Wie der ÖPNV elektrisch werden kann

Martin Daum ist spät dran. Im Vorfeld der diesjährigen Nutzfahrzeug-IAA stellte der Daimler-Vorstand, verantwortlich für Trucks & Buses, mit dem eCitaro den ersten vollelektrischen Stadtbus der Marke vor. Erste Kunden haben den E-Bus bereits bestellt, noch in diesem Jahr sollen die ersten Fahrzeuge an Stadtwerke übergeben werden.

Was Daum bei der Präsentation in Mainz als „Zukunft des ÖPNV“ feiert, ist aber eher ein Nachzügler: Als etwa die Berliner Verkehrsbetriebe 2016 in einem europaweiten Aufruf nach Testfahrzeugen fragten, „war aus Deutschland keiner dabei“, sagt Petra Reetz, Sprecherin der Berliner Verkehrsbetriebe (BVG). Und als die Politik im vergangenen Sommer bei diversen „Diesel-Gipfeln“ darüber diskutierte, wie die Stickoxid-Grenzwerte in Innenstädten erreicht werden können, konnte die deutsche Industrie für den Nahverkehr keine emissionsarme Lösung bieten.

Der Tenor bei der Mercedes-Veranstaltung: Wir sind zwar nicht die Ersten, machen es aber dafür richtig. „Gemeinsam mit Kunden haben wir seit zehn Jahren viel Wissen aufgebaut und setzen das jetzt um“, drückt es Daum diplomatisch aus. Einen Seitenhieb auf die Konkurrenz kann er sich dann doch nicht verkneifen: „Wir wollen keine schnellen Schlagzeilen machen.“

Ein durchdachtes System statt eines unausgereiften Schnellschusses zu bieten mag der richtige Ansatz sein. Doch sowohl der eCitaro als auch der Blick auf den Rest der Industrie zeigt: Es ist noch gar nicht klar, ob sich ein System durchsetzt oder mehrere am Markt etablieren. Die Herausforderung bei elektrischen Stadtbussen ist weniger die Entwicklung des Fahrzeugs selbst, sondern das Laden und das Anpassen auf die jeweilige Route.

Szenario I: Das Depot-Laden

Es ist die naheliegendste und auch häufigste Lade-Möglichkeit: Über Nacht auf dem Betriebshof. In den langen Standzeiten können die Batterien mit geringer Leistung schonend geladen werden. Die Haltbarkeit der Akkus wird so verbessert, wenn sie nicht andauernd mit Schnellladungen belastet werden.

Ein weiterer Vorteil: Mit dem Strom aus der Leitung können die Busse gleich „vorkonditioniert“ werden – also im Sommer gekühlt und im Winter geheizt. „Die Heizung im Winter benötigt zum Beispiel sehr viel Energie, weil ein großer Teil der gerade angewärmten Luft an den Haltestellen über die Türen entweicht“, sagt Gustav Tuschen, Entwicklungschef bei Daimler Buses. „Zudem haben wir in Bussen jede Menge elektrische Verbraucher, die unabhängig vom Antrieb viel Strom ziehen.“

Von geschönten Reichweitenangaben hält Tuschen deshalb wenig. Im Optimalfall käme der eCitaro mit dem bis zu 243 Kilowattstunden großen Batteriepack 250 Kilometer weit. „Wir sprechen aber lieber von realistischen 150 Kilometer“, sagt der Entwickler. „Diese Reichweite garantieren wir unter allen Bedingungen, egal ob Sommer, Winter, mit voller Beladung oder bei hügeligem Gelände.“

150 Kilometer reichen nicht aus, um den Bedarf der Stadtwerke und Verkehrsbetriebe zu decken. Einige Stadtbusse sind am Tag bis zu 400 Kilometer unterwegs, bei anderen reichen die 150 Kilometer gerade so aus. Daimler hat im Vorfeld über 1200 Buslinien analysiert und gibt an, mit der Batterie des aktuellen Modells und Depot-Laden rund ein Drittel aller Strecken für Stadtbusse abzudecken.

Obwohl beim Depot-Laden etablierte Gleichstrom-Ladetechnologie aus dem Pkw-Bereich verwendet werden kann, ist es nicht frei von Problemen. Die Depots sind meist ältere Gebäude, in denen die Busse dicht an dicht parken. Es gibt also keinen Platz direkt neben dem Fahrzeug für eine große Gleichstromlädesäule mit Gleichrichter, Absicherung und Leistungselektronik. Um das zu lösen, hat der Schweizer Technologiekonzern ABB für ein Depot in Göttingen ein System entwickelt, bei dem die notwendige Technik bis zu 150 Meter entfernt von den Bussen steht – und am Fahrzeug direkt nur noch eine kleine Ladebox. Dennoch: Der Platzbedarf auf dem Betriebshof steigt – nach einigen Schätzungen um bis zu 30 Prozent.

Szenario II: Das Zwischenladen

Reicht der Akku nicht für die gesamte Tagesstrecke aus, muss unterwegs geladen werden. Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten – und je nach Anbieter unterschiedliche Ansichten, welche Technologie die beste ist.

Die einfachste Möglichkeit des Zwischenladens ist an der Endhaltestelle, entweder per Kabel oder automatisierter Lösung. „Ab drei Minuten an der Endhaltestelle lohnt sich das Nachladen mit bis zu 600 Kilowatt“, sagt Valentin Holz, bei ABB für Geschäftsmodelle rund um das E-Bus-Laden verantwortlich. Fünf Minuten seien aber noch besser: „Wenn es Verspätungen gibt, will der Bus-Betreiber die Warte- und Ladezeit an der Endhaltestelle kürzen, um einen Teil der Verspätung aufzuholen.“

Bei drei Minuten Ladezeit mit 600 Kilowatt könnten somit 30 Kilowattstunden Strom an jeder Endhaltestelle nachgeladen werden – das entspricht grob einer Reichweite von 20 Kilometern. Da ein Bus mehrmals am Tag an der Endhaltestelle wartet, können so die entscheidenden Kilometer nach und nach gesammelt werden, um über den Tag zu kommen.

Eine weitere Möglichkeit ist das schnelle Nachladen an mehreren Haltestellen. Da es hier zu umständlich wäre, jedes Mal das Kabel einzustecken, gibt es hier spezielle Oberleitungs-Ladestationen. ABB hat hierfür das TOSA-Flash-Laden entwickelt (Trolleybus Optimisation Système Alimentation).

An den Haltestellen kommt der Bus unterhalb der speziellen Ladestation zum Stehen. Ein beweglicher Ladearm auf dem Busdach verbindet sich innerhalb einer Sekunde mit der Station. Während der 15 bis 20 Sekunden, in denen die Fahrgäste ein- und aussteigen, lädt der Bus mit 600 Kilowatt nach. „Eine solche Station reicht an jeder dritten bis sechsten Haltestelle aus“, sagt Holz. In Genf sind auf der Linie 23 bereits zwölf Busse mit der Technologie unterwegs, an 13 von 50 Haltestellen sind Flash-Ladestationen installiert. Die über 18 Meter langen Gelenkbusse fahren im Zehn-Minuten-Takt und sollen in diesem Jahr bis zu 10.000 Fahrgäste transportieren.

Mit dem eCitaro ist das nicht möglich. Mercedes lässt keine Ladeleistung von 600 Kilowatt zu, sondern begrenzt die Akkus aus Gründen der Haltbarkeit auf etwas unter 300 Kilowatt. Damit verringert sich bei gleicher Ladedauer die Strommenge, die nachgeladen werden kann. Zudem will sich Mercedes als Bus-Hersteller nicht an eine bestimmte Lade-Technologie binden. Ab 2019 ist der eCitaro auch mit einem Ladearm erhältlich, der sich mit der Station verbindet. Ein Jahr später folgt eine Version mit Ladeschiene, bei der sich wiederum der Stromgeber der Ladestation mit dem Bus verbindet.

Die Daimler-Zurückhaltung bei hohen Ladeleistungen hat neben der Haltbarkeit einen weiteren Grund. „Wir bevorzugen das Laden per Stecker im Depot“, sagt Gustav Tuschen. „Zusätzliches Laden auf der Strecke erhöht die Investition und Komplexität einer elektrischen Buslinie enorm. Wir wollen es aber dem Kunden so einfach wie möglich machen.“

Szenario III: Verbesserte Akkus und Range Extender

Statt auf schnelles Nachladen setzt Daimler auf verbesserte Akkus, um die Reichweite der tatsächlichen Tagesstrecke der Busse anzupassen – und hat dabei einen klaren Zeitplan.

- Mit dem heutigen Akku, der je nach Anforderung modular auf bis zu 243 Kilowattstunden aufgerüstet werden kann, gibt Daimler die erwähnten 150 Kilometer realistischer Reichweite an.

- 2020 kommt die nächste Generation der Lithium-Ionen-Akkus, die immer noch auf der Nickel-Mangan-Cobalt-Technologie (NMC) basieren – und somit seltene Erden wie Kobalt enthalten. Die Kapazität steigt dann bei gleichbleibendem Platzbedarf auf bis zu 330 Kilowattstunden, die Reichweite auf realistische 200 Kilometer. Damit will Daimler die Tagesfahrleistung der Hälfte aller Buslinien abdecken können.

- Ebenfalls für 2020 hat Daimler eine zweite Batterietechnologie angekündigt: Parallel zu den Lithium-Ionen-Akkus wollen die Stuttgarter dann auch eine Lithium-Polymer-Batterie anbieten, also eine Festkörperbatterie. Die Vorteile: Die Kapazität steigt auf bis zu 400 Kilowattstunden (250 Kilometer Reichweite), was 70 Prozent aller Strecken entspricht. Zudem ist die Festkörperbatterie leichter. Die Nachteile: Die Batterie ist noch größer und vor allem ist kein Schnellladen möglich. Dieser Bus kann dann nur im Depot geladen werden und muss mit einer Akkuladung den ganzen Tag durchhalten.

- Die restlichen 30 Prozent der Strecken will Daimler nicht mit einer noch größeren Batterie abdecken, sondern einer anderen Technologie: der Brennstoffzelle. Der fehlende Strom für die besonders langen Busstrecken soll also nicht nachgeladen, sondern an Bord aus Wasserstoff erzeugt werden.

Die Vielfalt an Technologien hat ihren Grund. „Wir glauben nicht an ‚One size fits all‘“, sagt Daimler-Vorstand Daum. Je nach Linie müsse das passende Konzept gefunden werden – mal sei eine NMC-Batterie mit Schnelllade-Möglichkeit besser, mal eine Festkörperbatterie, die ausschließlich im Depot geladen wird. „Wir sprechen bereits jetzt über künftige Batterie- und Ladekonzepte, um unseren Kunden zu zeigen, wo der Weg hingeht“, sagt Daum. „Sie wollen vor allem Planungssicherheit.“

Doch genau diese Planungssicherheit gibt es derzeit nur bedingt. Zu den aktuell angebotenen Modellen und Ladekonzepten kommen bis 2020 weitere hinzu. Dann will auch MAN aus dem VW-Konzern einen elektrischen Stadtbus anbieten. Den notwendigen Beratungsservice für Kunden wollen sowohl MAN, Daimler und auch ABB anbieten. Ob die Unternehmen – mit den jeweilig favorisierten Technologien im Hinterkopf – bei der Analyse einer Buslinie auch zu demselben Ergebnis kommen, ist offen.

Ein weiterer Haken: Nur wenige Stadtwerke und Nahverkehrsunternehmen arbeiten nur mit einem Bushersteller. Bei einer Mehr-Marken-Strategie müssen auch die Ladekonzepte der Elektrobusse darauf abgestimmt werden. Es ergibt keinen Sinn, einen Großteil der Buslinien mit Flash-Ladestationen auszustatten und dann Daimler-Busse zu beschaffen, welche die Technologie nicht unterstützen. Diese können dann nur auf anderen Linien eingesetzt werden.

Spätestens 2020 liegt der Ball dann im Feld der Stadtwerke und Verkehrsbetriebe. Sie haben dann die Wahl zwischen E-Bussen von Solaris, Daimler, MAN, Iveco oder unzähligen kleineren Anbietern, wie etwa Hess, die die Busse für den ABB-Versuch in Genf geliefert haben. Bei den Stadtwerken, die über Jahrzehnte nur auf den Diesel-Bus gesetzt und oftmals aus Kostengründen die seit einigen Jahren angebotenen Hybrid-Busse ignoriert haben, müssen also aus dem Stand eine Expertise aufbauen, um sich für die richtigen Bus-Modelle und Ladekonzepte zu entscheiden. Ein Punkt, vor dem manch einem in der Industrie wohl graut – auch deshalb setzt fast jeder Hersteller auf eigene Beratungsangebote.

Am Ende hat auch jeder Steuerzahler ein Interesse daran, dass es dabei keine Fehlschläge gibt. Denn Elektrobusse sind teuer. Bei Daimler will man sich zwar auf keinen genauen Preis festlegen lassen, schließlich variiere der Fahrzeugpreis beim Citaro sehr stark je nach der gewählten Größe und Ausstattung. Nur eine Hausnummer: Der eCitaro sei „um den Faktor 2 bis 2,5“ teurer als ein vergleichbares Diesel-Modell. Und 80 Prozent dieser Mehrkosten können die Kommunen beim Bundesumweltministerium als Förderung zurückholen – ein Ergebnis des Diesel-Gipfels.