Die elektrische Zukunft

Versuche mit Elektrobussen gibt es nicht erst seit heute. Der Traum vom elektrischen Fahren zieht sich durch die Entwicklung des Omnibusses wie ein roter Faden. Allerdings konnte er sich nie durchsetzen. Die Gründe dafür sind vielfältig, ob zu billige konventionelle Kraftstoffe oder zu komplizierte und nicht ausbaufähige Technik, das Umdenken hat so richtig erst in den vergangenen Jahren eingesetzt. „Elektromobilität ist nicht mehr wegzudenken; sie wird sich schneller durchsetzen, als manche heute meinen", erklärte dann auch Staatssekretär Rainer Bomba vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur zum Auftakt der 6. VDV-Akademie-Konferenz „Elektrobusse – Markt der Zukunft!?", die Ende Februar dieses Jahres in Berlin stattfand. Kein Wunder, denn unsere Städte wachsen immer weiter und die städtischen Ballungsräume haben oftmals mit ­erhöhten Konzentrationen von Schadstoffen in der Luft zu kämpfen. Nach dem Feinstaub rücken nun zunehmend die Stickoxide ins Blickfeld. Elektrobusse sind lokal emissionsfrei und leisten daher einen wesentlichen Beitrag zur Entlastung der Kommunen von diesen Emissionen. Ein weiterer Vorteil ist die erhebliche Reduktion von Geräuschemissionen. Hier werden in wohl nicht mehr ferner Zukunft weitere Regulierungen erwartet, mit Elektrobussen ist man dann auf der sicheren Seite.

Mit Batterien ausgerüstete Elektrobusse stellen in vielen Fällen eine Alternative beispielsweise zu Trolleybussen dar. Allerdings sind Batteriebusse aufgrund der nach wie vor nicht aus­reichend speicherfähigen Batterietechnologien in ihrer Reichweite zwischen zwei Nachladevorgängen beschränkt. Stimmt auf einer Linie jedoch das Verhältnis zwischen Fahrzeit und -weite auf der einen Seite und den Wende- und Haltestellenaufenthaltszeiten auf der anderen Seite, lassen sich fahrzeugseitige Energiespeicher so wieder aufladen, dass ein ­Betrieb über den Tag hinweg auch bei einer größeren Gesamtfahrweite möglich ist. Häufig wird dieses Ladeprinzip mit „Opportunity Charging" oder Gelegenheitsladung bezeichnet. Grundvoraussetzungen hierfür sind schnellladefähige Batteriebusse, die in den zur Verfügung stehenden Zeiten ausreichend elektrische Energie aufnehmen können.

Und hier kommt das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI ins Spiel, welches seit fünf Monaten einen solchen Batteriebus im Fahrgastbetrieb in Dresden testet. Die Ingenieure des Fraunhofer IVI übernehmen die wissenschaftliche Begleitung, die Dresdner Verkehrsbetriebe (DVB) fungieren als Praxispartner. Dabei geht es weniger um das Fahrzeug an sich, als vielmehr um die Themen Energiespeichersysteme, wegseitig punktuell installierte Ladestationen, fahrzeugseitiges Hochstromkontaktsystem und vollelektrischer Antrieb. Nachdem der Bus ­anfangs auf einer Strecke in der Innenstadt unterwegs war, wurde im Februar der Schwierigkeitsgrad erhöht und eine Strecke gewählt, auf der eine starke Steigung (geht auf der Rückfahrt natürlich auch wieder abwärts) ­bewältigt werden muss. Der Einsatz endet ­jeweils am DVB-Busbetriebshof in Gruna. Und nur dort erhält der Bus in wenigen Minuten (zirka acht) nach jeder Runde eine Nach­ladung des Energiespeichers. Dafür hat das Fahrzeug vor dem Betriebshof seine eigene Ladestation. Während der Linienfahrt wird der Wagen durch normale DVB-Busfahrer gesteuert, die jedoch aus dem Fahrerpool für die ­Hybridfahrzeuge stammen.

Im Fokus steht das Schnellladesystem für Elektrobusse

Wie funktioniert aber nun dieses spezielle Fahrzeug und was wurde durch die Wissenschaftler des Fraunhofer IVI genau entwickelt? Prinzipiell ging es um ein Schnellladesystem für Elektrobusse. Mittels hoher Ströme und spezieller Verfahren kann der 85 Kilowattstunden starke Lithium-Ionen-Akku im Fahrzeug in kurzer Zeit nachgeladen werden. Das Projekt „Elektromobilitätsdemonstration Docking­anwendung“, kurz EDDA genannt, nutzt für die Energieübertragung einen Stromabnehmer auf dem Wagendach, der an der Ladestation in Gruna nur für einige Minuten ausgeklappt wird. Wenn sich der Bus der Haltestelle mit der Ladestation nähert, dann beginnt die Kontaktaufnahme. Mittels einer funkbasierten Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation und einer ausreichend genauen Positionserkennung des Fahrzeuges in der Haltestelle wird durch entsprechende Algorithmen die sichere Initialisierung des Kontaktprozesses eingeleitet. Dazu sind im Bordstein der Haltestelle RFID-Empfänger eingelassen, die erkennen, wenn sich der Bus, der über das entsprechende Funk­pendant verfügt, der Ladeposition nähert. In diesem ersten Zustand der Kontaktaufnahme fährt der sich auf dem Fahrzeugdach befind­liche Stromabnehmer halb nach oben. Steht der Bus in Endposition und hat der Fahrer die Federspeicherbremse betätigt, erfolgt der Kontaktschluss mit der Kontakthaube. Dem Fahrer reicht übrigens eine einfache, farblich markierte Linie am rechten Fahrbahnrand, an der er in etwa zum Stehen kommen muss. Das Kontaktsystem, bestehend aus Pantograf, Kontaktkopf und straßenseitiger Kontakthaube wurde durch die Firma Schunk Bahn- und Industrietechnik GmbH in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IVI entwickelt. Das entwickelte Kontaktsystem gestattet großzügig bemessene Positionierungstoleranzen des Busses gegenüber der straßenseitigen Kontakthaube, die durch den Fahrer problemlos sichergestellt werden können. Darüber hinaus gleicht das Kontaktsystem seitliche Bewegungen durch Kneeling aus. Gut ist das zu sehen im Film auf www.bustv.de. Nur 0,5 Sekunden nach Kontaktschluss beginnt der Ladevorgang. Für das Nachladen außerhalb des Betriebshofes, das sogenannte „Opportunity Charging“ oder Gelegenheitsladen, existieren zwei unterschiedliche Ansätze. Das Nachladen sowohl im Betriebshof als auch an den Endhaltestellen beziehungsweise an Haltestellen mit längerer Wartezeit hat den Vorteil, dass bei korrekter Auslegung der Batterie eine deutliche Vergrößerung der Reichweite ohne Einschränkungen im Betriebsablauf erzielt werden kann. In vielen Fällen ist es sogar möglich, den Betriebsablauf, wie er mit Diesel­bussen durchgeführt wird, vollständig und ohne zusätzlichen Fahrzeug- und Personalaufwand abzubilden. Hinzu kommt, dass für diese Form des Nachlade­regimes kleinere und besser in die Fahrzeuge integrierbare Batterien genutzt werden können. Wird neben dem Nachladen im Betriebshof sowie an Endhaltestellen auch Energie an Haltestellen entlang der Linie ­zugeführt, können Energiespeicher mit noch geringerem Energieinhalt verwendet werden. Ferner kommt hinzu, dass die Ladezeiten an den Endhaltestellen verringert werden können und dadurch die Verspätungsanfälligkeit eine geringere Rolle spielt. Allerdings erfordert ein solches Konzept höhere Kosten in die Bereitstellung der notwenigen Zwischenladestationen.

System kann ohne zusätz­liche Kühlung ausgeführt werden

Die Idee für einen vollelektrischen Busbetrieb nach dem Docking Prinzip entstand übrigens am Fraunhofer IVI bereits vor mehr als zehn Jahren. Mit Docking Prinzip wird ein neues elektrisches Antriebskonzept für Fahrzeuge des ÖPNV bezeichnet. Hierbei befindet sich ein Energiespeicher als alleinige Energie­ressource im Fahrzeug. Der Energiespeicher nimmt aus wegseitig punktuell installierten Schnellladeeinrichtungen (Docking-Stationen) Energie auf und gibt diese zum Antrieb des Fahrzeuges und zur Versorgung elektrischer Hilfsbetriebe bedarfsgerecht ab. Die Ladesta­tion wird an das Niederspannungsnetz eines Energieversorgungsunternehmens angeschlossen, aus dem das Laden des Stationsspeichers kontinuierlich mit kleiner Leistung erfolgt. Die Übertragung dieser mittels Doppelschicht-Kondensatoren gespeicherter Energie auf das Fahrzeug geschieht mit hoher Leistung über das Hochstromübertragungssystem. Besonders im Vergleich zu konventionellen Oberleitungsnetzen mit ihren Unterwerken bietet sich ein Kostenreduktionspotenzial. Für die Umwandlung der Wechselspannung des Versorgungsnetzes in eine definierte Gleichspannung wird ein elektronisch geregeltes Netzteil mit DC/DC-Wandler eingesetzt. Um die Energie aus der Ladestation in den Energiespeicher des Fahrzeugs zu übertragen, ist ein weiterer DC/DC-Wandler notwendig, der die Ausgangs­spannung der Ladestation auf das Niveau der fahrzeugseitigen Zwischenkreisspannung angleicht. Über die Schnittstelle von der wegseitigen Energieversorgung zum Fahrzeug sollen in kürzester Zeit hohe Energiemengen über­tragen werden. Diese Anforderung führt zu sehr hohen Strombelastungen der am Leistungstransfer beteiligten Übertragungskomponenten. Bisher bekannte Energieübertragungssysteme für Nahverkehrsfahrzeuge, wie zum Beispiel Stromabnehmer-Stromschiene/Oberleitung, können diese Anforderungen vor ­allem aus Gründen der thermischen Belast­barkeit nicht schaffen. Sie sind für den Fahrbetrieb dimensioniert und können die Anforderungen an den Leistungstransfer zur Speicherladung bei Fahrzeugstillstand nicht ausreichend erfüllen. Doch das Problem konnte von den Dresdner Wissenschaftlern gelöst werden. Der Kontaktschließ- beziehungsweise -öffnungsvorgang wird über einen elektromotorisch angetriebenen Scherenhub in Kombination mit Elektromagneten an den elektrischen Kontaktstellen realisiert. Beim Ausfahrprozess überwinden die Elektromotoren lediglich die Summe der Gewichtskräfte der mechanischen Konstruktion und führen deren elektrischen Kontakte an das wegseitige Gegenstück. Dadurch kann das Hochstromübertragungssystem sehr kompakt ausgeführt werden. Bei Erreichen einer ­Ausfahrschwelle erfolgt die Aktivierung der Elektromagnete. Nach automatischer Fahrzeug- und Positionierungserkennung wird der Kontaktschließvorgang als eine Abfolge von Ausfahrt des Scherenhubs und Aktivierung der Elektromagnete an den Kontaktstellen mit den wegseitigen Gegenstücken ausgeführt. Die Auswertung der permanenten Spannungsmessung an den Kontaktstellen und eine entsprechende Ansteuerung eines Leistungstrennschalters garantieren die Fehlerstromüberwachung. Wo hohe Ströme fließen, kommt es zu Wärmeentwicklung. Das gilt erst recht für den schnellen Energietransfer, bei dem die beteiligten Komponenten besonders hohen Strombelastungen ausgesetzt sind, was eine Erwärmung der einzelnen Bauteile bedeutet. Die Kontaktelemente jedoch wurden hinsichtlich ihres Formschlusses mit dem wegseitigen Gegenstück und bezüglich der während der Stromübertragung ausgeübten Kontaktkraft so dimensioniert, dass bei maximal zulässiger Stromtragfähigkeit und Außentemperatur an keinem Bauteil des Systems eine überkritische Erwärmung auftreten kann. Somit kann das System ohne zusätz­liche Kühlung ausgeführt werden. (sab)