SCHWERPUNKTTHEMA: Alternative Antriebe
1. EINLEITUNG
In den letzten Jahren haben sich Verkehrsplaner zunehmend mit der Notwendigkeit befasst, sich in Richtung einer kohlenstoffarmen/kohlenstofffreien Zukunft zu bewegen. Selbst für Städte mit einem umfangreichen elektrischen U-Bahn- und Stadtbahnnetz besteht das Ziel darin, fossile Brennstoffe für die Antriebe in ihren Bussystemen zu ersetzen.
Die derzeit wohl verbreitetste Antwort darauf ist der batterieelektrische Bus („BEB“). Auf den ersten Blick scheint dies eine so einfache und attraktive Lösung zu sein. Einfach den Bus kaufen und, wie die Amerikaner sagen würden, „it’s good to go“. Wenn jemand in einer Stadt mit Oberleitungsbussen vorschlägt, dass das Oberleitungsbussystem eine bedeutende Rolle spielen könnte, zeigen die Befürworter des Batterie-Busses auf den BEB und sagen: „Bloß keine neuen Drähte!“.
Aber im Leben gibt es nur wenige “magische” Lösungen. Die Behauptung, dass BEBs viel einfacher und billiger zu installieren seien als Trolleybusse, könnte sich durchaus als illusorisch erweisen. Schließlich gibt es so viele Gemeinsamkeiten zwischen BEBs und Batterie-Trolleybussen: Fahrmotor; Leistungselektronik für die Steuerung von Geschwindigkeit und Bremsen, Batterien und Ladegeräte werden gemeinsam genutzt. Und bei annähernd gleichem Gewicht ist der Stromverbrauch sehr ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, wie die Energie übertragen und gespeichert wird, aber dieser Unterschied scheint nicht so grundlegend zu sein, dass er zu einem signifikanten Unterschied bei den erforderlichen Investitionen führen sollte.
Das Ziel dieser Abhandlung ist es, beim Leser die angebliche Einfachheit und relative Kosteneffizienz des Einsatzes von Batteriebussen im Vergleich zur Elektrifizierung mit Batterie-Trolleybussen mit In-Motion-Charging („IMC“) in Frage zu stellen und im Einzelfall zu prüfen. Es wird versucht, die realen Kapitalkosten verschiedener Bus-Elektrifizierungsstrategien zu untersuchen und die geschätzten Kapitalinvestitionen zu vergleichen, die benötigt werden für:
a) ein BEB-System, das auf einer langsamen Aufladung über Nacht basiert;
b) ein BEB-System, das auf schnellem Laden auf der Strecke basiert, oft als Opportunity Charging bezeichnet;
c) ein Batterie-Trolleybus-System mit Teilstrecken-Oberleitung und In-Motion-Charging
Wenn dies dazu führt, dass Verkehrsplaner und Politiker automatische Annahmen in der Frage der Buselektrifizierung vermeiden, hat es seinen Zweck erreicht.
Es ist nicht möglich, einen schlüssigen Beweis zu erbringen, dass die eine oder die andere Lösung „besser“ ist, was auch immer das für einen einzelnen Planer bedeuten würde. Erstens ist es sehr schwierig, die genauen Kosten für die einzelnen Komponenten zu ermitteln, z. B. aufgrund von Geschäftsgeheimnissen. Außerdem hängt vieles von den individuellen örtlichen Gegebenheiten einer bestimmten Stadt und bestimmten Strecken ab.
Die Kosten in diesem Bericht sind überwiegend in kanadischen Dollar angegeben, vor allem weil detaillierte Zahlen für BEB-Installationen aus zwei kanadischen Städten vorliegen: Toronto und Vancouver. Der andere wichtige Punkt, der bei der Lektüre des Berichts zu berücsichtigen ist, ist der Bezug auf großflächige und hochbelastete Anwendungen.
Aus den folgenden Ausführungen wird sich ergeben, dass eine groß angelegte Elektrifizierung mit Batteriebussen Investitionskosten in einer ähnlichen Größenordnung erfordern kann wie für ein entsprechendes Trolleybus-System mit Batterie-Trolleybussen mit IMC.
2. OPTIONEN DER BUS-ELEKTRIFIZIERUNG
Um sinnvolle Vergleiche anstellen zu können, müssen wir einige Beispiele aus der Praxis untersuchen. Obwohl keine zwei Städte genau gleich sein werden, können wir Daten von zwei Städten in Kanada finden, die die Grundlage für unsere Kostenvergleiche bilden.
Zum einen gibt es den Vorschlag der Toronto Transit Commission für eine Garage für 300 BEBs mit Nachtladung:
http://www.ttc.ca/About_the_TTC/Commission_reports_and_information/Commission_meetings/2018/June_12/Reports/27_Green_Bus_Technology_Plan_Update.pdf
Zum anderen gibt es den aktuellen Low Carbon Fleet Strategy Report für Translink, den Verkehrsbetrieb im Großraum Vancouver, zur Elektrifizierung der Busse bis 2030:
https://www.translink.ca/-/media/Documents/about_translink/governance_and_board/council_minutes_and_reports/2020/February/agenda_mayors_council_public_mtg_20200221.pdf
Siehe Punkt 4, Seite 28
Kostenkalkulationen für ein Trolleybus-System mit Batterie-Trolleybussen mit IMC unter Verwendung eines stromlinienförmigen Oberleitungssystems wurden von einer Reihe von Städten eingeholt und sind im Anhang verfügbar.
Es werden drei Optionen untersucht. Option 1 ist eine Flotte von 300 BEBs mit Depotladung, wie von der TTC vorgeschlagen. Option 2 sieht eine etwas kleinere Flotte von BEBs vor, die auf der Strecke aufgeladen werden. Option 3 sieht eine Flotte von Batterie-Trolleybussen mit IMC vor, die ausreicht, um die gleiche Arbeitslast abzudecken.
Wie weiter unten erläutert wird, empfehlen Berater im Allgemeinen, dass BEB-Flotten, die Depotladung nutzen, mindestens 20 % größer sein müssen als ihre Diesel- oder Trolleybus-Konkurrenten. Ein perfektes Zahlenverhältnis wäre 250 Trolleybusse in Option 3 zu 300 BEBs mit Depot-/Nachtladung in Option 1. In der Tat hat das Trolleybus-System in Vancouver 262 Trolleybusse, was für den Zweck der Verwendung von realen Kostenberechnungen nahe genug ist. Option 2 für das Laden auf der Strecke ist eine Zwischenstufe, bei der die zusätzliche Größe der Flotte nur 12% größer sein kann, sagen wir 280 BEBs.
Option 1: 300 Batterie-Bus-Flotte mit Depotladung
Basierend auf den veröffentlichten Plänen der Toronto Transit Commission.
a) Kapitalkosten für die Elektroinstallation
- 27,6 kVA Schaltanlage, die mit Toronto Hydro verbunden ist (dies liegt in der Verantwortung der TTC) = Kosten nicht bekannt
- 15.000 kVA Transformatorleistung im Besitz der TTC (6 modulare Einheiten von 2.500kVA)
- 600 V für Garage; 480 V für BEBs: Can$18 Mio.
- 15-MW-Backup-CNG-Generator: Can$11 Mio.
- 15MW Energiespeichersystem: (ESS – gespeicherte Energie 60MWh) Can$12,36m
- 80 Ladekabinen mit 160 Oberleitungsstromabnehmern Can$50 Mio.
- Gesamt: Can$91 Mio. (min.)
Anmerkungen:
- Die Busse werden in zwei Schichten aufgeladen ~150 pro Sitzung
- Die installierte Leistung basiert auf 150 Bussen mit einer maximalen Leistung von 100 kW = 15MW
- 150 Busse mit 400-kWh-Batterien benötigen 60.000 kWh – d.h. 4 Stunden Ladezeit bei 15MW
- Das ESS hat eine Speicherkapazität von 60 MWh. Kostenschätzung basierend auf US $156 pro kWh (Quelle: Bloomberg NEF) = Can$206 pro kWh.
- Nachtladegeräte bei Can$300k
b) Größe und Kosten der BEB-Flotte
Aufgrund von Problemen wie Ausfallzeiten beim Laden und Beschränkungen der maximalen Fahrgastlast durch das Gewicht der Batterien empfehlen die Berater, dass eine BEB-Flotte mit Depotladung mindestens 20 % größer sein muss als eine Diesel- oder Trolleybus-Flotte, um den gleichen Fahrplan und Fahrgastdurchsatz aufrechtzuerhalten.
In diesem Beispiel wird eine vorgeschlagene BEB-Flotte von 300 Fahrzeugen benötigt, um eine Bus- oder Trolleybusflotte von 250 Fahrzeugen zu ersetzen. Die Flottenkosten werden auf der Basis von 300 BEBs berechnet, die jeweils 1 Mio. Can$ kosten. Diese Kosten werden durch die jüngsten Anschaffungen in Kanada bestätigt. Gesamtkosten Can$300m
c) Zusätzliche Kapitalkosten für Grundstücke
Eine BEB-Flotte muss typischerweise 20% größer sein als die entsprechende Diesel- oder Trolleybus-Flotte.
Die Installation von großen Transformatoren, ESS und Backup-Generatoren zusammen mit den einzelnen Ladeeinheiten benötigt ebenfalls zusätzlichen Platz.
Es ist schwierig, einen endgültigen Betrag für die zusätzlichen Grundstückskosten zu nennen, die durch den Betrieb von BEBs entstehen. Vieles wird von den Grundstückswerten in der jeweiligen Stadt abhängen und davon, ob die Garage an der Peripherie der Stadt oder näher am Zentrum, z. B. in den inneren Vororten, platziert wird.
Ein relevantes Beispiel ist jedoch das kürzlich eröffnete Hamilton Transit Centre in Vancouver. Es handelt sich um ein 7,3 Hektar großes Gelände, das 300 konventionelle Busse beherbergt und 2017 rund 136 Mio. Can$ kostete. Die Kosten sind wahrscheinlich relativ bescheiden, da es sich am südlichen Rand der Stadt Vancouver selbst befindet, angrenzend an den Fraser River und in einem Gebiet, das früher für Sägewerke etc. genutzt wurde. Im Vergleich dazu wurde das alte Oakridge Transit Centre, das viel näher an Downtown liegt, kürzlich für 440 Mio. Can$ allein für den Grundstückswert verkauft.
Auf einer anteiligen Basis ist es vernünftig zu schätzen, dass die zusätzlichen Grundstückskosten für den Einsatz einer 300er BEB-Flotte anstelle einer 250er Bus- oder Trolleybusflotte in der Größenordnung von 25 Mio. Can$ liegen würden. In Städten wie Boston MA, die unter chronischem Platzmangel leiden, wäre die Zahl noch viel höher.
d) Zusammenfassung der Kapitalkosten
- Elektrifizierung: Can$91 Mio. min.
- Flottenkosten: Can$300 Mio.
- Zusätzliche Grundstückskosten: Can$25 Mio. (min.)
- Gesamtkosten für die Elektrifizierung einschließlich BEB-Flotte und Land: Can$446 Mio. (min)
Option 2: 280 Batteriebusse für Gelegenheitsladung entlang der Strecke
a) Kapitalkosten der elektrischen Installation
- 100 DC-Schnellladegeräte an Busschleifen mit je 500 kVA Transformator und Gleichrichter: Can$150 Mio.
- Depot-Transformator zur Bereitstellung zusätzlicher Ladung plus Depot-Ladeeinheiten, geschätzt: Can$10 Mio.
- Gesamtkosten für die Elektrifizierung: Can$160 Mio.
Anmerkungen:
Die Kosten für eine DC-Schnellladestation basieren auf Vancouver, der Rede des CEO von Translink und dem Low Carbon Fleet Strategy Report. Schnellladestationen werden mit Kosten zwischen Can$1 Mio. und Can$2 Mio. pro Stück angegeben, abhängig von Standort, Umständen usw. Hier wird ein mittlerer Kostenbereich verwendet.
-Verhältnis von einer Ladestation pro 3 Batteriebusse basierend auf den ersten Verträgen, die von Mosgortrans (Moskauer Verkehrsbehörde) im Jahr 2018 vergeben wurden
-Studie basierend auf Salt Lake City, Utah, schlug ein Verhältnis von einer Schnellladestation für je zwei Busse vor.
b) Zusätzliche Flottengröße
Siehe Option 1 b) oben. In diesem Beispiel hat eine vorgeschlagene BEB-Flotte von 280 die gleiche Kapazität wie eine Trolleybus- (oder Dieselbus-) Flotte von 250.
- Kosten für 280 BEBs = Can$280 Mio.
c) Zusätzliche Kapitalkosten für Grundstücke
Hier gilt das gleiche Prinzip wie in Option 1 c) oben beschrieben. Für die Zwecke dieser Studie schätze ich zusätzliche Grundstückskosten von mindestens Can$25 Mio.
d) Zusammenfassung der Kapitalkosten
- Elektrifizierungskosten: Can$160 Mio. min.
- Flotte von 280 BEBs: Can$280 Mio.
- Zusätzliche Grundstückskosten: Can$25 Mio.
- Gesamtkosten für die Elektrifizierung einschließlich BEB-Flotte und Land: Can$451m min.
Option 3: Äquivalente Trolleybusflotte
Ich verwende das Trolleybus-System von Vancouver als Vergleichspunkt. Es hat eine Flotte von 262 Trolleybussen. Idealerweise wäre der Vergleich zwischen einer Flotte von 250 Trolleybussen und 300 (d.h. 120%) BEBs, aber für die Zwecke dieses Dokuments ist die gewählte Annäherung ausreichend.
Das Oberleitungssystem besteht derzeit aus 160 km zweipoliger Oberleitung.
Der Kostenvergleich basiert auf dem Einsatz der neuesten Batterie-Trolleybusse, die mit In Motion Charging (IMC) ausgestattet sind. Diese technische Entwicklung hat drei positive Kostenvorteile für Trolleybusse:
i) Die Länge der Oberleitungsstrecke kann deutlich reduziert werden. Als grobe Faustregel kann die Reduzierung etwa 50 % betragen, der genaue Anteil hängt jedoch von den örtlichen Gegebenheiten, z. B. der Topographie, ab.
ii) Zweitens können die Investitionskosten durch die Fahrleitung auf gerader, einfacher Strecken und den Betrieb mit Batteriestrom in Bereichen, in denen sonst komplizierte und teure Abzweigungen usw. erforderlich wären, stark reduziert werden.
iii) Drittens können Einsparungen bei der Anzahl und Größe der Umspannwerke erzielt werden. Da die neueste IMC-Technologie die Mischung von Traktionsstrom aus der Oberleitung und der Batterie ermöglicht, ist das erforderliche Maß an Redundanz in der festen elektrischen Installation geringer als früher, da die Bordbatterien ihr eigenes Back-up bereitstellen, z. B. wenn ein bestimmter Abschnitt der Oberleitung eine niedrige Spannung aufweist.
Ich habe geschätzt, dass die installierte Leistung, die für das System erforderlich ist, 10 MW beträgt. Dies würde auf der Installation von 20 Unterstationen mit einer Leistung von jeweils 500 kVA basieren, die im Abstand von 4 km angeordnet sind.
a) Kapitalkosten der elektrischen Installation
- Gesamte 10-MW-Transformatorleistung: Can$12 Mio. (10/15 der in Toronto angegebenen Kosten)
- 10 MW Gleichrichter: Can$13,2 Mio.
- 80 km (50 % der Trassenführung) Zwei-Wege-Freileitung einschließlich Einspeisungen: Can$80 Mio.
- Gesamtkosten: Can$105.2m
Anmerkungen:-Beispiele für Peak Shaving sind die von ABB gelieferte Ausrüstung für SwissTrolleyPlus und Skodas Einsatz von Superkondensatoren für Peak Shaving in den neuesten Trolleybussen für Cluj-Napoca in Rumänien.
- Schätzung von Ladegeräten in Toronto, bereinigt um Ladestationen und Stromabnehmer usw.
- Kostenvoranschlag für die Verdrahtung von lokalen Kontakten in CMBC Trolley Overhead erhalten.
- Ratschläge zur installierten Leistung von Andrés Emiro Dìez, Professor für Elektrotechnik, UPB Medellin, Kolumbien.
- Gegenprobe: ABB-Angebot 500k Euro (Can$750k) pro km einschließlich Umspannwerke etc.
b) Flottenkosten
Aufgrund des bewährten Charakters und der technischen Eigenschaften von Trolleybussen, z. B. der theoretischen 24-Stunden-Verfügbarkeit, erfordert die Trolleybus-Option die kleinste Flotte. – 250 Trolleybusse.
Theoretisch sollten die inhärenten Kosten eines Batterie-Trolleybusses in einem positiven Marktumfeld im Großen und Ganzen die gleichen sein wie für BEBs. Für die Zwecke dieses Dokuments schlage ich einen Aufschlag von nicht mehr als 20% vor, um die speziellere Natur des Marktes in Nordamerika zu berücksichtigen, d.h. Kosten pro Trolleybus von 1,2 Mio. $.
c) Zusätzliche Kapitalkosten für das Grundstück
- Nicht erforderlich
d) Zusammenfassung der Kapitalkosten
- Elektrifizierungskosten: Can$ 105,2 Mio.
- Kosten der Flotte: Can$300m
- Zusätzliche Grundstückskosten: 0
- Gesamtkosten für die Elektrifizierung: Can$405,2 Mio.
3. Schlussfolgerung
Dieser Bericht soll nicht „beweisen“, dass ein Fahrzeugtyp wirtschaftlicher, geschweige denn „besser“ ist als ein anderer. Obwohl die Situation von Stadt zu Stadt unterschiedlich ist, ergeben sich aus den drei möglichen Ansätzen für eine großflächige Elektrifizierung von Bussen die folgenden geschätzten Kapitalkosten:
Da alle drei Optionen in einer ähnlichen Größenordnung liegen, ist es wichtig, dass sich die Verkehrsplaner und insbesondere die politischen Entscheidungsträger darüber im Klaren sind, dass batterieelektrische Busse keineswegs die billige und einfache Lösung sind, die viele zu glauben scheinen. Und umgekehrt, dass entgegen dem Anschein eine Installation mit Batterie-Trolleybussen mit IMC finanziell wettbewerbsfähig mit batterieelektrischen Bussen sein kann.
Appendix
A. BATTERIE-ELEKTRISCHE BUS-INSTALLATIONEN
a) King County Metro (Seattle)
- Flotte von 120 Depotlade-BEBs mit 466 kWh Batterien
- 60 Standard 12m BEBs @ US$925.000 pro Stück= US $55,5m
- 60 Gelenk-BEBs mit 18 m Länge für je 1.300.000 US-Dollar = 78 Mio. US-Dollar
- Gesamtkosten der Flotte US $133,5 Mio.
- Kosten für die Elektrifizierung der Garage für eine Flotte von 120 BEBs US $50 Mio. bis $60 Mio.
- Das Verhältnis von Flotte zu elektrischer Anlage beträgt 1 : 0,45
b) Capital District Transit Authority, Bundesstaat New York
Siemens DC-Depot-Ladegeräte, die mit je 121.000 US $ angegeben werden. Es wird vermutet, dass diese kleine Installation keine Aufrüstung von Transformatoren etc. im Depot erforderte.
c) Translink Vancouver Erster Versuch mit vier Opportunity Charging BEBs
- Der von CUTRIC (Canadian Urban Transit Research and Innovation Consortium) geförderte Versuch wurde im September 2019 in Betrieb genommen.
- Erprobung von 4 Opportunity-Charging-Batterie-Bussen plus zwei Terminal-Schnellladegeräte und ein Depot-Ladegerät. Gesamtkosten Can$10m.
- Jede erste Ladestation kostet Can$1 Mio.
- Die Busse kosten ebenfalls jeweils rund 1 Mio. $.
- Quelle: www.vancouversun.com/news/local-news/translink-will-run-four-electric-battery-buses-along-marine-drive-next-year
d) Translink Vancouver Low Carbon Fleet Strategy vom Februar 2020
i) Kosten für die Aufrüstung des BC Hydro-Depots. Diese würden reichen von:
- Port Coquitlam TC Can$350.000
- Richmond TC Can$4.500.000
- Hamilton TC Can$11.000.000
Die teureren Transitzentren würden wahrscheinlich nicht für die Aufladung des Depots ausgewählt werden.
(siehe S. 30 des Translink-Memos):
ii) BC-Hydro-Zuleitungskabel zu entfernten Unterstationen
- Ungefähre Kosten pro km Zubringerkabel Can$1 Mio./km
Quelle: Bericht der Berater Seite C-8
iii) Installierte Leistung für 200-Bus-Depot 8MW bis 10MW
- Depotvorbereitung für das neue Marpole Transit Centre Can$40m
- Anmerkung: Dies entspricht in etwa den Kosten für Transformatoren und Ladegeräte, die für die geplante Garage in Toronto veranschlagt wurden.
iv) Ladegeräte
- Depot-Ladegeräte SAE J3105 je Can$298.000
- Ladegeräte für die Strecke Can$2 Mio.
Quelle: Alle Kosten aus Tabelle 5, Seite 26
v) Flottengröße
- Vorgeschlagene Flottenbestellungen von 2020 bis 2029
- 40-Fuß (ca. 12 Meter): Ladegerät auf der Strecke 136 BEBs
- 40-Fuß (ca. 12 Meter): Depotladegerät 407 BEBs
- 60-Fuß (Ca. 18 Meter): Depotladung 92 BEBs
- Gesamtflotte: 635 BEBs
vi) Kosten für Batteriebusse
Hier ist Vorsicht geboten. Die in den Präsentationen für den Rat des Bürgermeisters genannten Kosten sind die zusätzlichen Kosten für BEBs über die Basiskosten für den Kauf von Diesel-Hybrid-Bussen hinaus
Siehe Folie 9 auf S. 36.
Die prognostizierten tatsächlichen Kosten sind wie folgt:
- 40ft/12m depotgeladener Bus Can$1,1 Mio.
- 40ft/12m Bus mit Aufladung auf der Strecke Can$0,95 Mio.
- 60ft/18m depotgeladener Bus Can$1,6 Mio.
- 60ft/18m Bus mit Aufladung auf der Strecke Can$1.4m
Hybridbus Kosten für Vergleichszwecke
- 40-Fuß-Diesel-Hybridbus Can$890.000
Quelle: D-1 Anhang D Tabelle D-1
B. KOSTENSCHÄTZUNGEN UND BEISPIELE FÜR DIE ELEKTRIFIZIERUNG VON TROLLEYBUSSEN
Berlin – Vorschläge für IMC Trolleybus-System in Spandau
- Die Kosten für die Verkabelung einschließlich der elektrischen Versorgung betragen 121 Mio. Euro.
- Abgedecktes Netz (verkabelt und unverkabelt) ist 125 km
- Die Systemkosten (verkabelt und unverkabelt) betragen Euro 968.000/km. Entspricht US$ 1,15 Mio./km
- Die tatsächlich verdrahtete Länge wäre 76 km.
- Die Kosten pro verkabelter Länge betragen Euro 1,59 Mio./km. Entspricht 1,89 Mio. US$
Quelle: „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – Berlin-Spandau“
Mexiko-Stadt:
- Baukosten für 1km mit elektrischer Versorgung sind US $1.5m/km
Vancouver Marine Drive Erweiterung 2009:
- 2,2 km Kabelverlängerung
- 4 MVA Gleichrichterstation kombiniert Gesamtkosten US $8,795 Mio.
Vancouver – aktuelle Schätzung:
- 1 km Zwei-Wege-Verkabelung Kann Can$1 Mio.
- Großes Umspannwerk Kann Can$5 Mio.
- Kleine Unterstation Kann Can$1 Mio.
Quelle beinhaltet die Kosten für die interne Oberleitungsabteilung.
St. Gallen Schweiz Erweiterungen 2020:
- 7 km Leitungsverlängerung = CHF 7m = Can$9.5m Pro km =Can$1,35m
- 3 Gleichrichterstationen (Leistung unbekannt) CHF 2,3 =Can$3,1m pro Stück Can$1,1m
Luzern Schweiz Verlängerung 2019:
- 4,7 km Verlängerung der Strecke 1 inklusive Elektrifizierung = CHF14,7 Mio.
- US$ 14,8 Mio.; Can$19,64 pro km Can$4,19
Französische Trolleybus-Oberleitungskosten:
In einem kürzlich erschienenen französischen Artikel werden die Kosten für die Trolleybus-Oberleitung einschließlich Unterwerken mit 600.000 Euro/km angegeben, was 920.000 Can$/km entspricht
