Forschungsprojekt SimCityNet stellt digitalen Zwilling zur Konzeption und Bewertung von E-Fahrzeugen in kommunalen Flotten her
Sollte in E-Fahrzeuge investiert werden und wenn ja, in welche Art von Fahrzeugen konkret? Welche Vorteile ergeben sich für die kommunale Flotte? Um diese und weitere Fragen zu beantworten hat das Research Lab for Urban Transport (ReLUT) der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) in den vergangenen zwei Jahren das Forschungsprojekt SimCityNet wissenschaftlich begleitet. Das vom Land Hessen geförderte Projekt wurde im Verbund mit mehreren Partnern der Stadt Hanau umgesetzt. Kooperationspartner waren die Hanauer Straßenbahn GmbH (HSB), Hanau Infrastruktur Service (HIS) und die Hanau Wirtschaftsförderung GmbH (HWG) sowie als Konsortialführerin die in Hanau ansässige Simulationsdienstleisterin SimPlan AG. Im Projekt wurde ein digitaler Zwilling des Hanauer Straßennetzes erstellt, mit dem sich die Potenziale von alternativ angetriebenen Fahrzeugen im öffentlichen Personennahverkehr und kommunalen Entsorgungsbetrieben simulieren lassen.
„Die Elektromobilität ist eine der sich am dynamischsten weiterentwickelnden Innovationsthemen. Der öffentliche Verkehr sowie kommunale Entsorgungsbetriebe bieten bei der Verkehrswende eine große Chance, da sich die täglichen Laufleistungen der Fahrzeuge sehr gut abschätzen lassen“, erläutert Prof. Dr. Josef Becker vom Fachbereich Architektur, Bauingenieurwesen, Geomatik der Frankfurt UAS und im ReLUT-Team zuständig für Schienenverkehrswesen und öffentlichen Verkehr. Im Schienenpersonennah- und Fernverkehr wird die Elektromobilität bereits seit mehreren Jahrzenten betrieben. Das Projekt SimCityNet erweiterte den Einsatz von Elektromobilität auf den straßengebundenen öffentlichen Verkehr und setzte gezielt auf die Potenziale von batterieelektrisch betriebenen Bussen und Brennstoffzellenbussen im Linienverkehr sowie entsprechenden Nutzfahrzeugen in städtischen Entsorgungsbetrieben.
Die Konzeption eines Simulationsmodells erforderte zunächst eine umfassende Analyse und Datenerhebung der aktuell bestehenden Prozesse beider Hanauer Praxispartner. Hierbei wurden u.a. Routenplanungen und Fahrpläne optimiert und Einsparpotenziale im Bereich von lokalen Emissionen identifiziert. Darauf aufbauend wurden entsprechende Soll-Konzepte entwickelt, die den möglichen Einsatz alternativ angetriebener Fahrzeuge für die Zukunft beschreiben. Mittels der gewonnenen Erkenntnisse wurden die Prozesse in das Verkehrsmodell implementiert und validiert. Für die Simulation von unterschiedlichen Szenarien erfolgt eine Parametrisierung einflussnehmender Parameter durch den Modellnutzer. Hierzu zählt u.a. die zu simulierende Flottengröße, Antriebstechnologie, Ladeinfrastruktur, Lademanagement und Witterung. Da bei heutigem Stand der Technik die Reichweite der batterieelektrischen Fahrzeuge teilweise nicht ausreicht, um alle planmäßigen Fahrten des Busses an einem Tag ohne zwischenzeitliches Laden zu absolvieren, wurden mittels Algorithmen neue Umläufe im Abgleich mit der gewählten Referenzreichweite der Fahrzeugmodelle ermittelt. Neben der Visualisierung der Prozesse beider Betriebe im Verkehrsmodell wurden während der Simulationsberechnung permanent Auswertungen und Statistiken zu den gefahrenen Umläufen/Touren und Fahrzeugen (z.B. Energieverbrauch, gefahrene Strecke, Ladezustand) erfasst. Damit konnten nicht nur die Fahrten simuliert werden, sondern auch die Ladevorgänge. Somit konnten auch notwendige Hinweise zur Dimensionierung der Energieversorgung aufgezeigt werden.
„Die Ergebnisse zeigen, dass die Umstellung der Flotte von konventionellen Antrieben auf eine Brennstoffzellen-Flotte zu keiner betrieblichen Veränderung gegenüber dem Ist-Ablauf führt, aufgrund ausreichender Fahrzeugreichweiten sowie vergleichbar kurzen Tankzeiten. Die Implementierung einer größeren Anzahl an Brennstoffzellenfahrzeugen ist allerdings auch mit einem erheblichen finanziellen Mehrbedarf verbunden, sowie der Frage nach einer überhaupt ausreichend verfügbaren Anlieferung und Speicherung von Wasserstoff auf dem Betriebshof“, so Prof. Dr. Kai-Oliver Schocke vom Fachbereich Wirtschaft und Recht der Frankfurt UAS und im ReLUT-Team zuständig für Logistik und Produktionsmanagement. Um den Busbetrieb mit batterieelektrischen Fahrzeugen aufrecht zu erhalten, ist eine Anpassung der Einsatzpläne der einzelnen Fahrzeuge zwingend erforderlich. „Kurz- bis mittelfristig können eine Vielzahl der bestehenden Umläufe von batterieelektrischen Fahrzeugen übernommen werden. Die begrenzten Reichweiten führen langfristig allerdings zu einem signifikanten Mehrbedarf an Fahrzeugen“, so Schocke. „Bei den Abfallbetrieben wird bei einem Mix von Elektro- und Wasserstoffantrieb die Anzahl der Fahrzeuge allerdings nicht verändert.“
„Der digitale Zwilling wurde so erstellt, dass er grundsätzlich auf andere Anwendungsfälle bzw. Kommunen übertragbar und um andere Aspekte (z. B. Logistik) erweiterbar ist“, gibt Becker einen Ausblick in die Zukunft. Becker bettet das Hanauer Projekt zudem in den Gesamtzusammenhang der deutschen Klimaziele ein, die Treibhausgasemissionen deutlich zu reduzieren. Große Potenziale lägen dabei im Verkehrssektor und speziell in der Elektrifizierung von Kraftfahrzeugantrieben. Weit schwieriger als der Test einzelner Fahrzeuge sei es zu bewerten, wie sich ein umfassender Umstieg von größeren Teilen oder gar der gesamten Flotte eines Verkehrsunternehmens von Dieselbussen auf solche mit alternativen Antrieben auswirke. „Während die drängende Frage nach den Emissionseinsparungen mit herkömmlichen Verfahren noch beantwortbar scheint, sind Fragestellungen des operativen Betriebs bislang in weiten Teilen unbeantwortet. Mit dem Zwilling können wir diese Wissenslücke schließen.“
Weitere Informationen zum Projekt und Ergebnisse im Abschlussbericht unter Veröffentlichungen auf: www.relut.de/.
Research Lab for Urban Transport (ReLUT)
Im Research Lab for Urban Transport (ReLUT) der Frankfurt University of Applied Sciences forscht ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaft und Praxis zu aktuellen und zukünftigen Herausforderungen des Verkehrs im städtischen Raum. Dabei konzentriert es sich u.a. auf die Entwicklung von wirtschaftlichen und ökologischen Last-Mile-Lösungen für Liefer- und Frachtdienste aus dem Kurier-Express-Paket-(KEP)-Bereich. Weitere Informationen unter: https://www.relut.de.
Kontakt:
Frankfurt University of Applied Sciences
Fachbereich 1: Architektur • Bauingenieurwesen • Geomatik
M.Eng. Gérôme Löw
Tel.: +49 69 1533-2357
gerome.loew(at)fb1.fra-uas.de
Prof. Dr. Josef Becker
Tel.: +49 69 1533-3629
josef.becker(at)fb1.fra-uas.de