KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für Fahrzeugsystemtechnik, Teilinstitut Bahnsystemtechnik
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Auslegungsmethodik für dieElektrifizierung von Buslinien
Markus Tesar
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ÖPNV im Wandel
Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien
Motivation
30.04.2018
Batteriedimensionierung
Reichweitenproblematik
Lokal emissionsfrei
Lärmreduzierung
Einsatz linienübergreifend
Simpler Betriebsablauf
Schadstoffemissionen
Lautstärkeproblematik
Diesel-
BusE-Bus
E-Bus fördert Trend zu lebenswerteren Städten
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Grundlage: PRIMOVE Mannheim
Induktives Gelegenheitsladen auf der Linie 63
Bus mit 60 kWh Batterie ausgestattet
Ziel: Erkenntnisse zur Elektrifizierung weiterer Linien
30.04.2018 Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien
Motivation
Wie muss das Gesamtsystem aus Fahrzeug, Betrieb und Infrastruktur
ausgelegt werden, um einen möglichst energieeffizienten Betrieb und eine
möglichst lange Lebensdauer der Batterie zu ermöglichen?
Leitfrage
Quelle: PRIMOVE Mannheim
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Grundlagen
Weiterentwicklung Gesamtsystem E-Bus
Simulationsstudien
Ergebnisse
Zusammenfassung
Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien
Agenda
30.04.2018
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Grundlagen
30.04.2018
Auslegung ist mit Zielkonflikten behaftet
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Grundlagen
30.04.2018
Fahrer
Gas & Bremse
Fahrzeug-
Parameter
Daten-
Input
Fahrzeug-
Modell Daten-
Output
Leistungen
SOC
etc.
v_soll
v_ist
Raddrehzahl
Betrieb & Umwelt
Modell bildet die Teilsysteme Fahrzeug, Betrieb und Infrastruktur ab
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Gesamtsystemsimulation
Energieflüsse validiert
Initialzustand nach jedem Umlauf angenommen
Ausschließlich Linie 63 betrachtet
Einfluss der Infrastruktur nicht berücksichtigt
Keine Gefäßgrößenvariation möglich
Markus Tesar - Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung von Buslinien
Grundlagen
30.04.2018
Untersuchung der Wechselwirkungen noch nicht möglich
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Gesamtsystemsimulation
Auswirkungen von variierendem Verkehrs- und
Fahrgastaufkommen
Berücksichtigung von Aus- und Einrückfahrten
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Weiterentwicklung Gesamtsystem E-Bus
30.04.2018
Repräsentative Aussagen zu Zielgrößen durch Simulation mehrerer, kompletter Betriebstage
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Teilsystem Betrieb
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Weiterentwicklung Gesamtsystem E-Bus
30.04.2018
Linie 63 60 53
Tägl. Fahrstrecke 180km 220km 290km
Anzahl Umläufe 19 10 8
Anzahl Haltestellen 25 46 72
Betriebstage
(GPS-Messdaten)3 3 3
Abweichende Charakteristika der Linien 53 und 60 zur Linie 63
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Teilsystem Infrastruktur
Linie 53 und 60 bisher nur für Dieselbusse ausgelegt
Auswahl geeigneter Ladehaltestellen nötig
Berücksichtigung von:
Haltedauer
Haltewahrscheinlichkeit
Netzanbindung durch ergänzenden Nahverkehr
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Weiterentwicklung Gesamtsystem E-Bus
30.04.2018
Elektrifizierung der Linien 53 und 60 mit 10 bzw. 12 Ladehaltestellen
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Simulationsstudien
30.04.2018
60kWh
2017
60kWh
202590kWh
2017
90kWh
2025
120kWh
2017
120kWh
2025240kWh
2025
240kWh
2017
480kWh
2017480kWh
2025
200kW 200kW 300kW 500kW
Linie53 Linie60 Linie63
12m 18m
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Gesamtsystemsimulation
Ziele:
Bestätigung Zielkonflikte bei Elektrifizierung von Buslinien
Identifikation von Alterungsfaktoren der Batterie
Feststellung Energiebedarf in Abhängigkeit der Gesamtsystemkonfiguration
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Simulationsstudien
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Linie 63 60 53
Simulationen ~450 ~150 ~100
Anzahl Ladehalte 0-12
Besonderheiten
Zusätzliche Standzeiten an den Endhaltestellen
Umwegfahrt
Batterietechnologie 2025++
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Sensitivitäten Batterielebensdauer
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Ergebnisse
30.04.2018
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
Reduktion Basis Steigerung
Sensitivitätsanalyse: Auswirkungen auf Lebensdauer für 12 m Bus mit 90 kWh Batterie und 300 kW Ladesystem
Batteriekapazität +/- 60kWh Ladeleistung +/- 100kW Heizleistung +/- 50kWh
Ladedauer +/- 5% Anzahl Fahrgäste +/- 20 Leergewicht Bus +/- 5t
Energiedichte Akku +/- 50Wh/kg Tägliche Strecke +/- 20km
Treibende Faktoren sind Ladedauer, Kapazität und Gefäßgröße
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Sensitivitäten Energiebedarf
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Ergebnisse
30.04.2018
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
Reduktion Basis Steigerung
Sensitivitätsanalyse: Auswirkungen auf Energiebedarf für 12 m Bus mit 90 kWh Batterie und 300 kW Ladesystem
Batteriekapazität +/- 60kWh Durchschnittsgeschwindigkeit +/- 5km/h Heizleistung +/- 50kWh
Halteanteil +/- 10% Anzahl Fahrgäste +/- 20 Leergewicht Bus +/- 5t
Energiedichte Akku +/- 50Wh/kg Tägliche Strecke +/- 20km
Treibende Faktoren sind Gefäßgröße, Klimatisierung und Streckenführung
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Pareto-Optimierung mittels Partikelschwarmoptimierung
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Ergebnisse
30.04.2018
Lebensdauer [Jahre] 8,36 9,19
Energiebedarf [kWh/km] 2,71 2,71
Batteriekapazität [kWh] 90 90
Ladeleistung [kW] 200 300
Ladehaltestellen 8 10
Zielkonflikt bei Auslegung durch Pareto-Optimierung bestätigt
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Erkenntnisse technologische Auslegung
Technisch optimal: jede Haltestelle = Ladehaltestelle
Minimierung Lade-/Entladehübe
Kleinere Batterie einsetzbar
Aufwand höherer Ladeleistungen bleibt unberücksichtigt
Ausstattung mit höherer Ladeleistung teurer
Kleine Gefäßgröße immer bevorzugt
Fahrgastaufkommen wird außer Acht gelassen
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Ergebnisse
30.04.2018
Betrachtung betriebswirtschaftlicher Faktoren notwendig
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Minimalauslegung für die Linie 63
Endhaltestelle als Ladepunkt ausreichend
Kostenreduzierung
60 kWh: 4,71 Jahre; 200 kW induktiv
90 kWh: 5,94 Jahre ; 25% Erhöhung; 500 kW kond.
Übernachtladen
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Ergebnisse
30.04.2018
60 kWh 90 kWh
# Ladehaltestellen 6 1
Ladeleistung 200 kW 500 kW
Batterielebensdauer 4,71 Jahre 5,94 Jahre
Energiebedarf 2,07 kWh/km 2,10 kWh/km
Praxistrend bei Linienauslegung geht in Richtung großer Batterie und wenig Ladeinfrastruktur
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Zusammenfassung
Zielkonflikte für die Auslegung nachgewiesen
Einflussfaktoren auf Lebensdauer und Energiebedarf ermittelt und quantifiziert
Auslegungsmethodik entwickelt
Optimierungspotenzial an der Mannheimer Linie 63 aufgezeigt
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Zusammenfassung
30.04.2018
Markus Tesar, M. Sc.
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
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