PROF DR ULRICH WEIDMANN DR MICHAEL SCHWERTNER ETH

PROF. DR. ULRICH WEIDMANN DR. MICHAEL SCHWERTNER ETH ZÜRICH ENERGETISCHER SYSTEMVERGLEICH VON DIESEL-, HYBRID- UND ELEKTROBUSSEN 22. 09. 17 Auto AG Schwyz - Bestelleranlass

Inhalt 2 Historischer Abriss Modellierung � Berechnungsmodell � Vergleichsmethodik Fallstudien � VBZ � Generisch � AAGS Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Historischer Abriss 3 1881: Erste elektrische Strassenbahn 1882: Siemens Electromote: erster «Trolleybus» 1912: Fribourg – Posieux: Erste Trolleybuslinie der Schweiz 1932: Erste «neuzeitliche» Trolleybuslinie der Schweiz (Lausanne) 1930 er-Jahre: Beginn des Niedergangs der Strassen-bahn, Ersatz durch Trolley- und Dieselbusse, z. B. : � Frankreich von ca. 70 (1935) auf 6 (1971) Tramsysteme � Schweden von 11 (1940) auf 3 (1972) Tramsysteme Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Historischer Abriss 4 Elektromote 1882 Fribourg – Posieux 1912 Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Historischer Abriss 5 Erst Ausbreitung des Trolleybussystems von 1930 bis 1945 geringere Investitionen gegenüber Strassenbahn � zuverlässiger und billiger im Betrieb als Dieselbusse � Stahl- und Kraftstoffmangel aufgrund Kriegswirtschaft � Dann dessen Niedergang in der westlichen Welt ab 1960 Fahrzeuge und Infrastruktur erneuerungsbedürftig � Dieselbusse billiger und zuverlässiger wegen Massenproduktion � Gyrobus Yverdon (1953 – 1960) Einzelne Versuche mit Batteriebussen Mercedes Benz OE 302 (1969) � Elektrobusse mit Batterieanhänger (1975 – 1981, Mönchen -gladbach und Düsseldorf)Ulrich Weidmann 22. 09. 17 �

Historischer Abriss 6 Gyrobus 1953 - 1960 Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Historischer Abriss 7 Neue Ansätze in den 1990 er Jahren: Schwungmassespeicher in Trolleybussen (Basel, 1992) � Dieselelektrischer Bus (1994) � Hybridbus MB O 405 NÜH (1996) � Erdgas- und Biogasbus � Weiter zunehmende Systemvielfalt ab 2000: Brennstoffzellenbus (Projekt CUTE) � Brennstoffzellen-Hybridbus � Batteriebus mit Zwischenaufladung � Ausserdem: «Renaissance» der Strassenbahn seit Ende der 1980 er Jahre � BRT und BHLS: Bus dringt stärker ins Einsatzfeld der Trams vor � Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Berechnungsmodell 8 Vergleich von 12 verschiedenen Antriebssystemen: � Nichtelektrisch: Diesel- und Gasbus � Teilelektrisch Dieselelektrischer Bus Serieller Dieselhybridbus, ohne/mit Zwischenaufladung (ZA) Paralleler Dieselhybridbus, ohne/mit ZA Brennstoffzellen-Hybridbus, ohne/mit ZA � Vollelektrisch Trolley- und Trolley-Hybridbus Ulrich Weidmann Batteriebus 22. 09. 17

Berechnungsmodell 9 Generisches Modell: Subsysteme B: Bereitstellung, S: Speicher, W: Wandler, Ü: Übertrager, H: Hilfsbetriebe Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Berechnungsmodell 10 Leistungs-/Energieflüsse Berechnung im Zeitschrittverfahren � 1. Fahrwiderstandskräfte am Rad � 2. Leistungsbedarf am Rad � 3. Leistungsbedarf ab Speicher � 4. Energiebedarf ab Speicher Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Vergleichsmethodik 11 Eingangsgrössen: Halteabstände, zulässige Geschwindigkeiten, Neigungen, Fahrzeugdaten, Fahrgastzahlen Drei Hauptschritte der Berechnung: � Berechnungsmodell liefert Energiebedarf ab Speicher � Division durch Bereitstellungswirkungsgrade ergibt Primärenergiebedarf � Multiplikation mit Emissionsfaktoren ergibt THGund Schadstoffemissionen Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Fallstudie VBZ-Buslinien 12 Spezif. Primärenergiebedarf [k. Wh/Fzkm] Spezif. Primärenergiebedarf [k. Wh/100 Pkm] Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Fallstudie VBZ-Buslinien 13 Anteil der rekuperierten Energie – Beispiel Linie 61: Fahrzeug: Diesel-Parallelhybrid-Gelenkbus Basis: 1 Umlauf, Besetzung 20, 6 %, Aussentemperatur 10, 1 °C Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Generische Fallstudien 14 Analyse des Einflusses verschiedener Parameter auf den Energiebedarf: � Halteabstand, mit und ohne Auslauf � Neigung: 2 Höhenprofile � Besetzung � Aussentemperatur Zusätzliche Betrachtung: � Rekuperationsgrad (nur Trolleybus) � Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Generische Fallstudien 15 Beispiel: Einfluss der Besetzung Anteil der Zuladung am Energiebedarf [%] Spezif. Primärenergiebedarf [LDÄ/100 Pkm] Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Generische Fallstudien 16 Ergebnisse als Rangfolge (schlechtester Wert: 0, bester Wert: 10) am Beispiel des Halteabstands Strommix Deutschland Schweiz Primärenergiebedarf THG-Emissionen Ulrich Weidmann Gesamtrang 22. 09. 17

Einige Schlussfolgerungen 17 Energieeinsparung im Vergleich zum Dieselbus � Trolley-, Trolley-Hybrid-, Batteriebus: 50 … 70 %, aber bei sehr niedrigen Aussentemperaturen Mehrbedarf! � Dieselhybridbus: 10 … 35 %, BZ-Hybridbus: – 10 … 5% Emissionsreduktion (THG) gegenüber Dieselbus: � Trolley-, Trolley-Hybrid-, Batteriebus: 90 … 95 % � Dieselhybridbus: 10 … 35 %, BZ-Hybridbus: 95 % Strommix hat grossen Einfluss bei vollelektrischen Antriebssystemen Ulrich Weidmann 22. 09. 17 Höhere Auslastung steigert Umweltvorteil des

Fallstudie AAGS 18 Untersuchte Linien: Linie 7 1 Lauerz, Dorf – Muotathal, Hölloch 2 Schwyz, Post – Küssnacht, Bahnhof Linie 1 4 Brunnen, Bahnhof – Morschach Luftseilbahn 7 Linie 2 Linie 4 Schwyz, Bahnhof – Biberbrugg, Bahnhof Ulrich Weidmann 22. 09. 17

Fallstudie AAGS: Ergebnisse 19 Beispiel: Ersatz der Dieselbusse durch Diesel. Hybridbusse Kraftstoffverbrauch � Energieeinsparung Liter Dieseläquivalent je 100 Fzkm liegt zwischen 13 und 22 % � CO 2 -Emissionen von etwa 400 t/a würden vermieden � Keine Infrastruktur für Aufladung nötig 60 50 40 30 20 10 0 L 1 Dieselbus L 2 L 4 Serieller Hybridbus Ulrich Weidmann L 7 Gesamt Paralleler Hybridbus 22. 09. 17

Fallstudie AAGS: Ergebnisse 20 Beispiel: Ersatz der Diesel- durch Batteriebusse � Senkung des Energiebedarfs um 40 % (Primärenergie) � Verringerung CO 2 -Emissionen um 93 % (– 1826 t/a) Li. Laufweg Gelenkbus Uml. *) Solobus Uml. *) 1 Lauerz – Muotathal Reichweite: 69 k. Wh 4 51 k. Wh des 6 � Herausforderung Energiebedarf 2 Schwyz – 102 k. Wh 75 k. Wh 4 Batteriebusses je Umlauf (ohne 3 Heizung/Klima) Küssnacht 4 Brunnen – – – 18 k. Wh 16 Morschach *) Maximale Anzahl an Umläufen bei einer Batteriekapazität von ca. 7 – – – 57 k. Wh 5 300 Schwyz k. Wh Biberbrugg Ulrich Weidmann 22. 09. 17

21 Grössere Reichweite des Batteriebusses Zwischenaufladung an Haltestellen Beispiel: TOSA (Genf) PLad = 250 k. W 1 min: 4, 2 k. Wh � 3 min: 12, 5 k. Wh � 10 min: 41, 6 k. Wh � Herausforderung: Batterielebensdauer Ulrich Weidmann 22. 09. 17

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