Rivera Nazario, Patrick (2017)
Abschätzung des Ausstattungsbedarfs der Bundesautobahnen mit Oberleitungs-Ladestationen zur Elektrifizierung des Fernbus-Linienverkehrs.
Technische Universität Darmstadt
Masterarbeit, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Modell für den Bedarf der Oberleitung-Ladestation der Fernbusse auf den deutschen Bundesautobahnen zu entwickeln. Um den Ausstattungsbedarf an Oberleitungs-Ladestationen abschätzen zu können, ist ein Modell mit Hilfe der Simulationsumgebung „AnyLogic“ erstellt worden. In den folgenden Zusammenfassungen werden die notwendigen Schritte zur Ergebnisfindung dargestellt. Zudem werden die wichtigsten Ergebnisse und ihre Schlussfolgerungen aus der Arbeit vorgestellt. Um dieses Modell zu entwickeln, ist diese Thesis in drei Schritte unterteilt. Beginnend mit den theoretischen Grundalgen zur Modellerstellung, ist im ersten Schritt dieser Masterthesis eine Literaturanalyse durchgeführt worden. Zuerst wurde eine umfassende Systemanalyse des Fernbuslinienverkehrs durchgeführt. Neben einer kurzen Darstellung der Definition und der rechtlichen Grundlagen, wurden auch eine ausführliche Marktanalyse erstellt. Dazu gehört neben der Entwicklung im aktuellen Markt auch eine Analyse der Marktteilnehmer und ihrer aktuellen Position am Markt. Seit der Liberalisierung des Fernbusmarktes kamen viele neue Anbieter und Investoren auf den Markt. Nach einer kurzen Einfindungsphase etablierten sich einige wenige Unternehmen, die durch Übernahmen oder Kooperation ihre Position verstärkt haben. Hervorzuheben ist die FlixBus GmbH, die mit einem Marktanteil von ca. 79 % der Fahrplankilometer im Jahr 2016 ein kleines Monopol auf dem Fernbusmarkt erschaffen, vor allem bei innerdeutschen Verbindungen. Der einzige derzeitige Konkurrent ist die Deutsche Bahn mit ihrer Tochtergesellschaft IC Bus, die ein Anteil von 14 % der Fahrplankilometer aufweisen kann. Jedoch verbindet der IC Bus nur wenige Strecken, vorwiegend die, die sowieso noch nicht über die Bahn bedient werden. Aus diesem Grund, wird für die Arbeit die FlixBus GmbH für die weitere Modellentwicklung bevorzugt. Festzuhalten ist weiterhin, dass eine sehr positive Wachstumsentwicklung auf dem Fernbusmarkt stattfindet, die auch in den nächsten Jahren noch anhalten soll. Das Aufkommen soll pro Jahr um ca. 6 % steigen. Die erhöhte Belastung soll durch verbesserte Verbindungen und eine höhere Auslastung der Busse ausgeglichen werden. Abschließend ist festzustellen, dass der anfängliche Wachstumsschub mittlerweile wieder etwas abgeflacht ist, trotzdem zeigt die Analyse für die kommenden Jahre einen durchaus positiven Verlauf. Bei der Analyse der Marktteilnehmer und der Fahrpläne, stellte sich heraus, dass sich die FlixBus GmbH auch bei den physisch eingerichteten Linien und bei der Anzahl der Fahrten von den anderen Unternehmen absetzt. Um das Modell zu erstellen, wurden zudem die Wochentage der Fahrpläne analysiert. Das Ergebnis der Auswertung liefert mit 688 Fahrten (17,9%) den Freitag als Spitzentag, da an diesem Tag die meisten Pendler unterwegs sind. Zudem wurde die durchschnittliche Auslastung im Fernbuslinienverkehr auf 60 % festgelegt. In einem zweiten Abschnitt wird der aktuelle technische Stand dargestellt. Dazu gehört das eHighway System der Siemens AG, die aktuellen Fahrzeuge auf dem Markt und die Entwicklung der Batterien. Zudem wird ein Referenzbus erstellt, der für die spätere Modellerstellung als Standardkonfiguration dient. Das eHighway-System besteht aus drei Kernkomponenten, der Energieversorgung, dem Stromabnehmer und der Hybridantriebstechnik. Die Energieversorgung wird, ähnlich wie bei der deutschen Bahn, durch Oberleitungen sichergestellt. Die Stromeinspeisung wird durch sogenannte Einspeisestationen realisiert, die in drei Kilometer Abständen die Oberleitung mit der nötigen Spannung versorgen. Der Stromabnehmer überträgt die Energie aus der Oberleitung zum Elektromotor durch einen sogenannten Pantographen, der je nach Verfügbarkeit der Oberleitung an -bzw. abbügeln kann. Die Hybridantriebstechnik ist eine klassische Kombination aus einem konventionellen Dieselmotor und einem Elektromotor, der je nach Batteriezustand zugeschaltet wird. Bei der Analyse der aktuellen Fahrzeuge im Fernbusmarkt, stellt sich heraus, dass es noch keine marktreifen hybridbetrieben Fernbusse gibt. Deshalb werden in dieser Arbeit alternative Fahrzeuge vorgestellt, die bereits im Nahverkehr erfolgreich betrieben werden. Zudem werden Systemalternativen zur Oberleitung vorgestellt, wie z.B. die Stromschiene und das induktive Ladeverfahren. Eine weitere Analyse zeigt den aktuellen Stand der FlixBus GmbH Fernbus-Flotte. Aus den dort erhobenen Daten wird anschließend ein Referenzbus erstellt, der für die Modellerstellung maßgebend ist. Dabei repräsentiert dieser Referenzbus ein Großteil der Flixbus GmbH Fahrzeuge. Für das Modell ist dieser Referenzbus als konventionelle und als hybridbetriebene Variante verfügbar. Für die Modellberechnungen, die im Hintergrund ablaufen, werden zudem die benötigten Batteriekennzahlen benötigt. Das Ergebnis der Berechnung liefert, für den Standardfall mit einer 60 kWh Batteriekapazität und eine Laderate von üblichen 2 C, eine Ladezeit von 15 Minuten. Im letzten Abschnitt der technischen Grundlagen werden die umweltrelevanten Aspekte analysiert. Die benötigten Treibhauseemissionen werden in verschiedenen Varianten berechnet, die bei der Produktion, Verteilung und Verbrennung von Diesel entstehen. Um einen späteren Vergleich zu ermöglichen, wird die ganze Kette von „well-to-wheel“ analysiert. Zudem wird die Produktionskette der Stromerzeugung detailliert vorgestellt, zum einem für den deutschen Strommix, zum anderen für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Die Berechnungen liefern ein CO2-Emmisonswert von 986,35 g CO2/km für den konventionellen Dieselmotor, 481,5 g CO2 /km für einen Elektromotor der mit Strom aus dem deutschen Strommix betrieben wird und 29 g CO2/km mit Strom aus erneuerbaren Energien. Der Verbrauch des Referenzbusses ergibt sich zu 0,9 kWh/km. Diese Daten werden miteinander verglichen und liefern eine Verbesserung der CO2-Emissionen von bis zu maximal 97 %, gleichbedeuten mit 231.944 t CO2 an absoluten Einsparungen im Jahr 2014. Zudem werden die sonstigen Vor- und Nachteile einer Elektrifizierung des Fernbuslinienverkehrs diskutiert. Dazu gehören gesundheitliche Verbesserungen durch Minderungen von Feinstaub und Lärm in städtischen und urbanen Regionen. Zudem ist die Abkopplung vom Ölmarkt ein weiterer wichtiger Aspekt, der für eine Elektrifizierung des Verkehres spricht. Die Nachteile bestehen in den aktuellen hohen Investitionskosten, die ein solches Projekt hervorrufen. Zudem besteht der aktuelle deutsche Strommix nur aus 29,5 % aus erneuerbaren Energie, so dass ein Wechsel zurzeit noch keine großen Einsparungen einbringen. Weiterhin entstehen bei der Batterieproduktion für die Hybrid-Fahrzeuge bis zu 140 kg CO2-Äquivalente pro kWh Batteriekapazität. Ein deutlich zu hoher Wert für einen umweltfreundlichen Einsatz im Straßenverkehr. In zweiten Schritt wird mit Hilfe der Simulationsumgebung „AnyLogic“ ein Modell entwickelt, welches zur Bestimmung der Lage der Oberleitungsstationen dient. Zuvor erfolgt eine kurze Definition des Modellierens und der Grundlagen. Zudem wird die Simulationssoftware AnyLogic und ihre vorteilhaften Eigenschaften bei der computeranimierten Simulation vorgestellt. Im Hauptteil werden die wesentlichen Funktionen und die Systematik bzw. Logik des erstellten Modells vorgestellt. Dazu gehört die Vorstellung der Klassen bzw. Agenten sowie die Funktionen, Variablen und die wichtigsten Events. Das Modell simuliert die Fahrten des erstellten Hybrid-Referenzbusses und bestimmt dadurch die Lage der Oberleitungs-Ladestationen. Dafür wird ein Netzmodell des existierenden Straßennetzes benötigt, welches die Bundesautobahnen darstellt, da nur dort die Oberleitungen erstellt werden können. Zudem werden aktuelle Fahrpläne der Fernbusverkehrsunternehmen in das System implementiert. Die Berechnungen werden vor allem in dem Agenten „Batterie“ durchgeführt. Alle benötigten Daten und Werte werden dort gesammelt und in Funktionen verarbeitet. Die implementierte Batterie des modellierten Referenzbusses entscheidet durch den aktuellen Ladezeitpunkt, zu welchem Zeitpunkt er eine Oberleitungs-Ladestation benötigt. Nachfahrende Busse können dann, je nach Nutzereinstellung, eine mögliche Verlängerung der Oberleitungs-Ladestation anfordern. Zudem ist für den Nutzer vor dem Start der Simulation ein Eingabefeld implementiert. Dort können alle berechnungsrelevanten Werte modifiziert werden, so dass sich neue Stationen ergeben. Das Modell liefert am Ende der Simulation die Lage der Oberleitungs-Ladestation graphisch auf einer GIS-Karte. Zudem werden die wichtigsten Koordinaten der Stationen in eine Excel-Datei („Data.xlsm“) abgespeichert. Aufgrund der während der Modellerstellung festgestellten erhöhten Rechenleistung und einer von „AnyLogic“ in ihren Möglichkeiten eingeschränkte studentische PLE-Version, kann nur eine bestimme Anzahl von Agenten modelliert werden. Deshalb werden sich die Ergebnisse auf die Strecke von Freiburg nach München beschränken. Eine Empfehlung für das gesamte deutsche Autobahnnetz wird allerdings im Fazit gegeben. Im dritten und abschließenden Schritt wird die genaue Lage, Position und Länge der Oberleitungs-Ladestationen ermittelt, die zur Abwicklung der Verkehre notwendig sind. In der Arbeit werden drei Varianten vorgestellt. Die Variante 1, in der alle Hybrid-Busse ohne Oberleitungen die Strecke zwischen Freiburg und München befahren, die Variante 2, ohne eine Verlängerung der Oberleitungs-Ladestationen durch nachfolgende Busse und Variante 3, die bereits bestehende Stationen durch Verlängerungen optimiert. Die Ergebnisse der Simulation für die drei Varianten liefert einen prozentualen Anteil der Strecken im Dieselbetrieb von 83,8 % (Variante 1), 30,5 % (Variante 2) und 29,3 % (Variante 3). Die dazugehörige Lage und Positionen kann entweder aus der Arbeit, dem Modell oder der Excel-Datei entnommen werden. Zusätzlich wird am Ende dieser Arbeit eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, die Auswirkungen von Annahmen und Parametervariationen auf die Modellergebnisse analysiert. Beispielhaft werden in diesem Abschnitt die Batteriekapazität und die Laderate der Oberleitung im Modell geändert, um die Auswirkungen auf die Modellergebnisse zu analysieren. Diese beiden Parameter wurden aufgrund ihres Entwicklungspotenzial ausgewählt. Bei einer Erhöhung der Batteriekapazität ergeben sich nicht zwangsläufig auch Verbesserungen in den Modellergebnissen. Einer Erhöhung der Kapazität kann nur zur Senkung der gesamten Oberleitungslänge beitragen. Sonstige Faktoren sind vor allem auch von der Lage der Oberleitungs-Ladestationen und dem Fahrplan der Busse abhängig. Die Erhöhung der Laderate verhält sich sehr ähnlich zur Parametervariation der Batteriekapazität. Auch hier stellen sich keine auschlaggebenden Verbesserungen ein. Nur ein Zusammenspiel bzw. Optimierung einzelnen Komponenten führt zu einer für die Strecke optimalen Ergebnis. Für die anschließende Auswertung wurde eine weitere vierte Variante erstellt, die genau diese Optimierungen aus der Sensitivitätsanalyse beinhaltet. Um eine Bewertung dieser vier Varianten zu erhalten wurde eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt. Das Ergebnis, für die auf 50 Jahre Lebensdauer kalkulierte Analyse, sind hohe Verluste in allen Szenarien mit Oberleitungs-Ladestationen. Die Ergebnisse sind aber nicht überraschend, da die Investitionskosten für die Oberleitungsinfrastruktur sehr hoch sind. Zudem sind die Nutzkosten schwer monetär bewertbar, trotz des Richtwertes des Umweltbundesamtes. Um eine vollständige Analyse zu erstellen, müssten auch Umweltfaktoren wie die Lärmbelastung, der Feinstaub und sonstige Emissionen (z.B. Stickoxide, Kohlenmonoxide) bewertet werden. Zudem ist eine alleinige Bewertung der Oberleitungs-Ladestation nicht möglich, da vor allem auch Lkws die Infrastruktur mitbenutzen können. Wie die Arbeit zeigt, ist ein solche Investition zur Elektrifizierung des Fernbusverkehrs mit Oberleitungs-Ladestationen ohne weitere Standortuntersuchung und systemübergreifende Analysen nicht ohne weiteres sinnvoll. Um diese Frage eindeutig beantworten zu können, bedarf es weiterer Untersuchungen, die sich vor allem mit einer ausführlichen Analyse der Busse in Kombination mit den Lkws beschäftigt. Mit dem Blick auf die kommenden verkehrlichen Entwicklungen des Fernbusmarktes, sollte der Fernbus bei weitergehenden Betrachtungen nicht ganz vernachlässigt werden. Zudem müsste hinterfragt werden, in wie weit gesundheitliche Aspekte (z.B. durch Lärm, Feinstaub) monetär bewertbar sind. Eine allgemeine Empfehlung für Standorte für Oberleitungs-Ladestationen wird im Fazit dieser Arbeit dargestellt.

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