Verbrauchsimulation
Vorgehen
Die mithilfe der Methode des Post-Optimized Resampling (POR) rekonstruierten Streckendaten wurden mit einem digitalen Zwilling des Elektrobusses simulativ abgefahren.
Auf Basis dieser Simulationen wurden Energieverbräuche und SOC-Verläufe für unterschiedliche Betriebsbedingungen ermittelt und ausgewertet.
Ein besonderer Fokus lag dabei auf Strecken mit anspruchsvoller Topografie. Diese stellen eine Besonderheit der Region Vorarlberg dar, da nur wenige Regionen vergleichbar ausgeprägte Höhenprofile aufweisen. Gerade diese Bedingungen sind besonders relevant für den Einsatz von Elektrobussen und prädestinieren die Region für eine detaillierte energetische Analyse.
Simuliertes Szenario
Als Streckengrundlage für die Verbrauchsermittlung wurde ein umfangreiches Szenario mit 60 realen Busstrecken simulativ untersucht.
- Anzahl der Busstrecken: 60
- Gesamtlänge: 11.814 km
- Simulierte Szenarien pro Strecke: 3
- Gesamtzahl simulierter Fahrten: 60 x 3
- Gesamtkilometer: 11.814 x 3
- Fahrzeugmodell: MAN Lions City 12E
- Gesamtsimulationszeit: 19h x 3 Szenarien (= 620 km/h Simulationsgeschwindigkeit)
Untersuchte Betriebsszenarien:
| Szenario | Außentemperatur | Personen |
|---|---|---|
| Sommer | 30°C | 20 |
| Frühling | 15°C | 5 |
| Winter | 0°C | 20 |
Die Szenarien unterscheiden sich gezielt in Temperatur und Fahrgastzahl, um den Einfluss von HVAC-Verbrauch und Fahrzeugmasse auf den Energiebedarf realistisch abzubilden.
Annahmen zur Fahrzeugkonfiguration
Im simulierten Szenario wurde der Elektrobus ohne dieselbetriebenen Zusatzheizer modelliert.
Die für die Beheizung des Fahrgastraums benötigte Energie wird vollständig durch eine CO₂-basierte Wärmepumpe bereitgestellt.
Gerade bei niedrigen Außentemperaturen führt diese Annahme zu einem deutlich erhöhten elektrischen Energiebedarf, da die Heizleistung vollständig aus der Traktionsbatterie gedeckt werden muss. Der daraus resultierende Mehrverbrauch ist daher im Winterbetrieb entsprechend hoch.
Diese Modellannahme stellt ein konservatives Szenario dar und bildet einen zukünftigen, vollständig emissionsfreien Betrieb ab, bei dem externe Heizquellen nicht mehr zur Verfügung stehen.
Ermittelte Verbräuche
Die resultierenden Energieverbräuche und SOC-Verläufe wurden anschließend statistisch ausgewertet. Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse als Boxplot, der eine schnelle Übersicht über den Median, typische Verbrauchsspannen sowie Ausreißer liefert. Der Boxplot ist besonders nützlich, um Verbrauchsspannen je nach Szenario zu identifizieren und statistische Auffälligkeiten sofort zu erkennen.
Die Ergebnisse liefern eine belastbare Grundlage für:
- Reichweitenabschätzungen
- Lade- und Einsatzplanung
- Bewertung topografisch anspruchsvoller Strecken
Detailbetrachtung einzelner Strecken
Abbildung 2 zeigt eine alternative Darstellung der Streckenverbräuche, die einen direkten Vergleich zwischen den einzelnen Buslinien ermöglicht. Auffällig hierbei ist beispielsweise der durchgängig erhöhte Energieverbrauch der Busstrecke 26, der in allen drei betrachteten Betriebsszenarien deutlich erkennbar ist.
In solchen Fällen wird die betroffene Strecke separat analysiert, um die Ursachen für den erhöhten Energieverbrauch zu identifizieren. Ein derart auffälliger Mehrverbrauch kann auf Fehler in der Streckenrekonstruktion hindeuten.
Mögliche Ursachen sind unter anderem:
- Tunneldurchfahrten: Die Streckenrekonstruktion basiert auf einer digitalen Höhenkarte der Erdoberfläche. Befindet sich der Bus während der Fahrt in einem Tunnel, wird die Strecke im Modell fälschlicherweise über das darüberliegende Gelände geführt. Dadurch entstehen unrealistische Steigungsprofile und entsprechend erhöhte simulierte Verbräuche.
- Lücken in den GPS-Rohdaten: Treten in den für die Rekonstruktion verwendeten GPS-Daten größere Ausfälle oder zeitliche Lücken auf (z. B. durch einen kurzfristigen Ausfall des GPS-Loggers), können unplausible Streckenverläufe rekonstruiert werden. In solchen Fällen ist die Korrelation zwischen Geschwindigkeit und Straßensteigung nicht mehr gewährleistet, was zu verfälschten Verbrauchsergebnissen führt.
Diese Einzelanalysen ermöglichen es, systematische Streckenrekonstruktionsfehler zu identifizieren und gezielt zu korrigieren, bevor die Ergebnisse für weitere Auswertungen herangezogen werden.
Detailbetrachtung Route 26
Die Detailbetrachtung der Route 26 in Abbildung 3 zeigt eine ausgeprägte Steigung im Topographieverlauf bei Streckenkilometer 30. Zunächst könnte die Vermutung naheliegen, dass eine Tunneldurchfahrt vorliegt und die Strecke dadurch fehlerhaft rekonstruiert wurde, indem der Bus im Modell über das darüberliegende Gelände geführt wird.
Eine Analyse der GPS-Positionen in diesem Streckenabschnitt in Abbildung 4 zeigt jedoch, dass die Strecke in Richtung Übersaxen tatsächlich bergauf verläuft. Ein Tunnelfehler kann daher ausgeschlossen werden und erklärt den beobachteten Mehrverbrauch nicht.
Ein Blick auf die GPS-Rohdaten der Route 26 zeigt, dass der Datenlogger mehrfach für längere Zeit keine GPS-Position übermittelt hat. Im längsten Fall wurden während 2,5 Stunden keine Positionsdaten erfasst. Die anschließend rekonstruierte Strecke ist daher nicht mehr repräsentativ. Sie enthält beispielsweise Autobahnabschnitte, die in der Realität nicht Teil der Strecke sind, oder sie wird stark verkürzt (Distanz) dargestellt. Dadurch entstehen unrealistisch lange Abschnitte (zeitlich) mit sehr niedriger Durchschnittsgeschwindigkeit, bei denen sowohl die Nebenverbraucher als auch ein ungünstiger Betriebspunkt der elektrischen Maschine den durchschnittlichen Energieverbrauch erheblich erhöhen.
Der erhöhte Verbrauch auf Route 26 ist demnach auf Fehler in den Rohdaten zurückzuführen. Aus diesem Grund muss diese Strecke bei der Datenauswertung ausgeschlossen werden. Generell empfiehlt es sich, alle Ausreißer im Boxplot (siehe Abbildung 1) manuell zu prüfen und gegebenenfalls von der Analyse auszuschließen.
Detailbetrachtung Route 58
Auch Route 58 erscheint im Boxplot in Abbildung 1 als statistischer Ausreißer. Eine detaillierte Betrachtung zeigt jedoch, dass dieser Ausreißer nicht auf einen Fehler bei der Streckenrekonstruktion zurückzuführen ist, sondern auf die besonders anspruchsvolle Topographie der Route.
Die Strecke zeichnet sich durch steile Abschnitte aus, zum Beispiel den Aufstieg zur Haltestelle Expositurkirche in Innerlaterns, gefolgt von mehreren Tal- und Bergfahrten nach Übersaxen. Berücksichtigt man diese Topographie, ist der vergleichsweise geringe Mehrverbrauch im Vergleich zu flachen Strecken erstaunlich. Dies lässt sich durch die Energierückgewinnung bei der Talfahrt erklären.
Um den Vorteil eines Elektrobusses zu verdeutlichen, wurde diese Route zusätzlich mit deaktivierter Energierückgewinnung gefahren. Der Verlauf des State of Charge (SOC) ist als schwarze Kurve in Abbildung 5 dargestellt. Bereits nach nur 140 km ist der Akku entleert. Dagegen hat der Elektrobus mit aktivierter Rekuperation zum selben Zeitpunkt noch einen SOC von über 40%.
Der energetische Nutzen eines Elektrobusses ist auf einer topographisch derart anspruchsvollen Strecke somit deutlich größer im Vergleich zu einer flachen Strecke.
Derartige Analysen ermöglichen eine energetisch sinnvolle Zuordnung von Strecken für Elektrobusse. Dabei stellt sich insbesondere die Frage, auf welchen Strecken ein Elektrobus das höchstmögliche energetische Einsparpotenzial erreichen kann und welche Strecken mit welcher Batteriekapazität sicher befahren werden können.
Relevanz und Nutzung der Verbrauchsdaten für das Gesamtprojekt
Die Verbrauchssimulation liefert wertvolle Erkenntnisse für das Gesamtprojekt und unterstützt die Planung des Einsatzes von Elektrobussen:
- Realistische Verbräuche für Strecken, auf denen bislang noch keine Elektrobusse eingesetzt werden, als wichtige Grundlage für die Ladeoptimierung.
- Durchschnittsverbräuche für unterschiedliche Jahreszeiten, um saisonale Einflüsse in die Ladeplanung einzubeziehen.
- Abbildung von Worst-Case-Szenarien, z. B. bei sehr niedrigen Temperaturen, die bisher im Betrieb noch nicht aufgetreten sind.
- Vorabanalyse von Strecken zur Ermittlung der benötigten Batteriekapazität für eine sichere Befahrung.
- Potenzialanalyse für den energetisch sinnvollen Einsatz von Elektrobussen.