CO2 Minderung im Nahverkehr

Energieeinsparungen und CO2 Minderungen sind wichtige Themen im öffentlichen Verkehr. Jede Stadt stellt spezifische Anforderungen an ihr Verkehrskonzept. Die «Entdieselung» der Nahverkehrsbusse wird deshalb zu individuellen, jeweils auf die Stadt zugeschnittenen Verkehrskonzepten führen. Der Ersatz der Dieselbusse ist unumstritten. Innerhalb welcher Zeitspanne sie ersetzt werden ist jedoch von den Städten abhängig.

Die Möglichkeiten, durch den Ersatz von fossil betriebenen Fahrzeugen im öffentlichen Verkehr eine Reduktion der Treibhausgasemissionen zu erzielen, sind in mehreren Forschungsarbeiten an der FHNW analysiert worden. Im Fokus stand neben dem Dieselersatz für Züge durch verschiedene Antriebssysteme auch die «Entdieselung» von Nahverkehrsbussen. Seit mehreren Jahren sind Nahverkehrsbusse mit Brennstoffantrieben, Diesel-elektrische Hybridbusse und auch Batteriebusse im Testeinsatz oder vereinzelt im regulären Einsatz, zum Beispiel in Genf oder Bern. Die Wahl der klimafreundlichen Antriebe ist von den individuellen Gegebenheiten einer Stadt abhängig. Im Auftrag von Stadtbus Winterthur führte die FHNW eine Studie für die Umstellung der Dieselbusse auf Batteriebusse durch.

Ausgangslage der Studie

Ziel der Studie war für die Stadt Winterthur Antriebskonzepte für die Busse zu erstellen. Folgende Aspekte mussten dabei berücksichtigt werden:

• Energieverbrauch der Linien
• Fahrplan der Linien
• Fahrstrecke, die sich bedienen lässt
• Emissionsbelastung in der Umgebung
• Batterie Lade- und Lebensdauer
• Notwendige Infrastruktur

Nicht Bestandteil der Studie war die Analyse der Wirtschaftlichkeit der Umstellung einzelner Buslinien.

Das Busnetz der Stadt Winterthur enthält Strecken mit und ohne Oberleitungen. Die Strecken ohne Anbindung an die Oberleitung führen vom Stadtzentrum in Wohnquartiere (Linien 4, 5, 7, 9, 10, 11, 12, 14) als auch in die angrenzenden Gemeinden um Winterthur herum (Linien 660, 610, 611, 667, 674).

Ein zentrales Entscheidungskriterium für die Machbarkeit war der Energieverbrauch pro Umlauf für die einzelnen Buslinien, da dies die benötigte Batteriekapazität bestimmt und somit grosse Auswirkungen auf die Kosten hat (Abb. 1). Mithilfe des Fahrplans, der Fahrpausen und der Streckenführung konnten die Batteriegrössen und die Ladesysteme evaluiert werden.

Resultate der Studie

Als Ladesysteme boten sich für die Buslinien der Stadt Winterthur die konduktive Kurzladung, die «konduktiv in motion» und die Nachtladung im Busdepot an. «Konduktiv in motion» bezeichnet das Laden der Batterie an der Oberleitung beim Fahren. Die Oberleitung verbindet und löst sich dabei jeweils automatisch. Hierfür muss ein Stromabnehmer nachträglich installiert werden. Dieses Ladeverfahren ist dann geeignet, wenn die zu umrüstenden Linien Teilstrecken entlang der Oberleitung fahren. Dies ist bei einigen der Dieselstrecken in Winterthur möglich.

Die Batteriegrösse bestimmt die Wirtschaftlichkeit eines Busses. Eine vollständige Nachtladung ist für die Stadt Winterthur aufgrund der dafür benötigten Grösse und Gewicht der Batterie zu teuer (siehe Abb.2). Am Optimalsten ist die Kombination aus Nachtladung und Teilladung nach jedem Umlauf.

Die Buslinien 4, 10, und 674 benötigen relativ kleine Batterien (50 kWh). Grundsätzlich gelten jedoch Busbatterien von 200 kWh als Standardgrösse. Strecken, die grössere Batteriekapazitäten verlangen, müssen idealerweise gekürzt oder die Ladezeiten auf einem Umlauf vorgesehen werden. Dies gilt für die Busse der Linien 5, 7 und 11.

Die Batteriegrössen sind so ausgelegt, dass die relative Batterieladung nie 15% unterschreitet und zusätzlich dem Bus einen Umlauf ohne Ladung ermöglicht. Für die Ladung der Batterien wird eine Ladeleistung von 120 kW an der Oberleitung und 450 kW an den Kurzladestellen vorausgesetzt. Ob für diese Leistungen das bestehende Oberleitungsnetz zusätzlich ausgebaut werden muss, wurde in der Studie nicht überprüft. Eine Kurzladestelle ist noch nicht vorhanden und muss entsprechend dimensioniert und gebaut werden.

Ein weiteres Entscheidungskriterium für den Ersatz der Dieselbusse ist die Emissions­belastung der Umgebung durch Lärm und Abgase der Dieselmotoren der Busse. Für eine erhebliche Reduktion der Emissionen empfiehl die FHNW jene Dieselbusse zu ersetzen, welche durch die Wohnquartiere fahren. Die Verkehrs­belastungen durch Lärm und Abgase können aus den entsprechenden Karten (GIS-Karten) der Stadt Winterthur entnommen werden. Ein Beispiel für die Lärmbelastung ist in Abbildung 3 dargestellt. Die NOX Belastung ist in Abbildung 4 ersichtlich.

Fazit

Für die Umstellung der Dieselbusse auf Batteriebusse eignen sich besonders die Linien, die durch Wohngebiete führen und die Möglichkeit haben sich an den bestehenden Oberleitungen aufladen zu können. Diese Kriterien erfüllen rund 30 Dieselbusse in Winterthur. Mit einem zu bauenden Kurzladesystem an der Archstrasse können die Linie 4 und 11 durch batteriebetriebene Busse ersetzt werden. Für Linien mit langem Umlauf sind andere Transportsysteme als heute üblich sinnvoll. Dies gilt insbesondere für die Linie 5. Bei dieser Linie gibt es durch die spezifische Streckenführung – enge Strassen und grosse Steigung –  Probleme bei der Kreuzung von Bussen. Dies trifft insbesondere bei der Takterhöhung in naher Zukunft zu. Mit der Aufteilung der Strecke und neuen Lösungen können sowohl diese Probleme als auch die «Entdieselung» dieser Strecke ermöglicht werden. Neue Lösungen können Standseilbahn, Lift, autonomer Kleinbus in Verbindung mit einem Batteriebus sein.

Ausblick

Die spezifischen Bedingungen einer Stadt spielen beim Ersatz von dieselbetriebenen Nahverkehrsbussen eine grosse Rolle. Für die Stadt Winterthur scheinen die Ladeverfahren an der Oberleitung eine gute Alternative zu sein, da dazu wenig Investitionen für Ladestationen notwendig werden. Allerdings kann diese Lösung auch nur Übergangsweise nötig sein. Es ist vorstellbar, dass die Oberleitungen aus den Stadtzentren der Zukunft verschwinden. Die Studien zeigen, dass sich für unterschiedliche Städte andere Konzepte ergeben können. Es ist auch klar, dass sich durch die neuen Transporttechnologien ganz neue Konzepte für den Nahverkehr ergeben können. In der Zukunft werden sich im öffentlichen Nahverkehr viele unterschiedliche Lösungsvarianten für den Ersatz von Dieselbussen durchsetzen. Die Geschwindigkeit der «Entdieselung» wird durch die Umstellungskosten und den politischen Willen bestimmt.

Verdankung

Der Dank gilt allen beteiligten Studierenden F. Boulenc, L. Hefti, Th. Zbinden, A. Salzmann, M. Senn M. Völkle, M. Moor. Ebenfalls gilt der Dank dem Auftraggeber «Stadtbus Winterthur».