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Entwicklung eines Simulationsmodells zur Bewertung der oberleitungsgebundenen Elektrifizierung von Fernbussen

Mülhause, Jens (2017):
Entwicklung eines Simulationsmodells zur Bewertung der oberleitungsgebundenen Elektrifizierung von Fernbussen.
TU Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

Mit der Fernverkehrsliberalisierung vom 01. Januar 2013 hat sich der Markt der Personenbeförderung auf der Langstrecke maßgeblich verändert. Während im Jahr 2012 der Marktanteil der Fernbuslinienverkehre bezogen auf alle im Fernverkehr beförderten Personen mit 2,474 Mio. Passagieren bei ca. 1,8 % lag, ist dieser Wert im Jahr 2016 mit 23,879 Mio. Passagieren auf knapp über 14,7 % gestiegen. Dabei haben Untersuchungen des IGES-Institutes gezeigt, dass ein Großteil dieser Neukunden nicht vom privaten Pkw zum Fernbus gewechselt sind, obwohl laut Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) „der Bus eine echte Alternative zum Auto“ darstellt. 44 % der Fernbuskunden hingegen generieren sich aus ehemaligen Kunden des Nah- und Fernverkehrs der Deutschen Bahn. Werden nun noch die volkswirtschaftlichen Gesamtkosten, veröffentlicht durch das Umweltbundesamt (UBA), miteinbezogen, so ist ein negativer Trend erkennbar. Dieser beschreibt wachsende modale Verkehrsverlagerungen im öffentlichen Personenfernverkehr (ÖPFV) vom ökologisch günstigen Schienenfernverkehr hin zum ungünstigeren Fernbuslinienverkehr. Dies widerstrebt jedoch inhaltlich den Zielen und Vorgaben der Bundesregierung zum Klimaschutz und der damit verbundenen Reduktion der Schadstoffemissionen im Verkehrswesen in Deutschland. Aufgrund dessen besteht die Relevanz im Bereich des Fernbuslinienverkehrs diesem Trend zu begegnen und ihn zur Erreichung der Ziele des Klimaschutzes zu nutzen. Dies soll insbesondere durch gezielten Ersatz des von konventionellen Energieträgern abhängigen Fuhrparks durch moderne umweltfreundliche Antriebstechnologien im Fernbussegment erreicht werden. Zumal im Bereich des Güterfernverkehrs die Ertüchtigung des Bundesfernstraßennetzes mit Oberleitungen zur Fahrzeugversorgung erprobt wird und dies ebenfalls für den ÖPFV in Betracht gezogen werden sollte. Im Kontext der aktuellen Forschungen im Bereich der Elektrifizierung öffentlicher Verkehre auf der Langstrecke werden jedoch Fernbuslinien-verkehre vernachlässigt, wodurch sich im Bereich der Elektrifizierung des ÖPFVs eine Forschungslücke ergibt. Wie die Forschungsprojekte im Güterfernverkehr zeigen, ist die infrastrukturseitige Technologie bereits vorhanden. Ebenso existieren alle notwendigen Technologien auf der Fahrzeugseite aus dem Bereich des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV). So werden in dieser Arbeit zunächst die wesentlichen Elemente der fahrzeugseitigen Komponenten beschrieben, sowie Betriebskonzepte erläutert, die den Betrieb von elektrifizierten ÖPFVs ermöglichen. Basierend auf diesen Erkenntnissen ergeben sich durch das technische Know-How, den grundsätzlichen politischen Willen, die vollkommene Abhängigkeit der Fernbuslinienbetreiber von konventionellen Energieträgern und die Chancen, die sich durch den Trend vorhanden sind, enorme Potentiale zum Einsatz alternativer Oberleitungsantriebe im ÖPFV. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickeln sich für die anschließende Arbeit die zentralen Fragen: Ist der Einsatz oberleitungsgebundener Antriebssysteme im öffentlichen Personenfernverkehr aus gesamtgesellschaftlicher Sicht sinnvoll? Ist der Einsatz oberleitungsgebundener Antriebssysteme im öffentlichen Personenfernverkehr aus betriebswirtschaftlicher Sicht sinnvoll? Zur Beantwortung dieser Fragen wird mittels eines Repräsentanten für die ÖPFVs der Regellinienbetrieb eines aktuell bestehenden Linienverkehrsangebots betrachtet. Hierzu wird die Linie des RMV-AirLiners im südlichen Rhein-Main-Gebiet gewählt. Als Untersuchungs-gegenstand verfügt diese über eine Großzahl von Eigenschaften längerer Fernbuslinien. Zum einen hat dieses Linienverkehrsangebot eine elementare Verbindungsfunktion zwischen der Darmstädter Innenstadt und dem Frankfurter Flughafen, zum anderen wird diese Linie mit Reisebussen betrieben, die bei einer hohen Durchschnittsgeschwindigkeit einen großen Anteil des Umlaufs im Bundesfernstraßennetz durchführen. Dabei sind die Reisedistanzen der Fahrgäste und deren Gepäckanteil im Gegensatz zu Fahrten im Nahverkehr hoch. Gleichzeitig hat die Routenführung des RMV-AirLiners im Bereich der BAB 5 die Besonderheit über die künftige Teststrecke für oberleitungsgebundene Güterfernverkehre zu verlaufen, die im Rahmen des Projektes ELISA der Technischen Universität Darmstadt projektiert ist. Durch das Projekt ELISA erfolgt eine Erprobung oberleitungsgebundener Antriebssysteme für öffentliche Güterfernverkehre erstmals im öffentlichen Verkehrsraum mittels der Installation eines zweipoligen Oberleitungssystems mit einer Länge von 6 bis 8 Kilometern je Fahrtrichtung. Die Modellierung dieses Regellinienbetriebs erfolgt auf Basis der Simulationsumgebung AnyLogic. Dabei wird zuerst ein unparametrisiertes Modell des RMV-AirLiners auf Grundlage aller notwendigen Variablen, Strukturen und Betriebsabläufe erstellt. Diese werden aus der vorhergehenden, umfangreichen Literaturrecherche gewonnen. Im Anschluss wird die Simulation eines Betriebstags des RMV-AirLiners in Echtzeit unter variablen Bedingungen im agentenbasierten, dynamischen Modell für die eingesetzten konventionell angetriebenen Reisebusse Setra S431 DT durchgeführt. Ziel dessen ist es, die Referenzwerte für die verursachten klima- und gesundheitsaktiven Luftschadstoffe Kohlendioxid (CO2), Stickoxide (NOx) und Feinstäube (PM), sowie Lärm zu generieren, um diese für ein Betriebsjahr hochzurechnen und damit die Umweltkosten auf volkswirtschaftlicher Ebene zu bestimmen. Darüber hinaus wird der Betrieb des RMV-AirLiners auch im Hinblick auf die betriebswirtschaftlichen Kosten für die Fernbuslinienverkehrsanbieter betrachtet. So werden Referenzwerte für Betriebs- und Kapitalkosten ermittelt. Im Vorfeld der weiteren Simulation werden ausgehend vom heutigen Stand der Technik zwei Prototypen oberleitungsgebundener Reisebusse erstellt, um diese im Rahmen der Simulation in AnyLogic mit dem Regellinienbetrieb unter Anwendung konventioneller Antriebe zu vergleichen. Dabei wird auf Basis existierender Technologie aus dem Bereich des ÖPNVs sowohl ein seriell-hybrider, als auch ein rein elektrisch betriebener batterie-elektrischer Oberleitungsreisebus entwickelt. Darüber hinaus werden für die anschließende Simulation auf dieser Basis zwei Betriebsszenarien erstellt, durch die verschiedene Grade der Elektrifizierung des Umlaufs abgebildet werden. Im Rahmen des ersten Szenarios werden die Bedingungen einer circa 20-prozentigen Elektrifizierung im Kontext des Projektes ELISA – ergänzt um zwei Zwischen-ladestationen – untersucht. Die Bedingungen eines mehr als 60-prozentigen Elektrifizierungs-grades durch eine Vollelektrifizierung der BAB 5 werden innerhalb des Szenario 2 eruiert. Zudem erfolgt durch das Einbeziehen verschiedener Temperaturbereiche die Untersuchung der Witterungseinflüsse auf den Betrieb. In diesem Zusammenhang werden somit für die verschiedenen Kombinationen aus alternativer Antriebskonfiguration, Betriebsszenario und äußeren Einflüssen die Umweltemissionen für die volkswirtschaftliche Kostenrechnung, sowie die Betriebs- und Kapitalkosten für die betriebswirtschaftliche Kostenrechnung ermittelt. Diese werden genauso wie die Referenzwerte auf ein Betriebsjahr hochgerechnet. Daraufhin erfolgt ein Vergleich der durch die Simulation gewonnenen Kostensituation konventioneller und alternativer (Oberleitungs-) Antriebe, sowie die Bewertung der Kosten-reduktion durch den Regellinienbetrieb des RMV-AirLiners mittels der alternativ angetriebenen oberleitungsgebundenen Reisebusse. Die Anwendung des Modells zeigt, dass durch den Einsatz dieser und dem damit erfolgten Ersatz der konventionellen Antriebstechnik bei einer Jahreskilometerleitung von 745.307 km im Rahmen der Elektrifizierung durch ELISA pro Jahr zwischen 263,7 t und 283,2 t CO2, zwischen 4,9 t und 5,4 t NOx, sowie zwischen 117,6 kg und 127,5 kg Feinstaub eingespart werden. Das entspricht 31,9 % des jährlichen CO2-Ausstoßes, über 90 % des NOx-Ausstoßes und über 86 % der Feinstaubemissionen. Darüber hinaus sind gerade im innerstädtischen Umfeld bei kleinen Geschwindigkeiten zusätzliche Reduktionen der Lärmemissionen vorhanden, die jedoch nur bedingt quantifizierbar sind. Über das Jahr hinweg lassen sich somit Umweltkosten zwischen 136 Tsd. EUR und knapp 147 Tsd. EUR einsparen. Dies stellt eine Reduktion der volkswirtschaftlichen Kosten von bis zu 59 % dar, wobei der batterie-elektrische Oberleitungsantrieb durch das rein elektrische Fahren Vorteile gegenüber dem seriell-hybriden Oberleitungsantrieb besitzt. Durch den Einsatz alternativer Antriebe in Bezug auf eine Vollelektrifizierung der BAB 5 stellen sich die gleichen Werte ein, wobei der seriell-hybride Oberleitungsantrieb hierbei dem batterie-elektrischen Oberleitungsantrieb ebenbürtig ist. Werden die betriebswirtschaftlichen Kosten des RMV-AirLiners im Regellinienbetrieb mit alternativen Oberleitungsantrieben betrachtet, so kann grundsätzlich gesagt werden, dass die Betriebs- und Kapitalkosten der ungünstigsten Kombination von Antriebskonfiguration und Betriebsszenario nicht um mehr als 4 % über den Kosten des Einsatzes konventioneller Antriebe liegen. Im Gegensatz dazu besteht sogar das Potential einer Kostenreduktion von mehr als 1 % durch den Einsatz alternativer Oberleitungsantriebe, wenn es gelingt, einen rein elektrischen Fahrtablauf zu gewährleisten. Auf betriebswirtschaftlicher Ebene stellt der Regellinienbetrieb des RMV-AirLiners unter den gewählten Bedingungen kein Kostenproblem dar. Es kann zusammengefasst werden, dass der Einsatz oberleitungsgebundener Antriebssysteme in Reisebussen im Allgemeinen und der Einsatz batterie-elektrischer Oberleitungsantriebe in Reisebussen im Speziellen für den Einsatz im Fernbuslinienverkehr unter den gewählten Bedingungen sinnvoll ist. Vor allem in Bezug auf die Potentiale dieser Antriebe ergeben sich damit die volkswirtschaftlichen Vorteile, während die Kosten auf betriebswirtschaftlicher Ebene kein Hindernis darstellen, sondern auch die Chance eines zukunftssicheren und image-trächtigen Betriebs bieten. Gleichzeitig werden durch die Simulation weitere Fragen im Kontext des Projektes ELISA beantwortet. So ist für einen rein elektrischen Betrieb des RMV-AirLiners mit batterie-elektrischen Oberleitungsreisebussen eine elektrifizierte Strecke von 13,9 km pro Fahrtrichtung notwendig. Unter der Nutzung der projektierten Oberleitungsstrecke, die mit 6,5 km angenommen wird, sind Energiespeicher von 340 kWh in den Fahrzeugen nötig, um einen betriebssicheren Ablauf des Linienverkehrs unter Vorhaltung ausreichender Energiereserven zu ermöglichen und gleichzeitig durch optimale Batterienutzung die Langlebigkeit dieser sicherzustellen. Abschließend erfolgt eine kritische Würdigung der Modellergebnisse. Dabei werden die zentralen Aspekte der Arbeit nochmals zusammengefasst und kritisch reflektiert, sowie diskutiert. Im Rahmen eines Ausblicks werden offene Fragen formuliert und weitere Forschungsmöglichkeiten auch im Hinblick auf die ungenutzten Potentiale des erstellten Modells aufgezeigt.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2017
Creators: Mülhause, Jens
Title: Entwicklung eines Simulationsmodells zur Bewertung der oberleitungsgebundenen Elektrifizierung von Fernbussen
Language: German
Abstract:

Mit der Fernverkehrsliberalisierung vom 01. Januar 2013 hat sich der Markt der Personenbeförderung auf der Langstrecke maßgeblich verändert. Während im Jahr 2012 der Marktanteil der Fernbuslinienverkehre bezogen auf alle im Fernverkehr beförderten Personen mit 2,474 Mio. Passagieren bei ca. 1,8 % lag, ist dieser Wert im Jahr 2016 mit 23,879 Mio. Passagieren auf knapp über 14,7 % gestiegen. Dabei haben Untersuchungen des IGES-Institutes gezeigt, dass ein Großteil dieser Neukunden nicht vom privaten Pkw zum Fernbus gewechselt sind, obwohl laut Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) „der Bus eine echte Alternative zum Auto“ darstellt. 44 % der Fernbuskunden hingegen generieren sich aus ehemaligen Kunden des Nah- und Fernverkehrs der Deutschen Bahn. Werden nun noch die volkswirtschaftlichen Gesamtkosten, veröffentlicht durch das Umweltbundesamt (UBA), miteinbezogen, so ist ein negativer Trend erkennbar. Dieser beschreibt wachsende modale Verkehrsverlagerungen im öffentlichen Personenfernverkehr (ÖPFV) vom ökologisch günstigen Schienenfernverkehr hin zum ungünstigeren Fernbuslinienverkehr. Dies widerstrebt jedoch inhaltlich den Zielen und Vorgaben der Bundesregierung zum Klimaschutz und der damit verbundenen Reduktion der Schadstoffemissionen im Verkehrswesen in Deutschland. Aufgrund dessen besteht die Relevanz im Bereich des Fernbuslinienverkehrs diesem Trend zu begegnen und ihn zur Erreichung der Ziele des Klimaschutzes zu nutzen. Dies soll insbesondere durch gezielten Ersatz des von konventionellen Energieträgern abhängigen Fuhrparks durch moderne umweltfreundliche Antriebstechnologien im Fernbussegment erreicht werden. Zumal im Bereich des Güterfernverkehrs die Ertüchtigung des Bundesfernstraßennetzes mit Oberleitungen zur Fahrzeugversorgung erprobt wird und dies ebenfalls für den ÖPFV in Betracht gezogen werden sollte. Im Kontext der aktuellen Forschungen im Bereich der Elektrifizierung öffentlicher Verkehre auf der Langstrecke werden jedoch Fernbuslinien-verkehre vernachlässigt, wodurch sich im Bereich der Elektrifizierung des ÖPFVs eine Forschungslücke ergibt. Wie die Forschungsprojekte im Güterfernverkehr zeigen, ist die infrastrukturseitige Technologie bereits vorhanden. Ebenso existieren alle notwendigen Technologien auf der Fahrzeugseite aus dem Bereich des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV). So werden in dieser Arbeit zunächst die wesentlichen Elemente der fahrzeugseitigen Komponenten beschrieben, sowie Betriebskonzepte erläutert, die den Betrieb von elektrifizierten ÖPFVs ermöglichen. Basierend auf diesen Erkenntnissen ergeben sich durch das technische Know-How, den grundsätzlichen politischen Willen, die vollkommene Abhängigkeit der Fernbuslinienbetreiber von konventionellen Energieträgern und die Chancen, die sich durch den Trend vorhanden sind, enorme Potentiale zum Einsatz alternativer Oberleitungsantriebe im ÖPFV. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickeln sich für die anschließende Arbeit die zentralen Fragen: Ist der Einsatz oberleitungsgebundener Antriebssysteme im öffentlichen Personenfernverkehr aus gesamtgesellschaftlicher Sicht sinnvoll? Ist der Einsatz oberleitungsgebundener Antriebssysteme im öffentlichen Personenfernverkehr aus betriebswirtschaftlicher Sicht sinnvoll? Zur Beantwortung dieser Fragen wird mittels eines Repräsentanten für die ÖPFVs der Regellinienbetrieb eines aktuell bestehenden Linienverkehrsangebots betrachtet. Hierzu wird die Linie des RMV-AirLiners im südlichen Rhein-Main-Gebiet gewählt. Als Untersuchungs-gegenstand verfügt diese über eine Großzahl von Eigenschaften längerer Fernbuslinien. Zum einen hat dieses Linienverkehrsangebot eine elementare Verbindungsfunktion zwischen der Darmstädter Innenstadt und dem Frankfurter Flughafen, zum anderen wird diese Linie mit Reisebussen betrieben, die bei einer hohen Durchschnittsgeschwindigkeit einen großen Anteil des Umlaufs im Bundesfernstraßennetz durchführen. Dabei sind die Reisedistanzen der Fahrgäste und deren Gepäckanteil im Gegensatz zu Fahrten im Nahverkehr hoch. Gleichzeitig hat die Routenführung des RMV-AirLiners im Bereich der BAB 5 die Besonderheit über die künftige Teststrecke für oberleitungsgebundene Güterfernverkehre zu verlaufen, die im Rahmen des Projektes ELISA der Technischen Universität Darmstadt projektiert ist. Durch das Projekt ELISA erfolgt eine Erprobung oberleitungsgebundener Antriebssysteme für öffentliche Güterfernverkehre erstmals im öffentlichen Verkehrsraum mittels der Installation eines zweipoligen Oberleitungssystems mit einer Länge von 6 bis 8 Kilometern je Fahrtrichtung. Die Modellierung dieses Regellinienbetriebs erfolgt auf Basis der Simulationsumgebung AnyLogic. Dabei wird zuerst ein unparametrisiertes Modell des RMV-AirLiners auf Grundlage aller notwendigen Variablen, Strukturen und Betriebsabläufe erstellt. Diese werden aus der vorhergehenden, umfangreichen Literaturrecherche gewonnen. Im Anschluss wird die Simulation eines Betriebstags des RMV-AirLiners in Echtzeit unter variablen Bedingungen im agentenbasierten, dynamischen Modell für die eingesetzten konventionell angetriebenen Reisebusse Setra S431 DT durchgeführt. Ziel dessen ist es, die Referenzwerte für die verursachten klima- und gesundheitsaktiven Luftschadstoffe Kohlendioxid (CO2), Stickoxide (NOx) und Feinstäube (PM), sowie Lärm zu generieren, um diese für ein Betriebsjahr hochzurechnen und damit die Umweltkosten auf volkswirtschaftlicher Ebene zu bestimmen. Darüber hinaus wird der Betrieb des RMV-AirLiners auch im Hinblick auf die betriebswirtschaftlichen Kosten für die Fernbuslinienverkehrsanbieter betrachtet. So werden Referenzwerte für Betriebs- und Kapitalkosten ermittelt. Im Vorfeld der weiteren Simulation werden ausgehend vom heutigen Stand der Technik zwei Prototypen oberleitungsgebundener Reisebusse erstellt, um diese im Rahmen der Simulation in AnyLogic mit dem Regellinienbetrieb unter Anwendung konventioneller Antriebe zu vergleichen. Dabei wird auf Basis existierender Technologie aus dem Bereich des ÖPNVs sowohl ein seriell-hybrider, als auch ein rein elektrisch betriebener batterie-elektrischer Oberleitungsreisebus entwickelt. Darüber hinaus werden für die anschließende Simulation auf dieser Basis zwei Betriebsszenarien erstellt, durch die verschiedene Grade der Elektrifizierung des Umlaufs abgebildet werden. Im Rahmen des ersten Szenarios werden die Bedingungen einer circa 20-prozentigen Elektrifizierung im Kontext des Projektes ELISA – ergänzt um zwei Zwischen-ladestationen – untersucht. Die Bedingungen eines mehr als 60-prozentigen Elektrifizierungs-grades durch eine Vollelektrifizierung der BAB 5 werden innerhalb des Szenario 2 eruiert. Zudem erfolgt durch das Einbeziehen verschiedener Temperaturbereiche die Untersuchung der Witterungseinflüsse auf den Betrieb. In diesem Zusammenhang werden somit für die verschiedenen Kombinationen aus alternativer Antriebskonfiguration, Betriebsszenario und äußeren Einflüssen die Umweltemissionen für die volkswirtschaftliche Kostenrechnung, sowie die Betriebs- und Kapitalkosten für die betriebswirtschaftliche Kostenrechnung ermittelt. Diese werden genauso wie die Referenzwerte auf ein Betriebsjahr hochgerechnet. Daraufhin erfolgt ein Vergleich der durch die Simulation gewonnenen Kostensituation konventioneller und alternativer (Oberleitungs-) Antriebe, sowie die Bewertung der Kosten-reduktion durch den Regellinienbetrieb des RMV-AirLiners mittels der alternativ angetriebenen oberleitungsgebundenen Reisebusse. Die Anwendung des Modells zeigt, dass durch den Einsatz dieser und dem damit erfolgten Ersatz der konventionellen Antriebstechnik bei einer Jahreskilometerleitung von 745.307 km im Rahmen der Elektrifizierung durch ELISA pro Jahr zwischen 263,7 t und 283,2 t CO2, zwischen 4,9 t und 5,4 t NOx, sowie zwischen 117,6 kg und 127,5 kg Feinstaub eingespart werden. Das entspricht 31,9 % des jährlichen CO2-Ausstoßes, über 90 % des NOx-Ausstoßes und über 86 % der Feinstaubemissionen. Darüber hinaus sind gerade im innerstädtischen Umfeld bei kleinen Geschwindigkeiten zusätzliche Reduktionen der Lärmemissionen vorhanden, die jedoch nur bedingt quantifizierbar sind. Über das Jahr hinweg lassen sich somit Umweltkosten zwischen 136 Tsd. EUR und knapp 147 Tsd. EUR einsparen. Dies stellt eine Reduktion der volkswirtschaftlichen Kosten von bis zu 59 % dar, wobei der batterie-elektrische Oberleitungsantrieb durch das rein elektrische Fahren Vorteile gegenüber dem seriell-hybriden Oberleitungsantrieb besitzt. Durch den Einsatz alternativer Antriebe in Bezug auf eine Vollelektrifizierung der BAB 5 stellen sich die gleichen Werte ein, wobei der seriell-hybride Oberleitungsantrieb hierbei dem batterie-elektrischen Oberleitungsantrieb ebenbürtig ist. Werden die betriebswirtschaftlichen Kosten des RMV-AirLiners im Regellinienbetrieb mit alternativen Oberleitungsantrieben betrachtet, so kann grundsätzlich gesagt werden, dass die Betriebs- und Kapitalkosten der ungünstigsten Kombination von Antriebskonfiguration und Betriebsszenario nicht um mehr als 4 % über den Kosten des Einsatzes konventioneller Antriebe liegen. Im Gegensatz dazu besteht sogar das Potential einer Kostenreduktion von mehr als 1 % durch den Einsatz alternativer Oberleitungsantriebe, wenn es gelingt, einen rein elektrischen Fahrtablauf zu gewährleisten. Auf betriebswirtschaftlicher Ebene stellt der Regellinienbetrieb des RMV-AirLiners unter den gewählten Bedingungen kein Kostenproblem dar. Es kann zusammengefasst werden, dass der Einsatz oberleitungsgebundener Antriebssysteme in Reisebussen im Allgemeinen und der Einsatz batterie-elektrischer Oberleitungsantriebe in Reisebussen im Speziellen für den Einsatz im Fernbuslinienverkehr unter den gewählten Bedingungen sinnvoll ist. Vor allem in Bezug auf die Potentiale dieser Antriebe ergeben sich damit die volkswirtschaftlichen Vorteile, während die Kosten auf betriebswirtschaftlicher Ebene kein Hindernis darstellen, sondern auch die Chance eines zukunftssicheren und image-trächtigen Betriebs bieten. Gleichzeitig werden durch die Simulation weitere Fragen im Kontext des Projektes ELISA beantwortet. So ist für einen rein elektrischen Betrieb des RMV-AirLiners mit batterie-elektrischen Oberleitungsreisebussen eine elektrifizierte Strecke von 13,9 km pro Fahrtrichtung notwendig. Unter der Nutzung der projektierten Oberleitungsstrecke, die mit 6,5 km angenommen wird, sind Energiespeicher von 340 kWh in den Fahrzeugen nötig, um einen betriebssicheren Ablauf des Linienverkehrs unter Vorhaltung ausreichender Energiereserven zu ermöglichen und gleichzeitig durch optimale Batterienutzung die Langlebigkeit dieser sicherzustellen. Abschließend erfolgt eine kritische Würdigung der Modellergebnisse. Dabei werden die zentralen Aspekte der Arbeit nochmals zusammengefasst und kritisch reflektiert, sowie diskutiert. Im Rahmen eines Ausblicks werden offene Fragen formuliert und weitere Forschungsmöglichkeiten auch im Hinblick auf die ungenutzten Potentiale des erstellten Modells aufgezeigt.

Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation > Institute for Transport Planning and Traffic Engineering
Date Deposited: 26 Jan 2018 12:02
Official URL: https://www.verkehr.tu-darmstadt.de/media/verkehr/fgvv/beruf...
Referees: Boltze, Prof. Dr. Manfred and Rolko, M. Sc. Kevin
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
With the liberalization of long-distance traffic of January 1, 2013, the market of passenger transport has significantly changed. While the market share of long-distance bus line transport with regard to all transported passengers was 2.474 million passengers, i.e. 1.8% in 2012, this number surged to 23.879 million and 14.7 % in 2016. Investigations of the IGES-institute showed that the majority of new customers have not switched from private car to long-distance bus, although ‘the long-distance bus is a real alternative to the car‘, according to the Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure (BMVI). However, 44 % of the customers of long-distance busses are generated from former customers of the short- and long-distance traffic of the German Railways. Taking into account the entire economic costs, published by the German Federal Environmental Agency (UBA), a negative trend can be identified. This trend describes growing modal traffic shifts in public long-distance transport (ÖPFV), from the ecologically favorable rail traffic towards the ecologically unfavorable long-distance bus traffic. This contradicts the goals and requirements of the Federal Government with respect to the climate protection and the associated reduction of pollutant emission in the traffic system of Germany. It is thus relevant to face this trend in the context of long-distance bus traffic and to use in order to reach the goals of the climate protection. In particular, these goals shall be reached by the use of modern, eco-friendly propulsion technologies in the current fleet in the long-distance bus segment which is heavily dependent on conventional energy sources. Especially, as the use of federal highways with overhead contact wires is tested in the freight long-distance traffic segment, and should also be considered for the ÖPFV. In the context of recent research in the field of electrification of public long-distance traffic, long-distance bus traffic is, however, neglected, resulting in an academic void in the field of the electrification of ÖPFV. As shown by freight traffic research projects, the infrastructural technology is already available. Also, all required technologies are available from the perspective of the car within the field of the local public transportation (ÖPNV). In this work, the essential elements of the components from the perspective of the car are initially described, as well as the operating concepts which facilitate the operation of electrified ÖPFV. Based on these findings, enormous potentials for the use of alternative overhead contact wire propulsions in ÖPFV arise through technical know-how, general political will, the complete reliance of long-distance bus line operators on conventional energy sources and the chances which result from this trend. Building on these findings, the following central questions occur: Is the use of contact wire-bound propulsion systems reasonable in the public long-distance passenger services from a society’s perspective? Is the use of contact wire-bound propulsion systems reasonable in the public long-distance passenger services from an economic perspective? To answer these questions, the regular transport line operation of a current travel supply is regarded by means of a ÖPFV representative. For this purpose, a line of the RMV-AirLiners of the southern Rhine-Maine area is selected. As an object of investigation, this line contains a multitude of properties of longer long-distance bus lines. On the one hand, this travel supply has a fundamental connection function between the inner city of Darmstadt and the Frankfurt airport, on the other hand, this line is run with busses that operate with a high average speed to a large extent on federal highways. Travel distances and luggage ratios of the passengers are high as opposed to local public transport. Another special characteristic of the RMV-AirLiners routing in the area BAB 5 is the fact that it runs through the future test track for contact wire-bound long-distance freight traffic, projected in the framework of the ELISA by the Technical University of Darmstadt. The project ELISA is the first to test a contact wire-bound propulsion system for public freight long-distance traffic in the public domain by means of an installation of a bipolar contact wire system with a length of 6 to 8 kilometers per direction of travel. The modeling of this regular transport line operation is implemented in the simulation environment AnyLogic. At first, an unparameterized model of the RMV-AirLiners is created, based on required variables, structures and operating schedules. These are obtained from the preceding literature research. The simulation is then employed to simulate an operating day of the RMV-AirLiners in real-time under variable conditions in an agent-based, dynamic model for the conventionally powered busses Setra S413 DT. The objective is to obtain reference data for the generated noise and pollutants, such as carbon dioxide (CO2), nitrogen oxides (NOx) and fine dust (PM) which are hazardous to climate and health. These values are projected on a yearly basis to predict the environmental costs on an economic scale. Furthermore, the operation of the RMV-AirLiners is regarded with respect to its economic costs for the long-distance bus providers. In that way, reference data for operation costs and cost of capital is obtained. Prior to the additional simulations, two state of the art prototypes are generated that reflect contact wire-bound busses. The regular transport line operation of these busses is compared in AnyLogic with busses of the conventional propulsion type. Based on existing ÖPNV technology, a serial-hybrid and a fully battery-powered contact wire bus are developed. On this basis, two operation scenarios are developed for the simulation to model different degrees of electrification. In the first scenario, the conditions of an approximately 20 % electrification in the context of ELISA – complemented by two intermediate charging stations – is investigated. The conditions of greater than 60 % electrification through full electrification of BAB 5 are discussed in the second scenario. In addition, the impact of weather conditions is determined for different temperature ranges. In this context, the environmental emissions for economic cost calculation, as well as operation costs and cost of capital are determined for combinations of alternative propulsion systems, operation scenarios and external effects. These costs are projected on a yearly basis in the same way as the reference data. The cost situations obtained through the numerical simulation are compared for conventional and alternative (contact wire) propulsions and the cost-reduction through RMV-AirLiners regular transport line operation by means of busses with alternative propulsion is assessed. The application of the model demonstrates that by replacing conventional propulsion by alternative propulsion, ELISA electrification with an annual mileage of 745,307 km saves between 263.7 t and 283.2 t CO2, between 4.9 t and 5.4 t NOx, as well as 117.6 kg to 127.5 kg of fine dust. That corresponds to 31.9 % of the annual CO2 production, 90 % of the annual NOx production and over 86 % of fine dust emissions. Especially in inner-city environments, additional reduction of noise emission is possible due to lower speeds, though hard to quantify. Distributed over the year, environmental costs between 136,000 € and 147,000 € can be saved – a reduction of the economic costs up to 59 %, while the fully battery powered overhead contact line propulsion has advantages over the serial-hybrid contact wire propulsion. By the use of alternative propulsions in the context of a full electrification of BAB 5, similar numbers occur, while the serial-hybrid contact wire propulsion is equal to the fully battery powered contact wire propulsion. If the economic costs of the RMV-AirLiners in regular transport line operation with alternative contact wire propulsion are considered, the operation costs and costs of capital of this most unfavorable combination of propulsion and operation scenario do generally not exceed the costs of conventional propulsions by more than 4 %. In contrast to that, even a potential for cost reduction of more than 1 % exists due to the operation of alternative contact wire propulsions if a fully electrical transportation process is achieved. On the economic level, the regular transport line operation of the RMV-AirLiners does not present a cost issue. It can be summarized, that the operation of contact wire-bound propulsion systems in long-distance busses in general, and the operation of battery powered contact wire propulsion systems in particular, is reasonable for the operation in long-distance bus line traffic under the considered aspects. Especially with respect to the potentials of these propulsions, economic advantages arise, while costs on the economic level do not pose obstacles. These propulsion systems provide a future-proof and prestigious operation. The simulation answers further questions in the context of the project ELISA. For a fully battery powered operation of the RMV-AirLiners with contact wire busses, an electrified distance of 13.9 km is necessary per direction of travel. By the use of the projected distance equipped with overhead contact wires, which is assumed to be 6.5 km, vehicle built-in energy storages of 340 kWh are necessary to allow for safe transport line operation with adequate energy reserves. This operation also promotes a long-life cycle as batteries are used in an optimal way. Finally, a critical appraisal of the simulation results is performed. Central aspects of the work are summarized, critically reflected and discussed. In the course of the outlook, open questions are formulated and further fields of research are identified with regard to the unused potentials of the developed model.English
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