Methodischer Technologievergleich von Systemkonzepten für die Elektrifizierung von Stadtbussen

Fay, Tu-Anh

FG Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik

Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der Schadstoffbelastung der Luft in urbanen Ballungsräumen müssen zunehmende Anstrengungen unternommen werden um dem entgegenzuwirken. Die Elektrifizierung des öffentlichen Personennahverkehrs spielt dabei eine wichtige Rolle, weil durch die hohen Laufleistungen der Linienbusse sich die Elektrifizierung hier besonders positiv auf die Umwelt auswirkt. Durch vielfältige Fördermaßnahmen sind weltweit bereits diverse Elektrobus-Projekte initiiert worden, dennoch stehen die Busbetreiber weiterhin vor der Problematik die Potentiale einzelner Technologien unter Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen zu bewerten. Die Kombination der Teilsysteme ergibt einen großen theoretisch möglichen Lösungsraum, der eine bewusste Reduktion erfordert. Ein weiterer erschwerender Faktor ist, dass die Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen und die Abhängigkeiten zwischen Randbedingung und System bisher nicht vollständig bekannt sind. In der vorliegenden Arbeit wird unter Berücksichtigung einer ganzheitlichen Betrachtungsweise eine praxisrelevante Methodik zur Bewertung der verschiedenen Systemkonzepte für die Elektrifizierung von Stadtbussen vorgestellt. Der Fokus in dieser Arbeit liegt auf reinen batterieelektrischen Systemlösungen, kann jedoch auch auf andere Konzepte wie z.B. Brennstoffzellenbusse angewendet werden. Im ersten Schritt wird das Zielsystem definiert, welches die kundenwerten Merkmale untersucht und diese mit Systemmerkmalen korreliert. Basierend auf einer relationsorientierten Funktionsmodellierung wird die hohe Komplexität des Systems veranschaulicht und Wechselwirkungen sowie Abhängigkeiten sichtbar gemacht. Diese werden mit der Produktstruktur in Beziehung gesetzt und, abhängig von den zu untersuchenden Teilsystemen, können die konzeptrelevanten Systemmerkmale identifiziert werden. Darauf aufbauend wird ein Simulationsmodell für das Gesamtsystem erstellt, welches die konzeptrelevanten Systemmerkmale quantitativ bestimmt. Abschließend können diese gegenübergestellt und verglichen werden. Die Anwendung der Methodik wird am Beispiel von Batterie- und Ladesystemen für die Elektrifizierung einer Buslinie in Berlin demonstriert. Auf Basis der vorgestellten Methodik lassen sich unterschiedliche Konzepte auf ihre Machbarkeit untersuchen und es kann somit eine Technologie- und Konzeptvorauswahl getroffen werden. Diese wenigen vorausgewählten Varianten dienen dann als Eingangsdaten für eine vollständige wirtschaftliche Total-Cost-of-Ownership-Analyse.
In the context of climate change and the air pollution in conurbations, increasing efforts must be made to counteract this. Therefore, the electrification of local public transport plays an important role. The electrification of the public buses has a particularly positive impact on the environment, because of the high mileage of the public buses. Many electric bus projects have already been initiated worldwide through a variety of incentives. Still, bus operators face the problem of assessing the potential of individual technologies taking into account the given boundary conditions. The combination of the subsystems results in a large theoretically possible solution space, which requires a deliberate reduction. Another challenging factor is that the interactions between the subsystems and the dependencies between the boundary conditions and the system are not fully known, yet. Taking into account a holistic approach, this work presents a methodology with practical relevance for evaluating the various system concepts for the electrification of city buses. The focus in this work lies on battery electric system solutions, but the methodology can also be applied to other technologies such as fuel cell buses. The presented methodology starts with the definition of the target system. It includes the examination of customer relevant attributes and an assignment to the systems attributes. Based on a relationship-oriented functional modeling, the high complexity of the system is illustrated and interdependencies as well as impacts are made visible. Next, these interdependencies and impacts are related to the product structure and, depending on the subsystems to be examined, the concept-relevant system attributes can be identified. Subsequently, an overall system simulation model is developed, which determines the concept-relevant system attributes quantitatively. Finally, these system attributes are assessed and compared. The application of the methodology is demonstrated using the example of battery and charging systems for the electrification of a bus line in Berlin. On the basis of the presented methodology, different concepts can be examined with regard to feasibility and thus a technology and concept pre-selection can be made. These pre-selected concepts then provide input for a total cost-of-ownership analysis.