Die Zukunft des Dresdner ÖPNV ist elektrisch

Drei Antriebstechnologien im Vergleich

Als Elektrobusse werden alle Busse mit überwiegend elektrischem Antrieb bezeichnet. Dazu gehören neben Batterie- oder Oberleitungs-Bussen also auch Fahrzeuge mit Brennstoffzelle und Hybridbusse mit extern aufladbarem, großem Energiespeicher (Plug-In). Mild- oder Voll-Hybridbusse, wie sie sich derzeit in unserer Flotte befinden, zählen aufgrund ihrer sehr geringen bis nicht vorhandenen rein elektrischen Reichweite hingegen nicht dazu.

Jede dieser Technologien hat ihre Vor- und Nachteile. Einige, wie beispielsweise der Wasserstoffbus mit Range-Extender, sind noch nicht in Marktreife verfügbar. In Vorbereitung auf die aktuelle Beschaffung unserer batterieelektrischen Busse wurden verfügbare und realistische Antriebstechnologien auf ihre Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit untersucht. Dies begann bereits im Jahr 2010 mit ersten Untersuchungen zu Hybridbussen mit dynamischer Nachladung für die damalige Linie 94. Das Konzept entspricht dem des O-Busses mit partieller Oberleitung. Dies war zu dieser Zeit aber noch völliges Neuland. O-Busse verfügen zwar schon länger über ein „Notfahraggregat“ in Form eines Dieselmotors, vereinzelt auch schon mit einer Batterie, die galvanische Trennung im Fahrzeug und die Integration einer großen Batterie für längere Strecken ohne Oberleitung war allerdings noch nicht Stand der Technik. Im Rahmen der Projekte „SaxxHybrid“, „SaxxHybrid+“, „EDDA-Bus“, „Linie 64“, „Linie 79“ und „EKE“ wurden in den folgenden Jahren mit wissenschaftlichen Partnern, TU-Dresden und Fraunhofer IVI fortlaufend Untersuchungen zu Effizienzsteigerung, Ladestrategien und Technologievergleichen durchgeführt. Aufgrund der durch Begleitung und Durchführung einer Vielzahl von Elektromobilitätsprojekten aufgebauten Expertise der VCDB wurde 2019 durch unser Tochterunternehmen zusätzlich ein Technologievergleich zwischen Batterie-Bus, Brennstoffzellenhybrid-Bus und Oberleitungshybrid-Bus im Vergleich zum Diesel-Bus durchgeführt.

Diese drei „alternativen“ Technologiepfade haben alle einen elektrischen Antrieb, welcher einen doppelt so hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine mit Getriebe besitzt. Danach beginnen schon deutliche Unterschiede die hier kurz tabellarisch dargestellt sind:

Brennstoffzellenhybrid-Bus

Beim Brennstoffzellenhybrid-Bus wandelt die Brennstoffzelle den im Idealfall regenerativ hergestellten Wasserstoff in Strom um, welcher den Hauptstromkreis speist. Dort wird dieser bedarfsgerecht eingesetzt, in der Batterie gespeichert oder in Ergänzung mit dem Batteriestrom verwendet. Brennstoffzellen müssen möglichst in einem optimalen Einsatzfenster betrieben werden. Leistungsschwankungen können nur schlecht bzw. zu Lasten der Lebenszeit reguliert werden. Neben der Wasserstofftankstelle wird bei größeren Batterien auch noch eine Ladeinfrastruktur benötigt, um diese aufzuladen. Der Gesamtwirkungsgrad von der Wasserstofferzeugung bis zur Leistungserbringung auf der Straße liegt bei nur etwa 27 %.

Bei der Lagerung von Wasserstoff und beim Betreiben einer Wasserstofftankstelle ist sehr viel zu beachten. Planungszeiträume deutlich länger als zwei Jahre sind üblich. Im Umkreis von Dresden ist aktuell keine wasserstofferzeugende Industrie vorhanden. Für die Errichtung und den Betrieb eines Wasserstofferzeugers (Elektrolyseur) sind zum einen viel Platz und große Sicherheitsabstände, hohe regenerative Energiemengen sowie große Verdichteranlagen und Pufferspeicher notwendig. In Abwägung von Gesamtwirkungsgrad, Planungs- und Genehmigungszeit, Investitions- und zu erwartender Betriebskosten sowie der Verfügbarkeit von Fahrzeugen, Energie und Platz haben wir, auch nach Abstimmung mit den Fachkollegen der SachsenEnergie, diese Technologie mittelfristig nicht weiter verfolgt. In der Machbarkeitsuntersuchung der VCDB zur Umstellung der Linie 63 auf emissionsfreien Antrieb liegen beispielsweise die Investitionskosten für den Betrieb mit Brennstoffzellenhybrid-Bussen ca. 55 % höher als für einen Betrieb mit Batterie-Bussen – bei zudem deutlich höheren Betriebskosten. Die Wasserstofftechnologie hat dennoch enormes Potential und könnte zukünftig auch für uns interessant werden.

Oberleitungshybrid-Bus

Bis 1974 fuhren bereits O-Busse durch Dresden. Der damalige O-Bus mit Anhänger wurde durch die neu aufkommenden Gelenkbusse ersetzt. Der heutige O-Bus hat mit den damaligen Fahrzeugen wenig gemeinsam. Das Notstromaggregat (Hilfsantrieb) wird heute größtenteils durch Batterien ersetzt. Dennoch hat der reine Oberleitungs-Bus, im Gegensatz zum Oberleitungshybrid-Bus mit seiner zweipoligen Fahrleitung ein anderes Schutzkonzept als reine Batteriebusse. Deshalb ist bei diesen eine doppelte Isolation erforderlich, welche einem dichten Wartungsintervall (etwa monatlich) unterliegt. Der Oberleitungshybrid-Bus entspricht durch die galvanische Trennung vom Oberleitungsnetz in Punkto Schutzkonzept und Netzform eher dem Batterie-Bus.

Eine zweipolige Fahrleitung kann nicht so einfach neben die Straßenbahnfahrleitung gehängt werden. Die Maste und Abspanndrähte sind dafür statisch nicht ausgelegt. An Knotenpunkten kommt es sehr schnell zu Komplikationen mit der Straßenbahninfrastruktur. Ferner muss bei abbiegenden Linien eventuell eine Fahrleitungsweichenanlage eingebaut werden. Die Fahrleitungsanlagen unterliegen aktuell einem besonderen Baurecht und müssen über Planfeststellungen, genauso wie Gleisanlagen, genehmigt werden. Das erfordert eine deutlich längere Planungs- und Genehmigungszeit. Zeiten von bis zu fünf Jahren sind dafür nicht unüblich. Aufgrund der eingebauten Batterien können komplizierte Fahrleitungsanlagen an Knoten oder in historisch sensiblen Gebieten vermieden werden. Der O-Bus drahtet dann ab und durchfährt mit der Batterie diesen Bereich. Danach drahtet der Bus an einer Haltestelle über den klassischen Trichter wieder ein. Unter dem Fahrdraht wird dann die Traktionsenergie entnommen und die Batterie wieder aufgeladen. Es muss mindestens 50 % der Wegstrecke mit Fahrleitung ausgerüstet sein, vorausgesetzt, dass am Endpunkt die Batterien geladen werden können. Sonst geht der notwendige Fahrleitungsanteil in Richtung 70 %. Der genaue Umfang ist abhängig von der Topografie bzw. den Linien. Die notwendige „Zeit unter Draht“ resultiert aus der relativ kleinen Stromübertragungsfläche an den „Stromruten“, wodurch der übertragbare Gesamtstrom begrenzt wird. Da Heizung und Traktionsenergie zuerst bedient werden, bleibt nur noch wenig Energie für die Batterieladung übrig.

Oberleitungshybrid-Busse sind darüber hinaus noch etwa 100.000 bis 200.000 Euro teurer als reine Batteriebusse. Das vielzitierte Nutzen vorhandener Straßenbahninfrastruktur für O-Busse funktioniert nicht für beide Fahrzeugarten gleichzeitig, weil die vorhandenen Masten statisch nur für eine Fahrleitungsanlage ausgelegt sind. Auch die vorhandenen Gleichrichterunterwerke haben nicht genügend Reserven um 50 bis 100 % mehr Leistung zur Verfügung zu stellen. Diese Weiternutzung ist nur bei Umstellung von Straßenbahn auf O-Bus oder von O-Bus auf Straßenbahn ohne grundlegende Anpassungen möglich. Für Machbarkeitsuntersuchungen verwenden Fachingenieure üblicherweise Kosten von ca. 500.000 Euro je Kilometer Doppelfahrleitung (inkl. Masten und Unterwerken). Weiterhin muss angeführt werden, dass ein O-Bus ähnlich fahrwegunflexibel ist wie eine Straßenbahn. Die VCDB hat für den Betrieb der Linie 63 auch die Machbarkeit für den Oberleitungshybrid-Bus untersucht. Die Machbarkeit ist prinzipiell gegeben, allerdings bei ca. 85 % höheren Investitionskosten gegenüber dem Batterie-Bus und bei ähnlichen Betriebskosten.

Der Batterie-Bus

Der Batterie-Bus zeigt sich derzeit für uns als der optimale Lösungsansatz zur Umsetzung der Clean Vehicle Directive der EU. Bis 2025 müssen mindestens 22,5 % und ab 2026 mindestens 32,5 % unserer Busse mit emissionsfreiem Antrieb beschafft werden. Die Fahrzeuge werden aufgrund der langen Umläufe und der teilweise längeren Ausrückewege als Gelegenheitslader ausgelegt. Das bedeutet, dass die Busse unter Vorgabe einer Mindestbeförderungskapazität an Fahrgästen eine möglichst große Batterie und einen Pantographen erhalten, welche die Schnelladefähigkeit an Endpunkten sicherstellen. Damit scheiden die nicht unumstrittenen Batterien mit Feststoffzellen aus. Unsere Busse werden Lithium-NMC-Batterien von AKASOL, einem deutschen Batteriehersteller, erhalten. Diese können mit einer Ladeleistung von bis zu 300 kW geladen werden, Feststoffbatterien nur hingegen mit ca. 70 kW.

Auch ökonomisch ist dieser Ansatz sinnvoll. Eine von Spera durchgeführte Studie im Rahmen der Begleitforschung von E-Busprojekten hat ergeben, dass der batterieelektrische Antrieb (BEV) in Gelegenheitsladung die geringsten Zusatzkosten gegenüber dem Dieselbus ausweist.

Auch die ökologische Bewertung bestätigt den Vorteil des von uns gewählten E-Buskonzeptes. Der Batterie-Bus mit Gelegenheitsladung hat das Potenzial, über 80 % weniger CO2 auszustoßen als ein Dieselbus. Die Brennstoffzellenfahrzeuge liegen leicht dahinter.