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[DRIVE-E 2013] Die Hybridbus-Erfahrungen der Dresdner Verkehrsbetriebe

Drive-E Akademie 2013 Fraunhofer Dresen Bundesfprschungsministerium

Dieser Beitrag ist im Rahmen der Drive-E Akademie 2013 entstanden. Die Drive-E Akademie wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) veranstaltet. Diesjähriger Hochschulpartner war die Technische Universität Dresden und das Institut für Automobiltechnik Dresden (IAD). Das DRIVE-E-Programm zur Nachwuchsförderung in der Elektromobilität bietet seit 2010 Studentinnen und Studenten aller deutschen Fachhochschulen, Universitäten und anderer Hochschulen die Möglichkeit, einen Einblick in die Praxis der Zukunftstechnologie Elektromobilität zu gewinnen.

Die Dresdner Verkehrsbetriebe DVB waren das erste europäische Verkehrsunternehmen, das einen serienmäßig hergestellten Hybridbus in die Flotte aufgenommen hat. Seit 2006 konnten Erfahrungen mit einem Hybridbus des Herstellers Solaris gesammelt werden. Die Flotte ist mittlerweile auf die deutschlandweit größte Hybridbusflotte mit 18 Fahrzeugen von verschiedensten Busherstellern angewachsen.

Im Rahmen der E-Drive Akademie hat Robert Roch, Leiter Center Kraftfahrzeuge, von den Erfahrungen der DVB mit Hybridbussen berichtet.

Grundlagen des Stadtbusbetriebs

Ein Bus, der im innerstädtischen Linienbetrieb eingesetzt wird, hat über seine Einsatzzeit eine Stillstandsquote von etwa 30 Prozent. Diese setzt sich vor allem aus Wartezeiten an Haltestellen (Fahrgastwechsel), an Lichtsignalanlagen und an Endpunkten (Wendezeit) zusammen. Da bei Wendezeiten die Motoren möglichst abgestellt werden, fallen die Stillstandszeiten an Haltestelle und Kreuzungen bei der Motorenanalyse besonders ins Gewicht.

Im Stadtverkehr gibt es sehr viele Anfahr- und Anhaltevorgänge, die einen hohen Beschleunigungsbedarf und sehr viele Lastwechsel erzeugen. In den vergangenen Jahrzehnten wurden die Getriebe auf die verkehrlichen Gegebenheiten im Stadtgebiet angepasst. Dieselmotoren im Busbereich schalten sehr schnell von der Anfahrstellung auf Teillast 1 hoch. Die Getriebe sind für 900 – 1200 Umdrehungen / Minute leistungs- und kraftstofftechnisch optimiert. 

Problematisch ist zudem der hohe Leistungseinsatz für die Nebenaggregate (Kompressor, Klimaanlage, Servopumpe, Lichtmaschinen), der etwa 12 Prozent beträgt.

Hybridsysteme für den ÖPNV

Es gibt zwei grundlegende Hybridtechniken. Bei der parallelen Hybridtechnologie greifen beide Antriebsarten zugleich auf den Antriebsstrang zu. Der elektrische Antrieb wirkt hier meist nur unterstützend. Der Verbrennungsantrieb läuft dauerhaft. Bei der seriellen Hybridtechnologie wird zunächst vom Verbrennungsmotor ein Generator angetrieben und die elektrische Energie in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert. Der Verbrennungsmotor kann dabei gleichmäßig im optimalen Drehzahlbereich betrieben werden. Ein oder mehrere Elektromotoren treiben die Räder an. Das Fahren erfolgt dabei rein elektrisch. 

Der elektrische Fahrbetrieb ist im ÖPNV vor allem aufgrund des höheren Drehmoments des Elektromotors interessant. Dieses liegt bei der „ersten“ Umdrehung an und ist bedeutsam für das Beschleunigungsverhalten des Busses.

Leistungsgewinn Hybridbus

Leistungsgewinn durch Zusammenspiel von Verbrennungs- und Elektromotor – Grafik: Datenblatt Volvo 7700 Hybrdbus, 2009 – eigene Bearbeitung

Der enorme Leistungsgewinn insbesondere beim Anfahren macht eine Umschulung des Fahrpersonals dringend erforderlich. Beim typischen Fahren eines Busses mit konventionellem Verbrennungsmotor wird das Gaspedal beim Anfahren komplett durchgedrückt und bei Erreichen der Reisegeschwindigkeit Gas zurückgenommen. Aufgrund des sehr guten Beschleunigungsverhaltens der elektrischen Fahrmotoren ist dieses Fahrverhalten bei Rücksichtnahme auf den Komfort der Fahrgäste nicht möglich.

Bei den Dresdner Verkehrsbetrieben musste die Leistung der Hybridbusse im Laufe der Textphase gemindert werden, da „ein Formel 1-gleicher Fahrbetrieb nicht notwendig war.“

Die DVB erhielt 2006 vom polnischen Bushersteller Solaris 2006 einen Solaris Hybrino 18 mit einem parallelen, leistungsverzweigten Hybridsystem von GM / Allison. Der Hybridantrieb ist in den USA bereits seit Jahren erprobt, jedoch waren Anpassungen an europäische Busmodelle notwendig. Im Vergleich zu den USA sind Busse hierzulande leichter, die Dieselmotoren und Getriebe effizienter und das Fahrpersonal besser qualifiziert.

Die 243 KW Leistung des Dieselmotors waren in Kombination mit zwei Elektromotoren/Generatoren mit je 75 KW Leistung eindeutig überdimensioniert. Ein konventioneller Gelenkbus mit Dieselmotor hat eine Leistung von etwa 260 KW, der Hybridbus von Solaris erreichte eine Leistung von 390 KW!  In der zweiten Fahrzeuggeneration wird nun ein der benötigten Leistung angemesseneren Dieselmotor ISBe4 mit 250 PS (178 kW) eingesetzt.

Die notwendige Energie wurde in zwei sub-pack (312 V) zu je 20 Modulen mit je zwei Zellen (eine Zelle = 7,8 V) gespeichert. Der Spannungsbereich liegt zwischen 432 und 780 Volt mit einer Kapazität von 20 Ah. Die 415 Kilogramm schweren Energiespeicher (NiMH) geben maximal 10 kWh Energie ab.

Im Allgemeinen werden Hybridfahrzeuge im ÖPNV als Zwischenschritt gesehen. Grund für die Zurückhaltung sind die fehlenden Erfahrungswerte mit Energiespeichern. Dieselmotoren und Elektromotoren sind Verkehrsunternehmen mit Straßenbahnbetrieb seit Jahrzehnten sehr gut bekannt. Die ersten Erfahrungswerte mit Energiespeichern werden in den kommenden Jahren gemacht werden, da nach etwa sechs Jahren ein erster Austausch der Ultracaps / Batterien notwendig wird.

Erfahrungen mit Hybridbussen im Linieneinsatz

DVB_Solaris_Urbino_Hybridbus

Solaris Urbino 18 (Hybrid) der Dresdner Verkehrsbetriebe – Foto: DVB

Aufgrund der fehlerhaften Abstimmung des Getriebes und weiterer Mängel in der Fahrzeugabstimmung konnte die vom Hersteller kommunizierte Kraftstoffeinsparung von 35 Prozent nicht erreicht werden. Stattdessen kam es sogar zu einer „negativen Einsparung“ von etwa sieben Litern Dieselkraftstoff je 100 Kilometer im Vergleich zu einem konventionellen Mercedes Citaro G (48 l/100 km vs 55l / 100 km Solaris Hybrino 18). Durch schrittweise Verbesserungen konnte der Mehrverbrauch jedoch verringert werden.

DVB MAN Lion's City Hybrid

MAN Lion’s City Hybrid der Dresdner Verkehrsbetriebe – Foto: DVB

In den nachfolgenden Jahren kaufte die DVB aufgrund der guten Fördermöglichkeiten noch drei serielle Hybrid-Gelenkbusse beim Bus-Herstellers Hess, acht Hybridversionen des Mercedes Benz Citaro G und mehrere MAN Lion’s City Hybrid.

DVB-HESS-hybridbus

der Dresdner Verkehrsbetriebe – Foto: DVB

Insbesondere mit den Fahrzeugen von Hess/Vossloh-Kiepe ist die DVB nicht zufrieden, da viele Ausfälle zu verzeichnen sind und das Energiemanagement, insbesondere im Bereich der Prädiktion und der Motorsteuerung im Fahrverlauf, noch nicht voll ausgereift ist. Zudem sind die Fahrzeuge mit 19,3 Tonnen Leergewicht eindeutig zu schwer.

Aufbau MB Citaro Hybrid

Dachaufbau des Mercedes-Benz Citaro G BlueTec-Hybrid – Grafik: Mercedes Benz

Das Mehrgewicht des Hybridantriebes ist generell noch viel zu hoch. Ein konventioneller Gelenkbus von Mercedes Benz hat ein Leergewicht von 16,7 Tonnen, der Parallel-Hybrid von Solaris wiegt 17,2 Tonnen, der  18,8 Tonnen (davon wiegt die Klimaanlage des Fahrgastraumes alleine eine Tonne) und der Seriell-Hybrid von Hess/Vossloh-Kiepe 19,3 Tonnen (Hess BGH-N2C Vossloh-Kiepe-Hybridbus). Das hohe Fahrzeuggewicht des Hess Hybrid hat seine Ursache in der verwendeten Luftkühlung, die sich flächendeckend auf dem Dach befindet.

Der Hybridbus von Solaris ist vergleichsweise leicht, da dieses Fahrzeug mit Mittelmotor ausgestattet ist. Bei Schubgelenkbussen, bei denen sich der Motor am Fahrzeugende befindet, muss der hintere Wagenkasten und das Gelenk sehr stabil gebaut werden. Aufgrund der Motorkonfiguration hat Solaris darauf verzichtet. Folge: Der Wagenkasten ist bereits mehrfach gerissen und musste geschweißt werden. Zudem sind Mittelmotoren bei Fahrgästen aufgrund der angeblich höheren Lärmbelastung unbeliebt (kann in Messungen nicht bestätigt werden, aber das meistens im vorderen Fahrzeugteil sitzende „Handtaschengeschwader“ ist dieser Meinung).

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Mercedes-Benz Citaro G BlueTec-Hybrid der Dresdner Verkehrsbetriebe – Foto: DVB

Neben des höheren Leergewichts ist der höhere Anschaffungspreis ebenfalls stark negativ. Für einen Solaris-Bus mit Hybridantrieb fallen die Anschaffungskosten 50 Prozent höher aus, beim seriellen Hybridbus von Mercedes Benz bereits 125 Prozent und beim seriellen Hybridbus von Hess 130 Prozent. Für den Tausch der Lithium-Ionen-Batterien müssen nochmals mindestens 30.000 Euro einkalkuliert werden. Die Anschaffung von Hybridfahrzeugen ist unter Berücksichtigung der angespannten Finanzlage kommunaler bzw. öffentlicher Verkehrsunternehmen nur mit einer Mindestförderquote ab 50 Prozent wirtschaftlich.

Weitere strukturelle und technische Probleme bestehen des Weiteren in mehreren Bereichen. So muss das Ersatzteillager kapitalintensiv für eine einzelne Fahrzeugart, die zudem nur in geringen Stückzahlen gefertigt wird, ausgebaut werden. Weiteres Konfliktpotenzial ist im Bereich der geschlossenen Dieselpartikelfilter und der Rekuperationseinheit zu finden. Die Effizienz im Fahrbetrieb hängt auch hochgradig vom Energiemanagement ab.

Verfügbarkeit

Starke Unterschiede zwischen den einzelnen Hybridsystemen und Busherstellern sind auch im Bereich der Fahrzeugverfügbarkeit feststellbar. So beträgt die Verfügbarkeit der Hess BGH-N2C Vossloh-Kiepe-Hybridbusse nur ~ 65 – 70%, Busse mit konventionellem Dieselmotor erreichen Verfügbarkeitswerte von 94-95%. Dies muss jedoch keinesfalls bedeuten, dass dieser Bus schlecht ist. Es kann sich auch um Erfahrungen mit sogenannten Montagsfahrzeugen handeln. Aufgrund der geringen Stückzahl lässt sich an dieser Stelle kein hundertprozentiges Fazit über die Verfügbarkeitswerte ziehen. Die Verfügbarkeit der Hybridbusse von Mercedes Benz ist wiederum höher und liegt im Mittel bei 80 Prozent. Durch Umbauten im Bereich der Achsen und des Kühlsystems (Neufahrzeuge mit fehlenden Erfahrungswerten auch aufseiten der Hersteller) sind die Verfügbarkeit jedoch zeitweise. Die Fahrzeuge des Herstellers MAN haben eine Verfügbarkeit von 85 – 90 Prozent, die Busse von Solaris stehen zu 70 Prozent der Einsatzzeit zur Verfügung.

Viele Verkehrsunternehmen, die in den vergangenen Jahren Hybridbusse angeschafft haben, rechneten leider mit einer Verfügbarkeit herkömmlicher Busse und sind daher laut Roch „etwas traurig“ (Bsp. MVG).

Kraftstoffverbrauch

Der erzielte Kraftstoffverbrauch ist stark vom Linienverlauf und dem eingesetzten Hybridsystem abhängig. Seriell-Hybrid des Typs Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid erreichen einen Kraftstoffreduktion von etwa 10 Prozent, MAN schafft einen Minderverbrauch von bis zu 12 Prozent. Die Einsparpotentiale sind jedoch stark vom Balancing des Hybridsystems abhängig.

Gegenüber der Referenz erreichen die Fahrzeuge von Hess eine „negative Ersparnis“ von etwa fünf bis sieben Prozent. Der Mehrverbrauch des Hybridbusses des Herstellers Solaris wurde auf fünf Prozent reduziert, dies ist aber stark Linienabhängig. Auf der Linie 61, 62 und 63 erreicht der Solaris mittlerweile Werte eines Busses mit konventionellem Antrieb.

Fazit

Die Dresdner Verkehrsbetriebe haben gemischte Erfahrungen mit Hybridbussen gemacht. Hybridantriebe im ÖPNV sind die ein Rohdiamant, die einen bestimmten „Schliff“ benötigen. Hybridbusse können nicht auf jeder Linie eine Ersparnis erzielen, sondern müssen einsatzbezogen kalkuliert und beschafft werden. Viele Verkehrsunternehmen haben in den vergangenen Jahren die Verfügbarkeit über- und den Schulungs- und Betreuungsaufwand vor allem beim Fahrpersonal unterschätzt. Die Kundenmeinung über die Busse ist zudem in Abhängigkeit des Modells geteilt und reicht von ungewohnt („Flugzeugtriebwerk“) bis super. 

In den kommenden Jahren dürfte sich jedoch die Elektromobilität mit Bussen weiterentwickeln. Die Möglichkeit der externen Energiezuführung an Haltestellen, gespeist aus dem 600 V DC Bahnstromnetz dürfte neue Einsatzpotenziale ergeben.

Verfasst von:

Martin Randelhoff

Herausgeber Zukunft Mobilität. Studium der Raumplanung an der TU Dortmund, Studium der Verkehrswirtschaft an der TU Dresden. Ist interessiert an innovativen Konzepten zum Lösen der Herausforderungen von morgen insbesondere in den Bereichen urbane Mobilität, Verkehr im ländlichen Raum, Wirkung autonomer Fahrzeugsysteme und nachhaltige Verkehrskonzepte.

7 Kommentare

  1. TransitPlanner

    Angesichts der bestehenden technischen Probleme läge doch eine Rückkehr zu O-Bus-Systemen näher… Die funktionieren wirklich, sind zuverlässig und energiesparend. Wenigstens werden die Probleme hier mal offen benannt!

    Antworten
  2. TOGTOG

    mit dem Artikel bin ich zum Teil nicht eiverstanden, hier werden Fahrzeughersteller namentlich benannt und deren Systeme sehr negativ dargestellt.
    Das kann für die Hersteller einen enormen Imageverlust bedeuten und kann sich negativ auf das Geschäftsfeld auswirken.
    Wenn so eine Untersuchung veröffentlicht wird, müssen auch Details im Bericht erwähnt werden, wie z.B. dass die Hybriden auf Linien eingesetzt werden, wo es auch wirtschaftlich sinnvoll ist. Diese Linien sind auch in Dresden gegeben.
    Ohne politische Förderung können Hybridsysteme die der Zwischenschritt zum reinen E-Bus sind, nicht weiter optimal entwickelt werden.

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    • Martin Randelhoff

      Hallo,

      mir ist bewusst, dass dieser Artikel nicht bei allen Busherstellern große Begeisterung hervorruft. Natürlich hat jedes Bussystem spezifische Vor- und Nachteile. Ich berichte hier explizit von den Erfahrungen, die man in Dresden gemacht hat. Die sind auch.mit den entsprechenden Grafiken, usw. aus der Präsentation belegbar. Das Problem ist, dass man nur sehr schwierig die verschiedenen Systeme vergleichen kann, ohne Ross und Reiter zu nennen. Dann geht der Informationsgehalt gegen Null. Und wie sie ja schreiben, soll der Hybridbus nur ein Zwischenschritt sein. Da kann sich ja durchaus noch etwas entwickeln. Fakt bleibt aber, dass sich die Entwicklung in Dresden genauso wie oben beschrieben zuträgt bzw. zugetragen hat. Und wie gesagt nicht unbedingt für andere Städte mit anderen Linien und einer anderen Topographie gilt.

      Sollten sich hier noch weitere Bedenken auftun, würde ich mich sehr über eine Mail freuen! Jeder Hersteller hat hier auch die Möglichkeit seine eigene offizielle Sicht der Dinge darzulegen. Dazu ist auch jeder herzlich eingeladen!

      Viele Grüße,
      Martin Randelhoff

      Antworten
  3. boris@ultimode.com

    Hätte nicht gedacht, dass die Hybridbusse sogar noch mehr verbrauchen können. Da sieht man mal wieder, dass man neuer Technik nicht einfach so vertrauen und sie auch hinterfragen sollte. Läuft die Entwicklung aber weiter, bin ich mir sicher, dass wir bald sehr sauber fahren.

    Danke für den wirklich tollen Bericht!

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  4. Bodo

    Aus meiner Sicht sind die Dieselhybridbusse eine technologische Sackgasse:
    „…nur mit einer Mindestförderquote ab 50 Prozent wirtschaftlich.“ Welche dt. Stadt kann sich eine derartige Förderung aktuell leisten?
    Es bleibt das Problem der besonders gesundheitsschädlichen Dieselabgase in der Stadt.
    So gesehen wären, sofern sauberer Strom verfügbar, die guten alten Trolleybusse eine bessere und billigere Alternative. Deren Emissionen finden außerhalb der Innenstadt statt. Wenn der bau der Oberleitungen zu teuer ist, gibts eine weitere, wenig beachtete Alternative: Erdgasantrieb. Mit Erdgas betriebene Ottomotoren emittieren im Wesentlichen Wasserdampf. Geschicktes Marketing sieht dann so aus:
    Feinstaub nein danke! Wir fahren mit Erdgas. (Gesehen an einem Bus der Stadtwerke Artern.
    ALternativ können solche Busse ohne jede technische Änderung auch mit synthetisiertem Methan betankt werden. Wenn das verfahren mit Abfallwindstrom gespeist wird, dann fahren die trotz Verbrennungsmotor CO2 neutral.

    Antworten
  5. Tobias

    Sehr interessant wäre wirklich wieviel ein Trolleybus kostet, plus Oberleitungsbaukosten pro Km. Gibt es dafür Zahlen?

    Andere Frage: Die Apothekerpreise für Hybridbusse sind doch nicht etwa für Serienmodelle? Bei einer Serienfertigung muss es doch noch zu Einsparungen kommen. Wie hoch schätzen Sie denn die zukünftigen Kosten bei Serienfertigung in nennenswerten Stückzahlen?

    Antworten
  6. Pavel

    Ich finde es traurig und idiotisch zu gleich.
    Wir fahren seit 10 Jahren Hybride als PKW. Seit dem sind etliche m3 an CO2 eingespart und Recourcen geschohnt worden.
    So lange die Industrie daran bastelt nur um zu beweisen, es ist wirtschaftlich fraglich Hybride einzusetzen und dabei kräftige Zuschüsse kassiert, sehe ich schwarz.
    Alleine die Bremsenergie ist ein Teil der Energie die bei den vielen Stationen wiedergewonnen wird.
    Da spielt das Gesemtgewicht eine untergeordnete Rolle.
    Ein Buss mit Direktangetrieb, Batterie als Zwischenspeicher und ein kleiner Generator um die Batterie nachzuladen, dürfte alles sein was nötig ist. Bitte nachdenken und endlich zur Potte kommen!

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