Elektromobilität & Betriebshof-Management

Ein großer Schritt in Richtung Industrie 4.0 – Zeit für Veränderungen

Depot- und Lademanagement für Elektrobusse

Das Umrüsten auf alternative Antriebstechnologien stellt viele ÖPNV-Betriebe vor eine große Herausforderung. Insbesondere elektrobetriebene Fahrzeuge schaffen es zunehmend auf die Straßen. Doch mit der Anschaffung neuer Flotten allein ist es nicht getan.

Die Herausforderung liegt viel mehr im Entwickeln eines neuen Gesamtsystems, das auch den Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur umfasst, wie zum Beispiel auf Elektromobilität ausgerichtete Betriebshofmanagementsysteme (BMS). Intelligente Erweiterungen praxiserprobter Lösungen können Unternehmen bei der Umrüstung ihrer Betriebshöfe enorme Vorteile verschaffen.

Vorteile beim „Overnight Charging‟

Hinsichtlich des Lademanagements werden aktuell noch immer das Laden im Depot („Overnight Charging“) und das Laden entlang der Strecke („Opportunity Charging“) als alternative Lösungsansätze diskutiert. Mittlerweile sind sich jedoch immer mehr Experten einig, dass ein Laden im Depot in Kombination mit smarten Lösungen eines BMS dem „Opportunity Charging“ vorzuziehen ist.

Denn dies bedeutet einen geringeren baulichen und logistischen Aufwand als die Ausrüstung zahlreicher Haltestellen im städtischen Gebiet mit der erforderlichen Ladetechnik. Diese ist daher aufgrund der zu erwartenden, schnellen Fortschritte in der Batterietechnik und der immer größer werdenden Reichweite auch aus der Langfristperspektive als die ökonomischere Variante einzustufen.

 

Integrierter Lösungsansatz vereint Lademanagement und Energieversorgung

Maßgeblich bei der Erweiterung der vorhandenen Systeme sind insbesondere Lösungen, welche schnell auf Störungen beziehungsweise Veränderungen reagieren können, um frühere Engpässe wie lange Durchlaufzeiten oder Stillstände zu vermeiden. Denn das übergeordnete Ziel ist es auch zukünftig, automatisiert stets die nächsten Umläufe mit Fahrzeugen zuverlässig besetzen zu können.

PSI Transcom GmbH beispielsweise hat ihr Betriebshofmanagementsystem "PSItraffic" um das Lademanagement Modul "smart E-BMS", sowie um das Modul für die Energieversorgung "smart Power", ergänzt.

Dies sind einsetzbare Lösungsbausteine, welche von der Ladeinfrastruktur unabhängig sind, mit möglichst homogenen Schnittstellen auskommen und die Steuerung der geänderten Abläufe automatisiert sicherstellen.

 

Kostenvorteile durch intelligentes Lade- und Stromnetzmanagement

Ausschlaggebend für den Energieverbrauch ist nicht nur die zurückgelegte Strecke. Auch das Fahrverhalten, die Außentemperaturen oder äußere Faktoren im Einzugsgebiet, wie zum Beispiel Bauarbeiten und Umleitungen, sind relevante Einflussgrößen, die zu berücksichtigen sind. Genau jene ändern sich jedoch im laufenden Tagesbetrieb und bewirken einen schwankenden Energieverbrauch. Folglich ändern sich der Ladezustand und damit die verbleibende Reichweite jedes einzelnen Fahrzeugs quasi sekündlich – mit direktem Einfluss auf die Disposition.

Diese Zusammenhänge müssen auf Elektromobilität ausgelegte Betriebshofmanagementsysteme berücksichtigen. Das PSItraffic BMS überprüft kontinuierlich, welche Fahrzeuge am besten zu welchen offenen Umläufen passen. Dabei ist es nicht erforderlich stets alle sich auf dem Betriebshof befindenden Elektrofahrzeuge gleichzeitig, permanent oder bis zur vollen Batteriekapazität zu laden.

Das optimale Platzieren der Fahrzeuge im Betriebshof – angepasst an die vorhandene Ladeinfrastruktur – ist ebenfalls Aufgabe eines E-BMS. Dies ermöglicht auch, dass auf dem Betriebshof nicht für jeden Bus eine explizite Ladesäule erforderlich ist. Auf diese Weise können sowohl Platz und zum Teil auch Kosten bei der Ladeinfrastruktur gespart werden.

Übersicht der Ladezustände auf dem Betriebshof

Overview of the charging status

Die Planung des Strombedarfs beziehungsweise der Abgleich mit der vorhandenen Energie-versorgung ist der zweite, zentrale Aspekt, der bei der Umstellung einer Flotte auf Elektroantrieb direkten Einfluss auf die Planung der Betriebsabläufe hat. Hierbei kommt zum Tragen, dass die städtischen Energienetze in der Regel nur für eine bestimmte Größenordnung an Strombedarf ausgelegt sind.

In der Mittelspannungsebene mit einem 10 kV-Anschluss steht einem Unternehmen beispielsweise eine maximale Leistung von ca. 14 Megawatt zur Verfügung. Davon müssen das Betriebsgebäude und die Werkstätten versorgt werden. Der verbleibende Rest steht für die Energieaufnahmen aller Fahrzeuge auf dem Betriebshof zur Verfügung. In Summe bedeutet das, dass gleichzeitig ladende Fahrzeuge eine Leistung von nicht mehr als 10 bis 12 Megawatt beziehen dürfen.

The PSItraffic/DMS continually checks which vehicles are most suited to which routes. Here, it is not necessary to constantly charge all electric vehicles in the depot at the same time or to charge them to full capacity. The optimal placement of vehicles in the depot – reflecting the existing charging infrastructure – is therefore also the task for an E-DMS. The result: not every bus at the depot requires a dedicated charging station. This saves both space and reduces costs for charging infrastructure.

The planning of power requirements or the comparison with the existing energy supply is the second central aspect that directly influences the planning of operational processes when converting a fleet to electric drive. As a rule, urban energy networks are only designed to meet a specific level of electrical demand.

In the medium-voltage grid with a 10kV connection, for example, a company has a maximum available output of approximately 14 megawatts. This must supply both the operations building and the garages. Any remaining power is available to charge all of the vehicles at the depot. In total, this means that simultaneous vehicle charging is not able to draw more than ten to twelve megawatts.

SmartPower überwacht Anschlussleistung und integriert sie ins BMS

Für das optimierte Steuern des Lademanagements hinsichtlich der Energieversorgung empfiehlt sich vor diesem Hintergrund das eigenständige Modul smartPower, welches die Anschlussleistung überwacht und in das BMS integriert oder über eine offene Schnittstelle an-gebunden wird. Es prognostiziert den gesamten Energiebedarf über den Tag und entwickelt eine sinnvolle Ladestrategie. Dabei muss Berücksichtigung finden, dass die Energieaufnahmen beispielsweise aufgrund verschiedener Batteriemodelle oder Fahrzeugdaten nie gleichmäßig sind. Daher speichert das E-BMS sowohl fixe Stammdaten wie die Batteriegröße als auch Fahrzeugdaten aus dem täglichen Betrieb, wie zum Beispiel den Energieverbrauch. Diese nutzt das System dann für die Prognoseberechnungen der täglichen Energieverbräuche.

Die Außentemperatur ist ein weiterer wesentlicher Einflussfaktor für den Energieverbrauch. Bis zu 40 Prozent der Batterieleistung kann der Energiebedarf der Heizung oder Kühlung in extremen Situationen kosten. Sinnvoll sind folglich ergänzende Prognosen darüber, welche Umläufe bei welcher zu erwartenden Tagesmindest- sowie -höchsttemperatur wie viel Energie im Laufe des nächsten Tages wahrscheinlich benötigen werden.

Für ÖPNV-Betriebe bietet sich zudem die Nutzung vorhandener Dienste und Lösungen aus dem Energiesektor an, die ein optimiertes Laden und damit auch den Bezug des Stroms jederzeit umfassend ermöglichen: nicht nur unter Beachtung der aktuell verfügbaren Stromnetzkapazitäten, sondern auch der Bedingungen des Energiemarktes (insbesondere Kosten). Perspektivisch können entsprechende Systeme dann auch für eine Rückspeisung vorhandener Batteriekapazitäten genutzt werden.
entsprechende Systeme dann auch für eine Rückspeisung vorhandener Batteriekapazitäten genutzt werden.