herausforderungen . 9 1.4 Einsatzbereiche von Bus und Strassenbahn . 9 1.5 Definitionen . 11 1.5.1 Begriffe.............................. 11 1.5.2 Umrechnungsfaktoren . 13 1.6 Struktur der Arbeit . 14 2 Forschungsfrage 15 2.1 Beweggründe . 15 2.2 Bisherige Systemvergleiche . 16 2.3 Forschungsfrage und Hypothesen . 18 2.4 Methodik . 18 V Inhaltsverzeichnis 3 Aktueller Forschungsstand 21 3.1 Einleitung . 21 3.2 Überblick über die im Einsatz befindlichen Antriebstechnologien . 22 3.2.1 Dieselbusse . 22 3.2.2 Biodiesel-, Biogas und Erdgasbusse . 22 3.2.3 Trolleybusse . 24 3.2.4 Dieselhybridbusse . 27 3.2.5 Brennstoffzellenbusse . 35 3.2.6 Batteriebusse . 40 3.3 Energiebedarf . 46 3.4 Zusammenfassung . 47 4 Berechnungsmodell 49 4.1 Grundlagen . 49 4.1.1 Ziel . 49 4.1.2 Abgrenzung . 50 4.1.3 Vergleichsumfang . 50 4.2 Struktur des Berechnungsmodells . 51 4.2.1 Modellaufbau . 51 4.2.2 Eingangsgrössen . 55 4.2.3 Ausgabewerte . 59 4.3 Fahrdynamische Grundlagen . 60 4.3.1 Basisfahrspiel . 60 4.3.2 Leistung und Energie . 65 4.4 Generisches Modell des Antriebsstrangs . 66 4.4.1 Entwicklung der Modellstruktur . 66 4.4.2 Ableitung der Betriebsmodi . 68 4.5 Modellierung der Antriebsstränge . 72 4.5.1 Überblick . 72 4.5.2 Nichtelektrische Antriebsstränge . 72 4.5.3 Teilelektrische und hybride Antriebsstränge . 73 4.5.4 Vollelektrische Antriebsstränge . 76 4.5.5 Obsolete Antriebsstränge . 79 4.5.6 Zusammenfassung . 80 4.6 Leistungs- und Energiebedarf . 81 4.6.1 Wirkungsgrade . 81 4.6.2 Exkurs: Wirkungsgrad der Trolleybusfahrleitung . 85 4.6.3 Leistungsbedarf für die Traktion . 89 4.6.4 Leistungsbedarf der Hilfsbetriebe . 90 4.6.5 Energiebedarf . 92 5 Vergleichsmethodik 93 5.1 Umfang . 93 5.2 Primärenergiebedarf . 93 VI Inhaltsverzeichnis 5.2.1 Bereitstellungspfade und deren Wirkungsgrade . 93 5.2.2 Elektrizitätserzeugung . 94 5.2.3 Gesamtwirkungsgrade der Energiebereitstellung . 97 5.3 Indirekte oder «graue» Energie . 97 5.3.1 Anteil am Gesamtenergiebedarf . 97 5.3.2 Fahrzeuge . 98 5.3.3 Infrastruktur . 100 5.3.4 Fazit . 101 5.4 Emissionen . 104 5.4.1 Emissionen der Energiebereitstellung . 104 5.4.2 Emissionen während des Betriebes . 106 5.5 Vergleich auf Basis von Jahreswerten . 108 5.5.1 Vorgehensweise und Datenbasis . 108 5.5.2 Eingangsgrössen . 109 5.5.3 Berechnungsalgorithmus . 110 5.5.4 Ausgabewerte . 111 5.6 Validierung . 111 6 Fallstudien 117 6.1 Fallstudie VBZ-Buslinien . 117 6.1.1 Untersuchte Linien . 117 6.1.2 Ergebnisse . 119 6.2 Generische Fallstudien . 131 6.2.1 Vorgehensweise und Eingangsgrössen . 131 6.2.2 Erste Fallstudie: Halteabstand und Auslauf . 134 6.2.3 Zweite Fallstudie: Höhenprofil . 139 6.2.4 Dritte Fallstudie: Besetzung . 142 6.2.5 Vierte Fallstudie: Aussentemperatur . 146 6.2.6 Exkurs: Rekuperationsgrad beim Trolleybus . 149 6.2.7 Aspekte der Energieeffizienz . 151 6.2.8 Rangfolge . 156 6.3 Vereinfachtes Modell . 159 6.3.1 Herleitung . 159 6.3.2 Anwendungsbeispiel . 161 6.3.3 Fazit . 163 7 Schlussfolgerungen 167 7.1 Erkenntnisse . 167 7.1.1 Einfluss des Antriebssystems . 167 7.1.2 Einfluss externer Faktoren . 168 7.1.3 Infrastruktur . 170 7.2 Diskussion . 171 7.2.1 Beantwortung der Forschungsfrage . 171 7.2.2 Verbesserungspotenziale . 172 VII Inhaltsverzeichnis 7.3 Weiterer Forschungsbedarf und Ausblick . 173 A Anhang 175 A.1 Energieflussschemata . 175 A.2 Mittlerer Luftwiderstand . 177 A.3 Steigfähigkeit . 178 A.4 Energiemanagement . 178 A.5 Wirkungsgrade der Energiebereitstellung . 185 A.6 Technische Daten von Bussen . 188 A.7 Höhenprofile . 197 Literatur 203 Biographische Notiz 215 VIII Abbildungsverzeichnis 1.1 Betriebseröffnung und -einstellung von Trolleybusnetzen in Gross- britannien und Deutschland . 5 1.2 Anzahl in Betrieb befindlicher Trolleybusnetze in Grossbritannien und Deutschland . 6 3.1 Zwei HESS-Gelenktrolleybusse von Bernmobil . 25 3.2 HESS-Doppelgelenktrolleybus der Verkehrsbetriebe Zürich . 26 3.3 Die drei Hybridbus-Antriebskonzepte . 28 3.4 Beispiel einer Ladestation für konduktive Zwischenaufladung . 41 3.5 Ladeenergie in Abhängigkeit von Haltezeit und Ladeleistung . 42 3.6 Batteriebus der Wiener Linien . 43 4.1 Grundaufbau des Berechnungsmodells . ..