Ein Batteriebus hat mit seiner Batterie einen höheren, energetischen Produktionsaufwand als ein Dieselbus mit Verbrennungsmotor. Das ist der Preis für die hohe Effizienz des Elektromotors (braucht Strom aus der Batterie) im Vergleich zur schlechten Effizienz eines Verbrennungsmotors.
An diesem Vergleich zeigt sich, dass es zukünftig noch wichtiger als heute ist, die gesamte Ökobilanz (Herstellung, Betrieb und Entsorgung des Fahrzeugs, sowie Erzeugung, Transport und Speicherung der Antriebsenergie, inkl. Tank- oder Lade-Infrastruktur) zu betrachten. Auch der Abbau von Rohstoffen – für die Batterie, wie auch für alle anderen Fahrzeug- und Infrastruktur- Komponenten – fliesst in jede Ökobilanz ein.
Sehr wichtig für die Ökobilanz ist das Recycling. Schon heute schreiben EU-Richtlinien vor, wie Altfahrzeuge rezykliert werden müssen. Wenn künftig die Batterien aus Elektroautos in grosser Zahl anfallen, werden dafür spezialisierte Recycling-Anlagen nötig. Entsprechende Verfahren werden aktuell erforscht und erste Pilotanlagen getestet.
Batteriebusse haben bereits heute Klimaschutzvorteile: Der Energie- und CO2-Aufwand für die Batterie wird durch Einsparungen beim Fahren wettgemacht. Dies gilt auch dann, wenn das Fahrzeug mit europäischem Durchschnittsstrom (Mix aus erneuerbaren und nicht-erneuerbaren Energien) betrieben wird. Werden Batteriebusse mit erneuerbarem Strom betrieben, ergeben sich deutlich höhere Klimaschutzvorteile. Im Vergleich zum Elektroauto haben Batteriebusse eine klar günstigere Ökobilanz, weil sie pro Personenkilometer weniger Strom und Batteriekapazität benötigen, und diese Batterie den ganzen Tag über im Einsatz ist.
Für die Ökobilanz von Batteriebussen müssen die neusten Entwicklungen berücksichtigt werden. Zum Bus von morgen gehört die Batterie, das Recycling und der Stromerzeugungsmix von morgen. Solche Studien werden für die Schweiz bald verfügbar sein: Die VZO wird sich an Studien des Bundesamts für Energie und des ETH-Bereichs orientieren. Mit den Säulen «Erneuerbar – Wenig CO2 – Energieeffizient – Zuverlässig» stellt die VZO-Busstrategie sicher, dass auch die gesamte Ökobilanz positiv ausfällt, heute und morgen.
3. Die Kernfrage: Wann werden die Busse aufgeladen?
Anfang 2020 umfasst die Busflotte der VZO 102 Busse: 3 Kleinbusse, 3 Midibusse, 42 Standardbusse und 54 Gelenkbusse. Unter Berücksichtigung des prognostizierten Bevölkerungswachstums in unserem Einzugsgebiet ist damit zu rechnen, dass für die VZO in 15 Jahren, also im Jahre 2035, insgesamt etwa 130 Busse im Einsatz sind – zum grössten Teil Gelenkbusse.
Busse sind 14 bis 16 Jahre im Einsatz. Um im Jahr 2035 mehrheitlich nur noch mit elektrisch angetriebenen Bussen unterwegs zu sein, dürfen ab 2025 nur noch Batteriebusse angeschafft werden. Dies ist ambitioniert, aber machbar, wenn alle Beteiligten mitmachen und ihren Beitrag leisten. Dabei müssen für jede Anschaffung von Batteriebussen aktuell mindestens 18 bis 24 Monate Lieferzeit eingeplant werden.
Die Busse der VZO sind auf sehr unterschiedlichen Linien im Einsatz. Einige verkehren hauptsächlich im ländlichen Raum auf Strassen mit geringer Verkehrsdichte. Die Mehrheit der Buslinien bedient jedoch dicht besiedelte Gebiete mit zur Hauptverkehrszeit stark belasteten Strassen. Auf vielen Buslinien der VZO ist es deshalb eine tägliche Herausforderung den Fahrplan einzuhalten.
Der aktuelle, technologische Fortschritt bei Batterien für Strassenfahrzeuge ist beeindruckend. Jedes Jahr können sie bei gleicher Einbaugrösse etwas mehr Strom speichern. Innovative Bushersteller haben im Herbst 2019 Standardbusse angekündigt, die mit vollgeladenen Batterien eine Tagesfahrleistung von 250 km schaffen. Bei den schwereren Gelenkbussen ist das Maximum aktuell bei 180 km – dafür werden dann aber auch Batterien mit einem Gewicht von 2.5 Tonnen benötigt, die irgendwo untergebracht werden müssen.
Die meisten VZO-Busse legen heute täglich 250 bis 350 km zurück. Auch wenn man einberechnet, dass die Batterien in den nächsten Jahren weitere Fortschritte machen werden, zeigt sich: Wenn wir von Dieselbussen auf Batteriebusse wechseln, werden die meisten Busse ihr Tagespensum nicht schaffen, wenn wir ihre Batterien nur während der Nacht voll aufladen. Ein Nachladen während des Tages wird notwendig sein. Und je mehr tagsüber nachgeladen werden kann, desto kleiner lässt sich das Batteriepaket planen.
Die Analyse des heutigen Einsatzes der VZO-Busse zeigt drei Gruppen auf:
1. Etwa 20% unserer Busse fahren Tageseinsätze, für welche die Ladung über Nacht ausreicht. Dies sind vor allem Standardbusse, aber auch unserer 3 Midibusse fallen in diese Kategorie.
2. Etwa 60% unserer Busse müssten – zusätzlich zur Ladung über Nacht – ihr Batteriepaket tagsüber mindestens einmal oder mehrmals nachladen. Verschiedene Ansätze sind denkbar:
- Busse könnten an bestimmten Haltestellen (z.B. beim Bahnhof oder bei einer Endhaltestelle) über einen Pantographen mit hoher Leistung schnell nachgeladen werden. Während der Hauptverkehrszeit ist oft kaum Zeit für das Nachladen verfügbar. Insgesamt muss es die Standzeit der Busse erlauben, die Batterien vor der abendlichen Hauptverkehrszeit wieder voll aufzuladen.
- Busse könnten tagsüber ins Depot zurückkehren und dort geladen werden, so dass die Batterien vor der abendlichen Hauptverkehrszeit wieder voll sind. Allerdings muss die Einsatzplanung unserer Busse bereits heute sehr viele Anforderungen berücksichtigen. Es wäre eine grosse Herausforderung, die Busse in der Zeit zwischen 9 und 16 Uhr alle abwechslungsweise ins Depot zu bringen und über mehrere Stunden nachzuladen.
3. Die restlichen 20% unserer Busse fahren täglich sehr viele Kilometer und auf Linien mit engem Fahrplan, so dass ein Laden über Nacht nicht ausreicht und tagsüber keine ausreichenden Zeitfenster zum Nachladen verfügbar sind. Nach heutigem Kenntnisstand ist noch offen, wie diese Busse zu elektrifizieren sind. Auch wenn es zur Findung der besten Lösung noch mehrere Jahre Zeit gibt, zeichnen sich folgende vier mögliche Richtungen ab:
- Man könnte – grob geschätzt – 10 heutige Dieselbusse durch 11 Batteriebusse ersetzen. Durch den weniger dichten Einsatz der einzelnen Busse gibt es genug Zeit, um die Busse tagsüber mit hoher Leistung nachzuladen – entweder im Depot oder auch an neuen Ladeplätzen (z.B. in der Nähe von Endhaltestellen). Natürlich braucht es für zusätzliche Busse auch entsprechende Stellfläche im Depot.
- Man könnte den Fahrplan leicht modifizieren, so dass mehr Standzeit für die Busse entsteht und sie nachgeladen werden können. Dann braucht es weder zusätzliche Busse noch zusätzliche Depot-Stellfläche.
- Man könnte viele Haltestellen mit Schnelllade-Infrastruktur ausrüsten, so dass die Busse bei jeder 2. oder 3. Haltestelle nachladen, und sei es nur für 20 Sekunden. Dazu braucht es mehr Investitionen in Ladeinfrastruktur und speziell ausgerüstete Busse. Allerdings lohnt sich diese Massnahme nur bei dichtem Takt im städtischen Raum und kommt für VZOBuslinien nicht in Frage. d) Man könnte Elektrobusse mit Wasserstoff-Brennstoffzellen einsetzen. Solche Busse werden heute noch nicht serienmässig hergestellt, aber es laufen Pilotstudien in mehreren europäischen Ländern. Die Herstellung einer Tankfüllung Wasserstoff aus erneuerbarem Strom braucht deutlich mehr Energie als eine Batterieladung. Anderseits sind nur kleine Batteriezwischenspeicher nötig. Würden einzelne Buslinien durch Elektrobusse mit Wasserstoff- Brennstoffzellen bedient, gäbe es dort keine Ladeinfrastruktur; Batteriebussen könnten dort nicht eingesetzt werden. Es würde zu einer geteilten Busflotte mit verschiedenen Antriebstechnologien und Infrastrukturen kommen.
Darüber hinaus ist denkbar, dass heute nicht absehbare, sehr starke Fortschritte der Batterieoder der Lade-Technologie zu neuen Lösungen führen könnten. Jede der obigen Lade-Technologien hat spezifische Vor- und Nachteile. Die VZO wird bei der Auswahl auch die künftige zeitliche Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom berücksichtigen und jene Lade-Technologie einsetzen, welche Zuverlässigkeit sowie Energie- und Kosteneffizienz gewährleistet.
Dass Verbrennungsmotoren nicht so effizient sind, hat auch einen Vorteil: genügend Abwärme, um im Winter den Fahrgastraum zu heizen. Bei Elektrobussen gibt es allerdings kaum Abwärme. Man kann elektrische Widerstandsheizungen einsetzen (wie bei Zügen und Trams bekannt), doch belasten diese die Batterie stark. Besser sind moderne elektrische Wärmepumpen (wie von Gebäuden bekannt und bereits in einigen Hybridautos serienmässig im Einsatz), doch auch diese benötigen Strom. Deshalb müsste man das Batteriepaket und die Ladeinfrastruktur so auslegen, dass man neben der Energie zum Fahren auch genügend Energie zum Beheizen des Fahrgastraums hat – auch an kalten Wintertagen.
4. Die VZO-Busstrategie: In drei Phasen zum Ziel
Wir möchten schrittweise vorgehen, um kontinuierlich die neuesten Erkenntnisse und den aktuellen technologischen Stand zu integrieren. Auf Pilotstudien mit wenigen Bussen wollen wir verzichten, da diese schon andernorts in der Schweiz durchgeführt wurden. Wichtig ist uns, voll alltags- und einsatzfähige Batteriebusse zu kaufen. Basierend auf der Analyse des heutigen Einsatzes unserer Busflotte umfasst unsere Busstrategie drei Phasen:
Phase 1: Einstieg mit Batterie-Elektrobussen, welche nur im Depot laden. Dabei konzentrieren wir uns auf Standardbusse (12m Länge). Weil das Laden nur im Depot erfolgt, braucht die Frage, wo tagsüber nachgeladen werden soll, noch nicht abschliessend geklärt zu sein. So sind wir unabhängig und können schnell umsetzen. In dieser Phase werden wir uns wichtiges Wissen und Fähigkeiten zu Betrieb und Wartung von BatterieElektrobussen aneignen.
Phase 2: Batterie-Elektrobusse, welche sowohl im Depot geladen als auch tagsüber schnell nachgeladen werden müssen. Für diese Phase müssen wir in nächster Zeit zusammen mit unseren Partnern das bestgeeignete Ladekonzept festlegen. Da hier komplexe Fragen geklärt werden müssen, soll die Vorbereitung der Phase 2 zeitgleich mit der Phase 1 gestartet werden.
Phase 3: Umstellung jener Busse auf Elektroantrieb, die heute nicht lange genug stillstehen, um nachgeladen werden zu können. Auch hier gibt es noch komplexe Fragen, für deren Klärung jedoch noch etwas Zeit bleibt: In Phase 3 sind noch ca. 20% unserer Busse zu elektrifizieren. Ab etwa dem Jahr 2025 werden wir basierend auf dem Stand der Technologie die Antriebs- und Lade-Technologie für Phase 3 festlegen.
Heute wird der Treibstoff für unsere Busse zu 100% importiert. Mit dem Umstieg auf elektrifizierte Busse besteht die Chance, sie mit erneuerbarer Energie zu betreiben. Die VZO möchte dazu ausschliesslich zertifizierten Grünstrom einsetzen. Möglich ist auch die Beteiligung an entsprechenden Anlagen. Bereits heute sind die Dachflächen der Gebäude und Depots der VZO mit Photovoltaik-Anlagen ausgestattet. Auch der Einsatz von Batteriespeichern in den Busdepots könnte wirtschaftlich interessant sein und es uns erlauben, die Busse unter geringerer Belastung des Stromverteilnetzes zu laden und unsere Kosten für den Netzanschluss zu verringern.
5. Gemeinsame Herausforderungen: Wir sitzen alle im gleichen Bus
Um eine Busflotte sowohl zuverlässig wie auch kosteneffizient auf elektrische Antriebe umzustellen, braucht es die Abstimmung aller Akteure. Im Folgenden führen wir die wichtigsten Dimensionen auf.
Finanzierung der Mehrkosten bei der Anschaffung: Batteriebusse werden langfristig zwar gleich teuer wie herkömmliche Busse sein (teurer in der Anschaffung, günstiger in Betrieb und Unterhalt), aber da die Technologie noch jung ist, fallen bei der Beschaffung in den nächsten Jahren noch nicht amortisierbare Mehrkosten an. Zusätzlich muss die Ladeinfrastruktur aufgebaut werden. Die VZO ist auf die Deckung dieser Mehrkosten angewiesen. Für die Phase 1 ist diese Finanzierung mit dem ZVV, dem Kanton und dem Kanton St.Gallen schon bald zu klären. Für die Phase 2 und spätere Beschaffungen ist damit zu rechnen, dass auf Bundesebene neue Fonds bereitgestellt werden.
Energieversorger: Die VZO verfügt über 4 Busdepots, für welche 4 verschiedene Stromversorger zuständig sind. Die VZO-Busse sind in vielen Gemeinden unterwegs, so dass sich die Haltestellen als mögliche Ladeorte in vielen Stromverteilnetzen befinden.
Durchfahrtshöhen: Batteriebusse sind heute von der Bauweise her etwas höher als Dieselbusse. Deshalb kann eine einzige Durchfahrt mit Höhenbeschränkung (wie z.B. in Uster die Unterführung Dammstrasse) dazu führen, dass grössere Teile des VZO-Liniennetzes nicht mit Batteriebussen bedient werden könnten.
Anpassungen in Betrieb zwecks Kostenoptimierung: Durch kleinere Anpassungen bei der Einsatzplanung der Busse lassen sich Zeitfenster schaffen, um tagsüber die Batterien wieder vollladen zu können. Für mehrere Buslinien reichen aber solche Anpassungen der Einsatzplanung nicht aus. Die punktuelle Optimierung des Fahrplans kann das Nachladen erleichtern und die kosteneffiziente Elektrifizierung der Busflotte ermöglichen.
Depots: Die vier Busdepots müssen für elektrische Busse angepasst werden. Dies führt bei jedem der Depots zu spezifischen Herausforderungen, welche möglichst etappenweise anzugehen sind.
