Forschungsbericht der Fachhochschule Köln (1.9.1992 - 31.8.1994)

Fachbereich Fahrzeugtechnik


Forschungsprojekt

Vergleichende Untersuchung der Energie-, Kosten- und Emissionsbilanz im öffentlichen Nahverkehr bei Einsatz von Oberleitungsbussen und Dieselbussen der Stadtwerke Solingen



Prof. Dr-Ing. U. Langer

1. Einleitung



Umweltbelastungen durch den Straßenverkehr haben inzwischen die Größenordnung der bisherigen Hauptverursacher "Industrie und Kraftwerke" erreicht bzw. bei einigen Schadstoffen überschritten. Besonders problematisch ist die Situation in Ballungszentren. Neben den dort i. a. angesiedelten Energieerzeugern und den Rohstoff-/Veredelungsindustrien herrscht ein hohes Schadstoff produzierendes Verkehrsaufkommen. Dabei beeinflussen die luftfremden Emissionen des Straßenverkehrs am Entstehungsort die Umgebung und damit die Lebensqualität der dort lebenden Bürger. Großversuche zur Erfassung des Einwirkungspotentials auf die Luftqualität bei verschiedenen meteorologischen Zuständen haben in der Vergangenheit und auch zur Zeit ("Ozonversuch" in Hessen) diese Problematik zum Thema. Dabei wird nicht nur der Individualverkehr, sondern auch der öffentliche Nahverkehr als "Schadstofflieferant" in die Untersuchungen einbezogen. Im vorliegenden Beitrag werden der Primärenergieverbrauch, die umweltrelevanten Emissionen unter Berücksichtigung der gesamten Energiekette sowie die Gesamtkosten des Verkehrssystems Oberleitungsbus am Beispiel der Stadtwerke Solingen vorgestellt.

2. Spezifischer Fahrstrom-Verbrauch der Solinger Oberleitungsbusse



Bustyp Jahreskilometer-Leistung jährlicher Verbrauch spezifischer Verbrauch
- km/a kWh/a kWh/km
Solowagen 1.776.251 4.384.668 2,47
Gelenkwagen 1.031.408 3.307.732 3,21
Obusse, gesamt 2.807.659 7.692.400 2,74


Tab.1: spezifischer Energieverbrauch ab Fahrleitung
(Energieverbrauch bezogen auf Gleichstrom ab Fahrleitung)

Unter Berücksichtigung der Rückspeisung in die Fahrleitung verbrauchen die
Solowagen 1,87 kWh/km
Gelenkfahrzeuge 2,43 kWh/km

3. Emissionen des Oberleitungsbuslinienbetriebs



Der OBus ist ein örtlich schadstofffreies Fahrzeug. Emissionen entstehen nur im Laufe der Umwandlungskette von Primärenergie (Kohle, Öl, Uran u. a.) in elektrische Energie (Kraftwerk). Diese globalen Emissionen sind räumlich über die Atmosphäre verteilt. Der jeweilige Anteil der Oberleitungsbusse an der Globalemission wird mit Hilfe der Abschätzung der Verluste von der Energiegewinnung bis Einspeisung in den Fahrmotor ermittelt. Der dabei untersuchte Energiemix bezieht sich auf Erhebungen für die alten Bundesländer. Daraus ergeben sich folgende Wirkungsgrade bei der Umwandlung und Gewinnung von Energie.

Herkunft Wirkungsgrade aus Primärenergie-
faktor
Gewinnung
und
Transport
Wirk.gradGT		 Kraftwerk
Wirk.gradKR		 Verteilung
Wirk.gradKV		 Gesamt-
wirkungsgrad
öffent. Elektrizitätsversorgung 0,956 0,357 0,952 0,325 3,08
Energieversorgung
Oberleitungsbusse		 0,956 0,357 0,935 0,319 3,13


Tab. 2: Darstellung der Wirkungsgrade (Primärenergiefaktor 0 1/hGES )

Bis auf die Komponenten Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) emittiert das Obussystem überraschend geringe Schadstoffe in die Atmosphäre. Die hohen Schadstoffwerte für die erwähnten Komponenten sind durch die Zusammensetzung des Energiemix bei der beherrschenden Verwendung von Steinkohle zu erklären. Bei Einsatz anderer Primärenergien und/oder dem Ersatz dem momentanen Kraftwerkstechnologien, z. B. durch Kraftwerke nach dem VEAG-Konzept, wird auch diese Schadstoffemission erheblich reduziert.

Bustyp Solowagen Gelenkwagen OBus
Mittelwert		 OBus gesamt 1992
Energieverbrauch ab Fahrleitung kWh/km 2,47 3,21 2,74 7.692.400
kWh
Schadstoff Emission ab Fahrleitung Emissionen im Linienbetrieb Emission
g/kWh g/km t/a
SO2 0,6535 1,57 2,04 1,74 4,89
NO/NO2 0,9295 2,30 2,98 2,55 7,15
HCl 0,0282 0,0697 0,0905 0,0773 0,217
HF 0,0011 0,0027 0,0035 0,003 0,0085
Staub 0,0381 0,094 0,122 0,104 0,293
CO 0,443 1,09 1,42 1,21 3,41
CH4 1,571 3,88 5,04 4,30 12,1
NMVOC 0,2266 0,560 0,727 0,621 1,74
N2O 0,00489 0,012 0,0157 0,0134 0,0376
CO2 656,4 1.620 2.110 1.800 5.050


Tab. 3: Emissionen der Oberleitungsbusse im Linienbetrieb (Global-Emission)

Zur Beurteilung der Größenordnung, in der das Oberleitungsbussystem an der Emission von Luftschadstoffen beteiligt ist, ist ein Vergleich mit einem herkömmlichen Dieselbussystem angebracht. Im vorliegenden Fall liegen keine Schadstoffmessungen aus dem laufenden Betrieb der verwendeten Dieselbusse vor. Daher sind für den entsprechenden Motor aus einschlägigen Veröffentlichungen nach dem US-Transiententest die wahrscheinlichen Emissionen ermittelt worden. Die spezifischen Werte pro Kilometerlaufleistung sind entsprechend den örtlichen Gegebenheiten im Stadtgebiet Solingen berechnet worden.

Schadstoff - SO2 NO/NO2 PM CO HC CH4 NMVOC CO2
spez.
Emissionen		 g/km 1,65 22,2 0,494 4,77 1,8 0,327 2,59 1.314
jährliche
Emissionen		 t/a 3,05 4,72 0,914 8,83 3,33* 0,605* 4,79* 2.433


Tab. 4: spezifische und absolute Emission des Dieselbusses im Linienbetrieb *: nur globale Emission

Neben der Erfassung der globalen Emissionen ist es notwendig, Angaben über die lokalen Emissionen zu machen. Wie schon erwähnt, ist davon auszugehen, daß der Oberleitungsbus vernachlässigbare örtliche, bodennahe Luftschadstoffe freisetzt. Ein vergleichbares Dieselbussystem ist davon jedoch nicht befreit. Wie gezeigt worden ist, muß bei reinem Dieselbusbetrieb an einigen innerstädtischen Hauptverkehrsstraßen mit bedenklichen Immissionskonzentrationen gerechnet werden. Bei Verabschiedung der 23. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchVO) kann dies zu problematischen Betriebsverhältnissen führen.

4. Energiebedarf und Emissionen des Linienverkehrs



Zusätzlich zur Ermittlung des spezifischen Energieverbrauchs der Bussysteme der Stadtwerke Solingen wird ein OBus-Konzept betrachtet, das zur Zeit Stand der Technik ist, in Serie gebaut wird und im Einsatz ist. Dieses OBus-Konzept wird mit "OBus-modern" abgekürzt.

Mittelwert für den Bustyp Endenergie Energieeinsatz bezogen auf Primärenergieeinsatz
- - (Laufleistung) (Personenkilometer)
Dieselbus 0,409 l/km 4,81 kWh/km 0,306 kWh/km
OBus-Solingen 2,74 kWh/km 8,59 kWh/km 0,372 kWh/km
OBus-modern 1,265 kWh/km 3,97 kWh/km 0,172 kWh/km


Tab. 5: Energieeinsatz für die Diesel- und OBus-Flotte

Energieeinsatz für die Diesel- und OBus-Flotte


Abb. 1: Vergleich der Primärenergieverbrauchszahlen bezogen auf die Laufleistung

Die Ermittlung der Emissionen im Linienbetrieb erfolgt unter Beachtung der Laufleistung, des spezifischen Energiebedarfs und den spezifischen Emissionsangaben. Als lokale Emission werden die bodennahen Emissionen am Entstehungsort definiert.

Lokale Emission globale Emission (gerundet)
Bustyp Dieselbus OBus Dieselbus OBus-Solingen OBus- modern
Schadstoff g/km g/km g/km g/km g/km
SO2 0,96 0 1,7 1,7 0,8
NO/NO2 21,1 0 22,2 2,6 1,2
Stäube/Partikel ,42 0 0,5 0,1 0,05
CO 4,1 0 4,8 1,2 0,56
VOC 1,8 0 4,7 4,9 2,3
CO2 1.076 0 1.314 1.800 830


Tab. 6: Emissionsvergleich von Diesel- und OBus im Linienverkehr bezogen auf die Laufleistung der beiden Bussysteme

Emissionsvergleich von Diesel- und OBus im Linienverkehr bezogen auf die Laufleistung der beiden Bussysteme


Abb. 2: Vergleich ausgewählter Schadstoffkomponenten (Maßstab der CO2-Emission: 100)

5. Zusammenfassung



Die vorgestellten Untersuchungen belegen, daß

  1. die zur Zeit im Einsatz befindliche OBus-Flotte die Atmospäre mit erheblich geringeren Schadstoffen als eine gleichgelagerte Dieselbusflotte belastet. Nur auf Grund der älteren Kraftwerkstypen in den alten Bundesländern und dem dadurch bestimmten Energiemix liegt die CO2-Emission über der Dieselbusflotte. Dabei ist aber anzumerken, daß die OBus-Emission global, d. h. nicht im Linienverkehr vor Ort verursacht wird.

  2. Bei Ersatz der bestehenden OBus-Flotte durch moderne, zeitgemäße OBus-Konzepte besteht noch ein erhebliches Einsparungspotential sowohl hinsichtlich des Energieverbrauchs als auch bezüglich der Belastung der Atmosphäre durch luftfremde Schadstoffe.

  3. Die zur Zeit im Einsatz befindliche OBus-Flotte weist bezogen auf die Laufleistung der Fahrzeuge einen höheren, spezifischen Energieverbrauch als die vergleichsweise wesentlich moderneren Dieselbusse auf. Wird das Fahrgastaufkommen in die Rechnung miteinbezogen, so ist der spezifische Energieverbrauch beider Bustypen annähernd gleich groß. Bei Einsatz des OBustyps der 4. Generation (Stand der Technik) liegt der spezifische Energieverbrauch wesentlich unter dem des Dieselbuses.

  4. Falls die 23. BImSchV O rechtsverbindlich wird, so kann folgende Situation eintreten:



Werden die Prognosen hinsichtlich des Einsatzes von Rußfiltern bei Dieselbussen berücksichtigt, so wird die Kostenstruktur des Dieselbusses erheblich beeinflußt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Motorenhersteller die Rußfilter-Technologie sehr zurückhaltend für den Einsatz im täglichen Linienbetrieb beurteilen. Die Monetarisierung der Emissionen aus beiden Bussystemen ist meßbar, aber nach heutigem Konsens noch vernachlässigbar. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß der Fahrgastbetrieb mit einer OBus-Flotte nach dem augenblicklichen Stand der Technik sowohl hinsichtlich der Emission von Schadstoffen und als auch der betriebswirtschaftlichen Kostenstrukturen ein günstiges und preiswertes Betriebssystem darstellt. Insbesondere die Reduzierung des Energieverbrauchs bei vorrangigem Einsatz heimischer Energieträger und keine Schadstoffemission in hochbelasteten Innenstadtstraßen entspricht den von der Landesregierung NRW postulierten Prämissen ihres Regierungsprogramms.

Kooperationspartner:
Direktor Dipl.-Ing. W. Theis, Stadtwerke Solingen

Diplomarbeiten: 2 abgeschlossen
Cordula Wensing