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Elektromobilität im ÖPNV

Elektromobilität: Seit Jahren ist sie in aller Munde. Doch über den im Fokus stehenden Pkw hinaus erhält die Elektromobilität zunehmend Einzug in den öffentlichen Personennahverkehr.

Über Elektromobilität wird aktuell viel in den Medien und in der Öffentlichkeit diskutiert. Die von der Bundesregierung initiierte Nationale Plattform Elektromobilität (NPE) hat sich zum Ziel gesetzt, dass Deutschland „Leitanbieter in der Elektromobilität“ wird.

Erreicht werden soll dies mit einem Absatz von mindestens einer Million elektrisch betriebener Fahrzeuge bis 2020. (Als elektrisch betriebenes Fahrzeug gilt ein reines Batterieelektrofahrzeug, ein von außen aufladbares Hybridelektrofahrzeug oder ein Brennstoffzellenfahrzeug.) Ob dies gelingen kann ist fraglich, denn Anfang 2015 waren auf Deutschlands Straßen erst knapp 35.000 Elektrofahrzeuge unterwegs.

Die öffentliche Diskussion über Elektromobilität bezieht sich fast ausschließlich auf Personenkraftwagen – also „Autos“. Dabei kann der städtische Schienenverkehr (Straßen- und Stadtbahn) mit Fug und Recht von sich behaupten, die „Wiege der Elektromobilität“ darzustellen.

Seit einigen Jahren hat nun auch der Elektrobus Einzug in den Verkehrsmarkt genommen und erfolgversprechende Praxisphasen haben vielerorts begonnen. Damit gibt es für den öffentlichen Personennahverkehr auf Schiene (Straßen- und Stadtbahn) sowie Straße (Bus) inzwischen eine Perspektive für den vollständig elektrischen, Ressourcen-schonenden und klimafreundlichen Betrieb in naher Zukunft.

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Ausgangslage

Die Europäische Union hat im Jahr 2011 ein Weißbuch zum Verkehrswesen veröffentlicht. Darin lautet ein Ziel, die Emission von Treibhausgasen im Verkehrsbereich bis zum Jahr 2030 um rund 20% im Vergleich zum Jahr 2008 zu senken. Wegen der erheblichen Verkehrszunahme der letzten zwei Jahrzehnte lägen die Emissionen aber immer noch erkennbar über dem Stand von 1990.

Auch wenn der Verkehr in der jüngeren Vergangenheit energieeffizienter geworden ist, hängt er in der EU immer noch zu 96% von Verbrennungskraftstoffen ab. Schreitet die bisherige Entwicklung im Verkehrswesen voran, könnte der Anteil erneuerbarer Energiequellen 2020 auf knapp über 10% steigen. Eine spürbare Umsteuerung hin zu weniger verkehrsbedingten Emissionen im städtischen Raum ist daher nur durch einen massiven Ausbau des ÖPNV (sowie des Radverkehrs) möglich. Dabei kommt elektrischen Antrieben eine Schlüsselrolle zu.

Laut VDV-Statistik 2014 verteilen sich die Fahrgäste im öffentlichen Verkehr zu 41% auf den Busverkehr, zu 37 % auf den städtischen Schienenverkehr (Straßenbahn, Stadtbahn, U-Bahn) und zu 22% auf den Eisenbahnverkehr. Der städtische Schienenverkehr verkehrt seit Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts vollelektrisch. Die Bundesschienenwege sind zu knapp 60% elektrifiziert. Im Schienenpersonenverkehr wird aber bereits knapp 90% der Verkehrsleistung mit elektrischer Traktion erbracht. Somit ist Elektromobilität im öffentlichen Verkehr heute schon der vorherrschende Fall und nicht der Ausnahmefall.

Der Weg zu einem flächendeckend elektrischen öffentlichen Verkehrssystem ist gleichwohl noch weit, da der ÖPNV auf der Straße derzeit noch fast ausschließlich mit Dieselbussen abgewickelt wird. Die Fortschritte bei der Entwicklung leistungsfähiger Speichertechnologien lassen aber inzwischen einen wirtschaftlichen Elektrobusbetrieb zumindest in Reichweite erscheinen. Kann dieses Ziel erreicht werden, wird dies nicht nur dem Klimaschutz, der Luftreinhaltung und der Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern zugutekommen, sondern auch der Verminderung von Lärmemissionen: Gerade beim Anfahren sind konventionelle Dieselbusse recht laut. Die Akzeptanz von Busverkehren in Wohngebieten wird sich mit leisen Elektrofahrzeugen möglicherweise erheblich steigern lassen. Zudem sind abgasfreie Fahrzeuge der beste Werbeträger für den ÖPNV als stadtverträgliches Verkehrsmittel.

Beim elektrischen Busbetrieb sind folgende Antriebskonzepte zu unterscheiden:

  • Oberleitungsbus (auch O-Bus oder Trolleybus): „klassische“ Technologie, basierend auf einer zweipoligen Fahrleitung, über die die Fahrzeuge permanent mit elektrischer Energie versorgt werden. Ihre Blütezeit hatten Oberleitungsbusse in den 1950er und 1960er Jahren. Anschließend wurden sie in weiten Teilen der Welt aus wirtschaftlichen Gründen fast vollständig vom Dieselbus verdrängt. Um über kurze Strecken unabhängig von der Oberleitung agieren zu können, verfügen Oberleitungsbusse in der Regel über einen Hilfsantrieb (Batterie oder Verbrennungsmotor). Ist dieser zweite Antrieb für längere oberleitungslose Strecken vollwertig dimensioniert, spricht man von einem Duobus.
  • Hybridbus: Fahrzeuge mit mehreren Antriebssystemen, im Kontext der Elektromobilität davon eines elektrisch. Zu unterscheiden sind parallele und serielle Hybride. Bei ersteren laufen beide Antriebssysteme parallel, womit dem Elektroantrieb nur eine unterstützende Rolle zukommt. Bei seriellen Hybriden wird dagegen vollelektrisch gefahren. Die dafür nötige Energie erzeugt ein Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle. Grundsätzliches Ziel eines Hybrids ist es, die Stärken des Elektromotors im unteren Drehzahlbereich zu nutzen und den zweiten Antriebsstrang kraftstoffsparend und verschleißarm im oberen Drehzahlbereich laufen zu lassen. Hybride sind mit Stromspeichersystemen ausgestattet, die sich während der Fahrt aufladen oder im Fall sogenannter „Plug-in-Hybride“ auch am Stromnetz nachgeladen werden können.
  • Elektrobus (auch E-Bus oder Batteriebus): vollelektrisch betriebenes Fahrzeug, das ausschließlich von einem Elektromotor angetrieben wird und zur Energieversorgung über Speichersysteme verfügt. Je nach benötigter Reichweite und Ausführung der Stromspeicher können Elektrobusse entweder nachts „an der Steckdose“ oder auch unterwegs an sogenannten Schnellladestationen aufgeladen werden. Die Schnellladetechnologie ermöglicht eine kleinere Dimensionierung der Stromspeicher und damit weniger Gewicht und Stromverbrauch. Voraussetzung sind schnellladefähige Superkondensatoren. Ein einheitlicher technischer Standard für Speicher und Aufladesysteme hat sich noch nicht herausgebildet, derzeit sind verschiedenste Systeme in der Erprobung. An einer Normung der Anschlüsse wird derzeit im VDV und damit verbunden in der UITP gearbeitet. Die Arbeitsergebnisse werden dem EU Parlament als Vorschlag Anfang 2016 vorgelegt.
  • Eine weitere wichtige Energiequelle ist bei allen Fahrzeugen mit elektrischen Komponenten die Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung). Hier wird bei Fahrzeugen mit Netzanschluss zeitweise sogar die Energie in das Stromnetz zurück gespeist.

Ausgewählte aktuelle Projekte in Nordrhein-Westfalen

Die Regionalverkehr Köln GmbH (RVK) arbeitet seit mehreren Jahren an einem langfristigen Projekt „Null Emission“. Im Vordergrund steht dabei die Nutzung von Wasserstoff, der in der Region in großer Menge als industrielles Abfallprodukt anfällt. Als Erprobungsträger wurden 2011 zwei Brennstoffzellen-Hybridbussen des Typs Phileas vom niederländischen Hersteller Advanced Public Transport Systems (APTS) angeschafft. Im Mai 2014 folgten zwei weitere Fahrzeuge von Van Hool, Typ A330 FC. Ziel der RVK ist es, die Flotte ab etwa 2020 verstärkt auszubauen und ab 2030 nur noch Nullemissionsfahrzeuge zu beschaffen. Die RVK vertritt dabei federführend den ÖPNV-Sektor in NRW, u.a. bei der EnergieAgentur.NRW. Auf Bundesebene ist die Nationale Organisation Brennstoffzelle und Wasserstofftechnologie (NOW) im Auftrag des Bundesverkehrsministeriums  tätig. Die NOW koordiniert Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich Wasserstoffwirtschaft und Brennstoffzellentechnologie und setzt das Förderprogramm Modellregionen Elektromobilität in Deutschland um.

Ab 2013 führt die Stadtwerke Bonn Verkehrs-GmbH (SWB) Praxistests mit vier Elektrobussen verschiedener Hersteller durch. Auf dieser Grundlage erfolgte die Entscheidung, ab Anfang 2016 sechs 12m-Fahrzeuge des Herstellers Sileo aus Salzgitter dauerhaft im Linienverkehr einzusetzen. Die SWB beteiligen sich dabei mit neun weiteren europäischen Städten am Demonstrationsprojekt ZeEUS (Zero Emission Urban Bus Systems), das von der EU gefördert wird und bis 2017 neue Erkenntnisse über die Wirtschaftlichkeit und Einsatztauglichkeit von Elektrobussen liefern soll. Vorgabe der SWB für die Fahrzeugbeschaffung war eine Reichweite von mindestens 200 Kilometer, so dass die Aufladung nachts im Betriebshof erfolgen kann und keine Ladeinfrastruktur im Netz erforderlich ist. Bis 2030 soll die gesamte Flotte umgestellt werden.

Die Stadtwerke Münster GmbH (SWM) setzt im Rahmen ihrer ZeEUS-Beteiligung dagegen auf Schnelladestationen an Endhaltestellen. Diese verfügen über automatische Laderoboter auf dem Wartehäuschen, die an den stehenden Bus andocken können. Als Demonstrationsstrecke wurde die etwa 12 km lange Buslinie 14 entsprechend ausgestattet. Ein Ladezyklus dauert weniger als zehn Minuten. Bis zu zwei Ladungen können im Verspätungsfall ausgelassen werden. Darüber hinaus werden die Busse nachts auf dem Betriebshof geladen. Fünf Elektrobusse vom Typ VDL Citea Electric sollen ab 2016 in den Fahrgastbetrieb gehen. Bereits seit August 2012 unterhalten die SWM zudem zwei Hybridbusse von Mercedes-Benz. Sie verfügen über einem Dieselmotor, vier elektrische Radnabenmotoren und ein System zur Bremsenergierückgewinnung. Der Dieselmotor fungiert dabei als Generator für die Stromerzeugung.

Ende Oktober 2015 stellten die Kölner Verkehrsbetriebe AG (KVB) ihren ersten Elek­trobus vor, der sich aktuell in einer sehr intensiven Erprobungsphase befindet. Insgesamt werden von VDL acht Gelenkwagen geliefert. Der Einsatz erfolgt ab dem Fahrplanwechsel im Dezember 2016 auf der Buslinie 133, die dann nur noch von Elektrobussen bedient wird. An den Linienendpunkten werden dafür Ladestationen mit einer Ladeleistung von bis zu 240 kW errichtet, um die Busse während ihrer Einsatzzeiten zwischenzuladen.. Erklärtes Ziel der KVB ist es, von der Dieselpreisentwicklung unabhängig zu werden. Zudem werden mittelfristig sinkende Instandhaltungskosten erwartet, da bei vollelektrischen Antrieben zum Beispiel die aufwändige Wartung der Technik zur Abgasnachbehandlung entfällt.

Die Stadtwerke Oberhausen GmbH (STOAG) verfolgt den Ansatz, die bestehende elektrische Infrastruktur der Straßenbahn auch für die Aufladung von Elektrobussen zu nutzen. Seit Ende Oktober 2015 werden die beiden Linien 962 und 966 stündlich mit je einem Solaris Urbino 12 Electric betrieben. Es gibt zwei Ladestationen, von denen eine an die Straßenbahnfahrleitung und die andere direkt an ein Straßenbahn-Unterwerk angebunden ist. Zum Andocken an die Ladestation sind die Fahrzeuge mit Pantographen ausgestattet, vom Prinzip her also genau umgekehrt wie in Münster. Das Projekt wird vom Verkehrsverbund Rhein-Ruhr (VRR) gefördert.

Schließlich betreibt die Stadtwerke Solingen GmbH eines von noch drei Oberleitungsbusnetzen Deutschlands (die beiden anderen Oberleitungsbusnetze befinden sich in Esslingen am Neckar und in Eberswalde). Insgesamt gibt es sechs Linien, womit alle wichtigen Achsen elektrifiziert sind. Die Linie 683 wurde 2009 bzw. 2014 an beiden Enden ohne Fahrleitung verlängert, auf den beiden Abschnitten fahren die Obusse seitdem mit Hilfsantrieb. Ab 2017 ist die Erweiterung des Obusnetzes ohne zusätzlich Oberleitung mittels partieller Ladung vorgesehen. Zum Einsatz sollen dann sog. Batterieoberleitungs-Busse (BOB) kommen. Diese Fahrzeuge verfügen über keinen Hilfsantrieb mehr sondern über Batterien, die das Fahrzeug über mittlere Distanzen ohne Oberleitung mit Energie versorgen. Auf den Strecken mit Oberleitung docken die Fahrzeuge wieder automatisch an die Oberleitung an und laden die Speicher während der Fahrt wieder auf. In Eberswalde und Esslingen ist der Einsatz von BOB Bussen, deren Batteriekapazität und -leistung nur für Rangierfahrten und kurze Linienverlängerungen mit verminderter Leistung ausgelegt ist, ebenfalls bereits in der Erprobungsphase.

Weitere aktuelle Projekte

Sowohl bei der Braunschweiger Verkehrs-AG (Ringlinie 19) als auch bei der Rhein-Neckar-Verkehr GmbH (Buslinie 63) sind derzeit bereits sogenannte PRIMOVE Elektrobusse im Einsatz. Diese Busse verfügen über ein kabelloses Schnellladesystem sowie Hochleistungsbatterien, die es ermöglichen, über ein induktives Ladesystem mit einer Leistung von 200 kW die Elektrobusse zu laden. Die Schnellladestationen sind im Boden integriert und laden die Batterien der Elektrobusse immer wieder nach. Dazu fahren die Elektrobusse entsprechend ausgestatte Haltestellen an und kommen über dem sogenannten Ladepad zum Stehen. Während der Bus hält, wird ein Aufnahmepad über das in den Haltestellenboden eingelassene Ladepad ausgefahren und die Batterie berührungslos über die induktive Energieübertragung geladen.

Probleme und Aufgaben

In Deutschland waren am 01.01.2015 insgesamt 116 Busse mit batterieelektrischem Antrieb gemeldet (Quelle: Kraftfahrt-Bundesamt, Flensburg, 2015). Die aktuellen Anwendungsfälle sind im Grunde genommen ausschließlich der Technologieförderung zuzuordnen. Bislang ist ein Elektrobus mehr als doppelt so teuer als ein vergleichbarer konventioneller Dieselbus, was durch leicht günstigere Betriebskosten über den Lebenszyklus nicht ausgeglichen werden kann. Langjährige Praxiserfahrungen zur Lebensdauer der Stromspeicher stehen noch aus. Ein flächendeckender Durchbruch von Elektrobussen hängt damit von deutlich günstigeren Herstellungskosten in Großserie und/oder einer Verschiebung des Energiepreisniveaus bei Diesel- und Elektroantrieb ab.

Wie alle Elektrofahrzeuge sind Elektrobusse in ihrer Reichweite gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren eingeschränkt. Derzeit ist ihre Verbreitung daher vorwiegend im Stadt- und weniger im Regionalverkehr zu erwarten, zumal im Stadtverkehr auch die Vorteile der elektrischen Traktion aufgrund des häufigen Bremsens und Anfahrens stärker zur Geltung kommen. Rekuperation der Bremsenergie, weniger Lärmemissionen und spurtstarkes Beschleunigungsvermögen sind im Stadtverkehr wichtige Vorteile.

Bei größeren Elektrobusflotten stellt sich zwangsläufig die Frage nach der Energieversorgung. Dies gilt ganz besonders für Anwendungsfälle ohne Schnellladestationen, bei denen nahezu alle Fahrzeuge in der nächtlichen Betriebspause aufgeladen werden sollen. Bestehende Stromnetze sind dafür ggf. nicht ausreichend leistungsfähig.

Schnelladestationen wiederum ermöglichen derzeit ein Aufladen in etwa fünf Minuten. Dies bedeutet aber auch, dass diese fünf Minuten nicht mehr als Verspätungspuffer an den Endstationen zur Verfügung stehen und ggf. zusätzlich in die Umläufe integriert werden müssen, wodurch der Fahrzeug- und Personalbedarf steigt.

Bei aller Euphorie über den elektrischen Busbetrieb sollte der Schienenverkehr nicht vergessen werden. Hinsichtlich des Anteils elektrifizierter Streckenkilometer steht das deutsche Eisenbahnnetz im europäischen Vergleich nur im Mittelfeld. Die Betriebskosten elektrischer Traktion sind bei der Eisenbahn heute schon deutlich geringer als jene von Dieselzügen, es fehlt aber an finanziellen Mitteln für eine flächendeckende Streckenelektrifizierung, wie sie etwa in der Schweiz seit Jahrzehnten realisiert ist. Für Zweigstrecken wäre zudem die Entwicklung von Elektrozügen mit leistungsfähigen Speichersystemen reizvoll, um „die letzte Meile“ ohne hohe Investitionskosten für die Oberleitung dennoch elektrisch zurücklegen zu können und damit das heute noch weit verbreitete Fahren von Dieselzügen unter Fahrdraht zu vermeiden.

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