Postauto auf Steroiden - Schrittweise Umstellung auf Elektromobilität

Abbildung 1, Situation Complication Mitigation

Die Politik sowie die Gesellschaft fordern, dass Unternehmen sich ökologisch bewusst verhalten. Aus diesem Grund muss PostAuto AG ihre ökologischen Pflichten nachgehen. Heutzutage werden die Strecken, für die PostAuto AG verantwortlich ist, hauptsächlich von Dieselbussen befahren. Diesel steht schon seit längerer Zeit im Fokus der umweltpolitischen Diskussion. Die Dieselbusse verursachen hohe Co²-Emissionen, welche sich wiederum negativ auf die Erderwärmung und Luftqualität auswirken. Um die ökologischen Erwartungen der Gesellschaft sowie der Politik zu erfüllen, hat die PostAuto AG bis 2024 beschlossen 100 Elektrobusse in Verkehr zu setzen. Zusätzlich ist die PostAuto AG in Zukunft bestrebt alle Postautos von Fossilenergie wegzubringen und durch erneuerbare Energie zu ersetzten.

Die grosse Herausforderung besteht darin, wie die Reichweite bei der Umstellung auf Elektrobusse gewährleistet werden kann. Die Elektrofahrzeuge haben im Vergleich zu Dieselfahrzeuge auf die Reichweite bezogen einen deutlichen Nachteil, da diese eine geringere Distanz als der Dieselbus zurücklegen können. Die Wartezeiten an den Haltestellen auf der Strecke sind zudem meistens zu kurz, um die Elektrobusse sinnvoll laden zu können. Jedoch haben die meisten Linien eine Endhaltestelle, an welcher der Elektrobus still steht und sich auf den neuen Kurs vorbereitet. Hierbei ergibt sich ein Zeitfenster, um den Elektrobus einige Minuten zu laden und ihn mit Strom zu versorgen. Die Endhaltestellen müssten so umgerüstet werden, dass sich eine Schnelllademöglichkeit ergibt. Durch die Umrüstung kann der Elektrobus mit der Reichweite eines Dieselbusses mithalten. Diese Umrüstung bringt eine mögliche Lösung bezüglich der Reichweite eines Elektrobusses und gleichzeitig mit der Lösung eine vorteilhafte Flexibilität. Diese Flexibilität des Ladetools beinhaltet die Möglichkeit die Ladung dezentral durchzuführen und den optimalen Ladezeitpunkt zu berechnen.

Ziel:

Unser Ziel war eine Lösung für die Beatenberg Strecke zu finden, welche sich als topographisch anspruchsvolle Bergregionstrecke erweist, in welcher der Elektrobus besonders viel Energie benötigt. Somit bestand die Herausforderung darin, wo und wie eine ausreichende Reichweite der Elektrobusse gewährleistet werden kann. Wir wollten somit eine kosteneffiziente Lösung für stark topografische anspruchsvolle Gebiete mit einer Schnellladestation an Haltestellen schaffen. Unsere Vision ist es, dass ein Elektrobus ausreichend Strom hat, um den ganzen Tag auf seiner Linie ökologischer fahren zu können.

Methode:

Als Methode haben wir eine Nutzwertanalyse anhand mehreren Exceltabellen erstellt. Mit der Nutzwertanalyse konnten wir herausfinden, dass eine Schnelladestation an der Beatenberg Endhaltestelle Sinn macht. Die lange Wartezeit an der Endhaltestelle und die anspruchsvolle topographische Lage sind die Hauptfaktoren für diese Entscheidung.

Abbildung 2, Topographie Strecke 101

Mit einer weiteren Nutzwertanalyse konnten wir ebenfalls herausfinden, dass der Pantograph als Ladetechnik sich am besten eignet. Die schnelle Ladezeit ist der entscheidende Vorteil, wieso der Pantograph bei der Nutzwertanalyse hervorstechen konnte. Nach Absprache und Austausch mit ABB, macht für unser Projekt der Pantograph Down am meisten Sinn. Der Pantograph Down bringt mehrere Vorteile mit sich, unter anderem ist dieser standardisiert und schweizweit bereits im Verkehr. Ausserdem ist der Pantograph HVC 300PD günstiger als andere Varianten und dieser passt von den Massen her optimal für die Endhaltestelle der Beatenbergstrecke.

Abbildung 3, Pantograph

Ein einfacher Ablauf veranschaulicht, wie ein Ladevorgang voraussichtlich aussehen würde:

Abbildung 4, Ladevorgang

Die Strecke 101 Interlaken West – Beatenberg Station genaustens auf Ihren Verbrauch untersucht. Dabei ergaben sich spannende Erkenntnisse, welche wir auf den 541 Streckenkilometer beobachten konnten. Die Dieselbusse sind zwar im Vergleich zu Elektrobussen aus ökonomischer Sicht kostengünstiger, jedoch um einiges umweltschädlicher. Die Elektrobusse stossen im Vergleich zu einem Dieselbus keine direkten Schadstoffemissionen aus. Ein vollgetankter Dieselbus kann ca. einen ganzen Tag lang durchfahren, während ein Elektrobus mit einer normalen Batteriekapazität nach ca. 120 Kilometern leer ist. (Siehe Abbildung 5, wo sich der blaue Graph bei ca. 120 Km schneidet) Hierbei gilt zu beachten, dass die Berechnungen auf gerader Strecke und witterungsunabhängig erstellt worden sind. Daher kann die Reichweite durch externe Gegebenheiten wie das Wetter, Traglast oder Fahrstiel des Chauffeurs variieren.

Abbildung 5, Verbrauch Batterie & Tankfüllung

Eine weitere spannende Entdeckung ergab sich bei der Kostenberechnung der Betriebsstoffe. Diese basieren auf den Durchschnittspreisen von September 2022. Dabei kann beobachtet werden, dass ein Elektrobus auf Kurzstrecken kosteneffizienter ist als ein Dieselbus. (Siehe Abbildung 6, blauer Graphen bis ca. 300 Km)

Ein Dieselbus hat jedoch auf Langstrecken in Bezug auf die Betriebskosten geringere Kosten. Dies könnte Aufschluss darüber geben, inwiefern die PostAuto AG ihren Umlaufplan bei den Elektrobussen anpassen muss, sodass ein Bus täglich nicht mehr als ca. 300 km fahren darf, um kosteneffizienter unterwegs zu sein. Auch hier gilt zu beachten, dass die Berechnungen auf gerader Strecke und witterungsunabhängig erstellt worden sind. Daher kann die Reichweite durch externe Gegebenheiten wie das Wetter, Traglast oder Fahrstiel des Chauffeurs variieren.

Abbildung 6, Betriebskosten

Die oben genannten Berechnungen lieferten die Grundlage für unser Ladetool. Im Ladetool haben wir zunächst die Ladeleistung pro Minute genutzt, um diese später dann mit der Haltedauer multiplizieren zu können. Weiter brauchten wir den kW Verbrauch pro Km, um auszurechnen wie viel kW der Bus für unsere gewünschte Strecke benötigt. Diese Zahl dient dann als unterste Grenze für den Batteriezustand mit welcher wir die Strecke noch schaffen. Zu guter Letzt brauchen wir noch die Batteriekapazität des Busses. Bei unserer Strecke bzw. unserem Bus ist diese 300 kW.

Der Batteriezustand vor dem Aufladen wird vom User selbst eingetragen. So können beliebige Szenarien durchgeführt werden. Unter Ergebnisse sehen Sie noch einen Screenshot des Ladetools, wie und was genau dieses anzeigt.

Ergebnisse:

Um die Ergebnisse vereinfacht darzustellen haben wir ein Flyer erstellt, welche alle wichtigen Facts zur Realisierung des Projektes aufzeigt und gleichzeitig die Lösung mit dem Pantographen auf der Beatenberg Endhaltestelle darstellt.

Abbildung 7, Flyer

Mit Hilfe unseres Ladetools kann die Beatenberg-Strecke beliebig nach Abfahrtszeiten und Ladezuständen berechnet werden. Die gelieferten Ergebnisse zeigen auf, ob eine Weiterfahrt mit dem neuen Batteriezustand möglich ist oder nicht. Hierbei ist wichtig zu erwähnen, dass dieses Tool mit nur einer bis drei Änderungen auch für andere Strecken genutzt werden kann. Dazu benötigen wir nur den Streckenverbrauch in kW (für eine Fahrt von Endhaltestelle ins Tal und zurück), die Ladeleistung pro Minute und die Batteriekapazität des Busses. Somit ist es unabhängig von Elektrobus, dessen Batterie, Hersteller der Ladestation und Strecke. Daher bietet dieses Ladetool einen beachtlichen Mehrwert für die PostAuto AG.

Abbildung 8, Ladecode Python

Quellenverzeichnis:

Titelbild: Niederhorn - staunen, erleben, geniessen, 30.10.2022

Abbildung 1: Eigene Darstellung 2022

Abbildung 2: https://www.google.com/intl/de/earth/, 25.10.2022

Abbildung 3: https://new.abb.com/products/6AGC066409/hvc-acs-ce-300-d-0-0, 25.10.2022

Abbildung 4: Pantograph aus Manager ABB Präsentation 2022

Abbildung 5: Daten aus Manager ABB Präsentation 2022

Abbildung 6:

Diesel,https://www.comparis.ch/carfinder/autofahren/treibstoff-preisentwicklung-schweiz, 11.11.2022

Strom,https://de.statista.com/statistik/daten/studie/329740/umfrage/haushaltstrompreis-in-der-schweiz/, 11.11.2022

Abbildung 7: Eigene Darstellung mit VistaCreate 2022