Elektro-Stadtbusse : Wie der ÖPNV elektrisch werden kann

Mit Elektro-Bussen soll die Stickoxid-Belastung in Innenstädten sinken. Nach und nach kommen auch deutsche Hersteller mit passenden Modellen. Gelöst ist die Herausforderung für die Verkehrsbetriebe damit aber noch nicht.

Der Mercedes-Benz eCitaro kommt noch 2018 auf den Markt.

Foto: Daimler

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.“

Mercedes erweitert mit einer batterieelektrischen Variante sein Antriebsangebot für seinen Stadtbus Citaro. Der E-Bus feiert seine Premiere auf der IAA Nutzfahrzeuge (20. bis 27. September) in Hannover. Erste Serienfahrzeuge sollen noch dieses Jahr ausgeliefert werden.

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Neben den Modellen mit Diesel- und Erdgasmotoren sowie der Version „hybrid“ mit 48-Volt-Elektromotor zur Entlastung des Verbrenners beim Anfahren setzt Mercedes jetzt auf Elektroantrieb im Stadtverkehr. Zum Einsatz kommen beim eCitaro zwei radnabennahe Elektromotoren an der Antriebsachse, die jeweils 170 PS leisten. Das Drehmoment liegt bei jeweils 485 Nm.

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Die Stromversorgung übernehmen modular aufgebaute Lithium-Ionen-Batterien, die sowohl auf dem Dach als auch im Heck platziert sind. Maximal sind zehn Module möglich, die bis zu 243 Kilowattstunden Strom abgeben können.

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Aufgeladen werden die Batterien entweder mittels Combo 2-Stecker oder optional per Dachstromabnehmer. Das dauert bei 150 km-Ladeleistung rund 1,5 Stunden.

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Mit zehn Batteriemodulen wiegt der 12 Meter lange E-Bus in Serienausführung etwa 13,44 Tonnen. Damit ist eine Zuladung von sechs Tonnen erlaubt oder anders ausgedrückt: Rund 88 Fahrgäste können transportiert werden.

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Als maximale Reichweite gibt Mercedes unter Alltagsbedingungen 150 Kilometer an. Um sowohl im Sommer als auch im Winter genügend Reichweite zur Verfügung zu haben, wurde beim E-Bus der Energiebedarf für Heizung, Lüftung und Klimatisierung im Vergleich zu den Modellen mit Verbrennungsmotor um rund 40 Prozent gesenkt. So wird der Frischluftanteil im Bus optimal an die aktuelle Fahrgastzahl angepasst. Die Auslastung des Busses wird dabei über dessen Achslastsensoren ermittelt.

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Außerdem wird die Leistung von Heizung und Klimaanlage je nach Zahl der Fahrgäste an Bord abgestimmt. Die Klimatisierung des Fahrerplatzes ist separat geregelt und auch bei extremen Außentemperatur ein Arbeitsklima von 24 Grad angestrebt.

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Die nahezu identische Bedienung im Vergleich zum Citaro mit Verbrennungsmotor erfordert von den Fahrern keine großen Umstellungen. An die Stelle des Drehzahl-messers tritt ein Powermeter. Dieser zeigt die aktuelle Leistungsabforderung oder den Stand der Rekuperation an. Der Fahrer erhält außerdem Informationen über den Ladezustand der Batterien und Reichweite.

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Auch eine Umstellung auf künftige Batterietechnik hat Mercedes beim eCitaro im Blick. Die nächste, ca. in zwei Jahren erhältliche Generation der aktuell verwendeten Lithium-Ionen-Batterien haben eine größere Kapazität (330 kWh) und ermöglichen daher eine gesteigerte Reichweite. Dank gleicher Anschlüsse können sie einfach eingebaut werden.

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Außerdem wird Mercedes alternativ zu den Lithium-Ionen-Batterien Feststoff-Batterien mit rund 400 kWh (ab 2022) sowie einen Range-Extender in Form einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung für den E-Bus anbieten. Mit diesen unterschiedlichen Offerten sollen nahezu alle Streckenprofile von Stadtbussen zukünftig elektrisch ausgeführt werden können.

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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.

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.

Das Auto der Zukunft fährt autonom, zumindest wenn sich der Fahrer das wünscht – da sind sich Autobauer und Experten einig. Einige Lkw-Hersteller rüsten auch ihre 40-Tonner mit teilautonomen Funktionen aus, um das sogenannte "Platooning" – ein besonders spritsparendes Kolonnenfahren in geringem Abstand – zu ermöglichen. Auch bei Zügen und Straßenbahnen wird darüber diskutiert, ob künftig noch ein Fahrer notwendig ist. Nur eines blieb bislang außen vor: der Bus. Das will Daimler jetzt ändern – mit seinem Stadtbus der Zukunft.

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Auf der einen Seite sind die Herausforderungen für einen autonom fahrenden Stadtbus enorm: Unübersichtliche Kreuzungen, viel Verkehr und die Haltestellen, wo der Bus in der Nähe von Menschen fahren muss, sprechen eigentlich gegen einen selbstfahrenden Bus. Auf der anderen Seite haben viele Städte eigene Bus-Spuren, auf denen besonders wenig Verkehr herrscht. Genau dafür ist der Daimler-Konzept-Bus gemacht. Die Fahrzeuge sollen noch nicht komplett die Kontrolle übernehmen, aber die Spur halten, Hindernisse erkennen und mit Ampeln kommunizieren können.

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Die Jungfernfahrt fand jetzt in Amsterdam statt: Auf einer rund 20 Kilometer langen Strecke absolvierte der Future Bus mit CityPilot seine erste autonome Fahrt im Stadtverkehr. Der Bus fährt auf einem Teilstück der längsten Expressbus-Linie Europas (Bus Rapid Transit, BRT) bis zu 70 km/h. Der Fahrer ist an Bord und überwacht das System, wird dabei aber erheblich entlastet.

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„Der CityPilot ist eine Weiterentwicklung des Lkw-Systems HighwayPilot, speziell für Großstädte“, sagt Daimler-Lkw-Vorstand Wolfgang Bernhard. „Damit fahren wir teil-autonom auf speziell ausgewiesenen Bus-Spuren. Das macht den öffentlichen Nahverkehr effizient, sicherer und leistungsfähiger: mehr Menschen können schnell, pünktlich und komfortabel von A nach B kommen. Busbetreiber, Busfahrer, Fahrgäste – alle profitieren.“

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Der erste Schritt zum vollautomatisierten Fahren mit Bussen im Stadtverkehr bietet sich für BRT-Linien (Bus Rapid Transit) mit separaten Trassen an. Der Future Bus erkennt, ob die Strecke für automatisiertes Fahren geeignet ist und signalisiert dies dem Fahrer. Ein Tastendruck vom Busfahrer, schon ist der CityPilot aktiviert. Voraussetzung: Der Fahrer nimmt dabei den Fuß von Gas- oder Bremspedal und lenkt nicht, denn jede Fahreraktivität überlagert den CityPilot. Damit soll der Fahrer stets die Kontrolle übernehmen können.

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Der CityPilot umfasst sowohl aktuelle Assistenzsysteme, die zum Beispiel für die Reisebusse von Mercedes-Benz verwendet werden, als auch zusätzliche Systeme, die teilweise von der Daimler-Trucks-Sparte übernommen und für den Stadtverkehr weiterentwickelt wurden. Die Ausstattung umfasst Fern- und Nahbereichsradar, eine Vielzahl von Kameras sowie das satellitengesteuerte Ortungssystem GPS . Zukunftsweisend ist die intelligente Vernetzung der Kameras und Sensoren. Durch sie entsteht ein präzises Bild der Umgebung und der exakten Position des Omnibusses.

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Beispiel Amsterdam: Vor dem Bus leuchtet eine spezielle Ampel auf. Zwei rote Punkte nebeneinander bedeuten auf dieser Ampel Stopp, zwei weiße Punkte übereinander freie Fahrt. Die Stellung der Ampel erkennt der CityPilot über sein aufwendiges Kamerasystem. Darüber hinaus kommuniziert das Fahrzeug über ein WLAN-System mit der Streckeninfrastruktur und erhält so Informationen zum Ampelstatus. So kann gezielt eine grüne Welle „erfahren“ werden.

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Anhalten, Türen öffnen und schließen, abfahren. Auch den ganzen Ablauf an einer Haltestelle soll der Bus alleine übernehmen können. Noch überwacht aber ein Fahrer alle Vorgänge. „Anfang des nächsten Jahrzehnts wollen wir damit in Serie gehen“, sagt Spartenchef Hartmut Schick. Bis sich Busse komplett ohne Fahrer im Stadtverkehr zurechtfinden, wird es dauern. „Unsere Pkw-Kollegen werden zuerst mit vollautomatischen Fahrzeugen in Städten unterwegs sein.“ Gut 200 Millionen Euro will Daimler bis 2020 in die Weiterentwicklung seiner Stadtbusse stecken.

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Daimler zeigt sich trotz der aktuellen Debatte um die Unfälle mit selbstfahrenden Teslas überzeugt, dass der Future Bus die Sicherheit im Stadtverkehr deutlich erhöht. Dank vorausschauender Fahrweise verbessere er die Effizienz, schone Aggregate und senke Kraftstoffverbrauch wie Emissionen, so der Konzern. Und durch die fließende, gleichmäßige Fahrt erhöhe er zudem den Komfort der Fahrgäste.

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A propos Fahrgäste: Auch hier bietet der Future Bus neue Ansätze. Der helle Innenraum teilt sich in drei Raumbereiche: Vorn ist der Bereich „Service“ in Fahrernähe angesiedelt, in der Mitte in Türnähe der Bereich „Express“ für kurze Strecken mit Schwerpunkt auf Stehplätze und schnellen Fahrgastfluss. Hinten schließt sich „Lounge“ an, gedacht für eine längere Verweildauer. Wie sich die Fahrgäste in der Rush Hour in den Loungebereich zwängen sollen, wird anhand der ersten Bilder aber nicht sofort klar.

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Nettes Detail: Im Innenraum befinden sich auch induktive Ladeschalen, dank derer die Fahrgäste ihre Smartphones kabellos mit Strom für den restlichen Tag versorgen können. Dem Smartphone kommt in dem Future Bus noch eine weitere Rolle zu.

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Fahrscheine auf Papier muss der Fahrer nicht mehr kontrollieren. Daimler setzt auf ein elektronisches Ticket-System – auch per Smartphone oder Smartwatch. Ein weiterer Vorteil: Das Bezahlen im Bus dauert so nur Sekundenbruchteile – das lange Warten an der Haltestelle, bis die Tickets bezahlt und der Fahrer das Wechselgeld herausgegeben hat, würden dann der Vergangenheit angehören.

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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.

Auf den ersten Blick ein normaler Mercedesbus: Platz für Fahrgäste, vorne die Fahrerkabine. Doch der „Future Bus“ fährt von Geisterhand. Nur gesetzliche Verpflichtungen machen den Fahrer noch nötig.

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.“

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.