Der Elektroantrieb –
1 Antriebskonzept
für 4 Betriebsarten
Herzstück des Trolleybusses ist der Elektroantrieb. Dieser zeichnet sich durch seine hohe Effizienz und Drehmomentstärke insbesondere gegenüber klassischen Verbrennungsmotoren aus. Aufgrund der unterschiedlichen Aufgabenspektren des ÖPNV in Städten, haben sich verschiedene Energiebereitstellungslösungen für Trolleybusse entwickelt. Die bisherigen Erfahrungen im Betrieb von Trolleybus-Systemen zeigen, dass alles läuft darauf hinaus, dass je nach Einsatzgebiet mindestens zwei Technologien kombiniert werden. Allen Ansätzen ist eines gemeinsam: der Antriebsstrang ist komplett elektrisch.
1. Fahrzeuge mit Oberleitungsbetrieb
Trolleybusse im Oberleitungsbetrieb benötigen keine Energiespeicher, denn die Energieversorgung erfolgt permanent über das Leitungsnetz. Dieses bewährte System ist seit Jahrzehnten weltweit erfolgreich im Einsatz. Durch die Oberleitung ist der Trolleybus, auch Obus genannt, wie die Straßenbahn mit ihren Schienen ein omnipräsentes Verkehrsangebot. Die Oberleitungen sind wahrnehmbar aber dezent genug, um nicht im Stadtbild zu stören. Bei Städten mit bestehenden Netzen haben sie für die Bürger sogar einen identitätsprägenden Charakter. Gelegentlich wird jedoch gegen die Errichtung eines solchen Netzes mit „Stadtbildverschmutzung“ argumentiert. Doch selbst in Weltkulturerbestädten wie Salzburg und Verona gibt es Oberleitungssysteme. Auch wenn dieses System im Vergleich zu anderen Trolleybus-Systemen derzeit wirtschaftlich zu betreiben ist, ist sein Nachteil der hohe Investitionsbedarf für das Oberleitungsnetz.
Der Vorteil aus technischer Sicht ist, dass der Trolleybus quasi permanent geladen wird. Diese kontinuierliche Versorgung mit elektrischer Energie benötigt damit deutlich kleinere Ströme, als die punktuelle Ladung von Batteriebussen. Die Einspeisung der Ströme in das Oberleitungsnetz kann dezentral erfolgen und den örtlichen Gegebenheiten besser angepasst werden. Bei Linienerweiterungen und –änderungen muss jedoch das Oberleitungsnetz angepasst werden.
2. Fahrzeuge mit Batterien
Rein batteriebetriebene Busse sind derzeit in einigen Städten in Testbetrieb. Ihr Vorteil wäre die gleich hohe Flexibilität wie jene von Dieselbussen. Das grundlegende Problem des Batteriebetriebs ist jedoch bis heute die hohe Eigenmasse der Batterie. Aktuelle Batterien haben ein bis zu 100fach höheres Gewicht pro Energieeinheit als Dieseltanks. Im Vergleich zu Elektroautos ist aber der Leistungsbedarf bei Bussen deutlich höher. Um die für den Busbetrieb erforderliche Speicherkapazität von 200 kWh bereitstellen zu können, ist mit einem Gewicht von etwa drei Tonnen zu rechnen. Das erhöht das Eigengewicht und reduziert die Fahrgastkapazität massiv. Aktuelle Forschungen im Bereich der Akkutechnologien lassen aber hoffen, dass bald Batterien mit höherer Leistungsdichte und niedrigerem Gewicht entwickelt werden.
Auch wenn sich die Batterietechnologien weiterentwickeln, stellt der Ladevorgang ein weiteres Problem dar. Denn je kürzer die Ladezeit ist, desto höher müssen die Ladeströme werden. Die Aufladung der Batterien kann auf dem Betriebshof oder als sog. „Gelegenheitsladung“ punktuell während der Standzeiten im Linienbetrieb geschehen. Für die Aufladung stehen drei Übertragungswege zur Verfügung:
- Induktive Ladung: Über z.B. in die Straße eingelassene Betonplatten mit einer integrierten Spule wird die elektrische Energie mit einer möglichen Leistung von bis zu 200 kW berührungslos auf den Bus übertragen.
- Konduktive Ladung: Die Verbindung zwischen der Ladesäule und dem Fahrzeug wird mit einem Stromabnehmer, ähnlich dem einer Straßenbahn, hergestellt. Während der Stand – bzw. Wartezeit an den Wendepunkten fährt der Stromabnehmer aus und stellt den Kontakt zwischen Bus und Stromversorgung her. Leistungen von bis zu 400 kW können übertragen werden.
- Ladung mittels Kabelverbindung: Die Energieübertragung geschieht über ein Kabel z.B. einem gewöhnlichen Kraftstromanschluss. Leistungsübertragungen von bis zu 88 kW sind möglich. Üblicherweise geschieht aufgrund der langen Ladezeit der Ladevorgang auf dem Betriebshof während der nächtlichen Standzeiten.
Alle drei Varianten stellen enorme Anforderungen an die gesamte Versorgungs- und Ladeinfrastruktur. Denn die erforderlichen Ladeströme und die zu übertragenden Energiemengen sind so hoch, dass die Versorgung der Ladestationen aus dem städtischen Stromnetz sehr selten möglich ist. Zusätzlich ist es für einen kontinuierlichen Linienbetrieb notwendig, dass die Ladezeit möglichst kurz gehalten wird. Die Aufteilung des Ladevorgangs auf mehrere Standorte bzw. Haltestellen würde jedoch einen deutlich höheren Investitionsbedarf bedeuten.
3. Fahrzeuge mit Brennstoffzelle
Die dritte Möglichkeit, die elektrische Energie für den schadstofffreien Betrieb bereit zu stellen, bietet die Brennstoffzelle. In der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Dabei fließt elektrischer Strom. Als Abgas tritt lediglich Wasserdampf aus. Der dafür benötigte Wasserstoff fällt in gewissen Mengen quasi als Abfallprodukt in der chemischen Industrie an. Er könnte auch durch Elektrolyse direkt hergestellt werden. Um die Umweltbilanz nicht zu belasten, wären Windräder, die sonst stillstehen, weil sie ihren Strom nicht ins Netz einspeisen dürfen, dafür geeignet. Der Vorteil dieser Technologie ist, dass ein Teil der Infrastruktur zum Betanken der Dieselbusse übernommen werden kann. Für den Transport und die Lagerung von Wasserstoff sind jedoch deutlich höhere Sicherheitsrichtlinien zu beachten. Weiters ist in den kommenden Jahren die Marktreife von leistungsfähigen Brennstoffzellen nicht zu erwarten.
4. Fahrzeuge mit Hybridlösungen
Jede dieser Technologien ist für bestimmte eingeschränkte Einsatzfelder geeignet. Hybridbusse, die zwei Technologien geschickt kombinieren, können dem Trolleybus zum Durchbruch verhelfen, indem sie den klassischen Oberleitungsbetrieb und den Einsatz von Energiespeichern vereinen. Das bietet weitreichende Vorteile:
- Die Investitionskosten bei der Neuanlage von Oberleitungsnetzen können deutlich gesenkt werden, weil die hohen Kosten für Leitungskreuzungen und –knoten entfallen. Die entsprechenden Abschnitte würden mit Hilfe des Energiespeichers überbrückt.
- Die Flexibilität im Fahrbetrieb wird deutlich erhöht. Durch die Verwendung von Batterien können Abschnitte von bis zu 10 Kilometer überbrückt werden. So kann der Trolleybus flexibel auf die Verkehrssituation reagieren, Staus ausweichen oder Baustellen umfahren und bei kurzfristigen Stromausfällen den Betrieb weiterführen. Selbst der alleinige Einsatz von Supercaps (Kondensatoren mit hoher Kapazität) reicht bereits aus, um ca. 500 Meter ohne Oberleitungen zurückzulegen. Durch Rückgewinnung der Bremsenergie (Rekuperation) können die Supercaps aufgeladen werden.
- Netzerweiterungen können viel schneller vorgenommen bzw. schon vorab getestet werden, indem der Testbetrieb oberleitungslos befahren wird.
- Oberleitungen müssen nicht durchgängig installiert werden, sondern können auf Teilabschnitte beschränkt werden, z.B. Strecken, wo Busse im engen Takt verkehren und somit die Infrastruktur gut ausgenutzt wird oder bei langen Steigungen, bei denen die Kapazität des Energiespeichers nicht ausreicht.
- Die Ladung des Energiespeichers kann kontinuierlich während des Oberleitungsbetriebes erfolgen. Die dafür erforderlichen Ströme sind gegenüber den ohnehin anfallenden Strömen für den Fahrbetrieb marginal. Die technische Infrastruktur an der Strecke muss daher nicht speziell angepasst werden.
Der Trolleybus kommt mit den unterschiedlichen Hybridlösungen der Flexibilität des meist bisher im städtischen ÖPNV eingesetzten „Universalfahrzeugs“ Dieselbus sehr nahe. Die unterschiedlichen Anforderungen im Betrieb können mit einem Fahrzeug abgedeckt werden. Davon profitieren Verkehrsbetriebe und Fahrgäste gleichermaßen. Zahlreiche Verkehrsbetrieb testen bereits Hybridlösungen im Fahrbetrieb.