Internationales Verkehrswesen (66) 3 | 2014 108 TECHNOLOGIE Wissenschaft TransMilenio goes green Ist eines der größten Bus Rapid Transit-Systeme der Welt elektriizierbar? In der Hauptstadt Kolumbiens, Bogotá, befördert das Bus Rapid Transit-System TransMilenio in der Spitzenstunde mit 1200 Dieselbussen bis zu 48 000 Personen pro Stunde und Richtung, Tendenz steigend. Die elektrische Energie wird in Kolumbien zu 80% aus Wasserkraft gewonnen. Es steht die Frage im Raum, wie diese regenerative Energie für einen leistungsfähigen öfentlichen Personennahverkehr nachhaltig genutzt werden kann. In einer Machbarkeitsstudie hat das Dresdner Institut für Bahntechnik GmbH (IFB) die Umstellung auf ein Trolleybussystem untersucht. Die Autoren: Sven Körner, Enrico Brandes D as IFB hat eine Machbarkeitsstudie über die Elektriizierung des Bus Rapid Transit-Systems TransMilenio der kolumbianischen Hauptstadt Bogotá erstellt. Es sollen Vorschläge erarbeitet werden, die es gestatten, so viele Dieselbusse wie möglich durch Trolleybusse zu substituieren. Aufgrund der eher einer U-Bahn würdigen Verkehrsleistung von bis zu 48 000 Personen pro Stunde und Richtung im morgendlichen Peak ist die Auslegung des elektrischen Netzes insbesondere hinsichtlich der Positionierung der Unterwerke, Fahrleitungsauswahl, Belastung der Betriebsmittel und Einhaltung normativer Vorgaben anspruchsvoll. Im Rahmen der Studie werden der Betriebssimulator OpenTrack und das elektrische Netzberechnungsprogramm OpenPowerNet für die Untersuchungen genutzt [1, 2]. Durch Vorgabe elektrischer Netzkonigurationen werden Abschätzungen über die mögliche Anzahl an Bussen getrofen und die Dimensionierung der elektrischen Betriebsmittel unter Berücksichtigung der Einhaltung normativer Grenzwerte vorgeschlagen. Das Bus Rapid Transit-System Das Bus Rapid Transit-System (BRT), auch bezeichnet als Busway oder Metrobus, ist in Europa allgemein nicht so bekannt wie der schienengebundene Stadtverkehr. Es handelt sich um ein Busliniensystem, bei dem die Busse auf vom Individualverkehr abgetrennten Spuren, meist in der Mitte der Straße, fahren. Die Haltestellen werden meist ebenfalls speziell für diese Busse gebaut, liegen niveaugleich zur Einstiegshöhe der Busse und haben oftmals auch Bahnsteigtüren. Des Weiteren werden Gelenk- oder Doppelgelenkbusse mit hohen Fahrgastkapazitäten und vielen Türen eingesetzt sowie Vorrangschaltungen an Ampelkreuzungen eingerichtet. Der Ticketverkauf und die Entwertung inden ebenfalls außerhalb des Busses statt. Energieerzeugung in Kolumbien Die Energieerzeugung Kolumbiens ist deutlich umweltfreundlicher als die vieler Industrienationen. In 2011 wurden 64 % des Leistungsbedarfs (ca. 14,4 GW) aus Wasserkraft gedeckt, 32 % aus fossilen Brennstofen und die restlichen vier Prozent aus erneuerbaren Energien (z.B. Sonne, Wind). Zum Vergleich: Deutschland bezieht nach Zahlen des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) im Jahr 2013 ca. 71,4 % seiner Energie aus fossilen Brennstofen und Kernenergie, 23,4 % aus erneuerbaren Energien (Wind, Biomasse, Wasser, Photovoltaik, Siedlungsabfälle) und 5,2 % aus sonstigen Trägern. Zu den erneuerbaren Energien zählen in Kolumbien nur kleine Wasserkraftwerke unter 20 MW mit einem Anteil von 84 %, Biomasse-Kraftwerke mit 13 % und Windenergiekraftwerke mit 3 %. Die Zuordnung der Wasserkraftwerke zu den erneuerbaren Energien nach der Leistungsgröße hat den Grund, dass durch große Wasserkraftwerke eine hohe Abhängigkeit von Regen besteht; durch den Klimawandel und den damit verbundenen Dürreperioden könnten diese Kraftwerke in Zukunft zu wenig Energiesicherheit bieten. Ein enorm hohes Potenzial zur Energiegewinnung bietet die Windkraft. Durch sehr windreiche Gegenden könnte sogar deutlich mehr als der komplette Energiebedarf Kolumbiens durch sie gedeckt werden. Die Möglichkeit, einen Großteil der elektrischen Energie aus erneuerbaren Energien zu gewinnen und Trolleybusse für das öfentliche Verkehrssystem TransMilenio zu nutzen, besitzt einen umweltfreundlichen Vorbildcharakter und ist zukunftsweisend. TransMilenio Bis zum Jahr 1998 gab es für die Stadt Bogotá kein echtes Verkehrskonzept, sondern nur unzählige private Busunternehmen. Die hohe und ständig wachsende Einwohnerzahl, die mangelhafte Vernetzung der einzelnen Buslinien, das hohe Durchschnittsalter der Busse und Lenkzeiten von zum Teil mehr als 16 Stunden brachten viele Probleme mit sich: lange Staus, ein hoher Schadstofausstoß und viele Unfälle waren die Regel. Der damalige Bürgermeister Enrique Peñalosa ließ die Einwohner Bogotás 1998 über ein ganzheitliches Verkehrskonzept abstimmen. Kernpunkt ist ein neues Busliniensystem „TransMilenio“, welches als BRT-System erbaut und vom Staat Kolumbien und der Stadt Bogotá bezahlt wurde. Nach anfänglicher Skepsis seitens der privaten Betreiber wurde dieses Modell einer „Public-Private“-Partnerschaft zu einem großen Erfolg. Internationales Verkehrswesen (66) 3 | 2014 109 Wissenschaft TECHNOLOGIE Innerhalb kurzer Zeit übertraf der TransMilenio die Erwartungen von 200 000 Passagieren pro Tag um das Doppelte und entwickelte sich Schritt für Schritt zu einem der wichtigsten Verkehrsmittel im Zentrum Bogotás. Inzwischen nutzen im Mittel täglich 1,4 bis 1,7 Mio. Fahrgäste das schon mehrfach erweiterte System. Die Durchschnittsreisegeschwindigkeit beträgt beachtliche 26 km/ h. Im ganzen Netz werden Busse mit Einfach- (Bild 1) oder Doppelgelenk mit einer Kapazität von 160 bzw. 260 Passagieren eingesetzt. Der 7-min-Takt wird in Stoßzeiten auf Bruchteile von Minuten verdichtet. Oftmals kommen die Busse dennoch an ihre Kapazitätsgrenze. Simulationssystem für die Gesamtsystemanalyse Die Lastlüsse im Energieversorgungsnetz elektrischer Verkehrssysteme werden im Wesentlichen durch die darin fahrenden Fahrzeuge und die Gestaltung der Energieversorgung bestimmt. Der Energiebedarf eines Systems wird durch die jeweilige Streckentopologie, die betrieblichen Anforderungen, die Position der Fahrzeuge im Netz, deren Antriebscharakteristika und die Struktur des Energieversorgungsnetzes beeinlusst. Durch Simulation können sowohl Analysen als auch Prognosen hinsichtlich des Leistungs- und Energiebedarfs sowie der technischen Gestaltung und Dimensionierung der elektrischen Anlagen und Betriebsmittel erstellt werden. Im Rahmen der Studie werden der Betriebssimulator OpenTrack und das elektrische Netzberechnungsprogramm OpenPowerNet verwendet. Beide Programme interagieren in Form einer gekoppelten Online-Simulation, auch Co-Simulation genannt. Eine Co-Simulation wird eingesetzt, wenn die Vorteile der einzelnen Programme mit ihren unterschiedlichen Ansätzen zu einer komplexen Simulation von gekoppelten technischen Systemen vereint werden sollen. Die Arbeitsweise der Programme ist in [3] und [4] beschrieben. Rahmenbedingungen und Vorgehensweise Trolleybusse werden mit Nennspannungen bis 750 V DC ausgeführt und können bei Nennspannungen zwischen 600 V bis 900 V DC, beim Bremsen bis 1000 V DC ohne Einschränkungen betrieben werden. Im Gegensatz zu konventionellen elektrischen Bahnen, bei denen der Strom über den Fahrdraht oder Stromschienen zum Fahrzeug und über die Schienen zurück zum Unterwerk ließt, werden Trolleybusse ausschließlich über zwei Fahrdrähte versorgt. Der elektrische Widerstand bezogen auf die gleiche Fahrleitungslänge ist deshalb bei Trolleybus-Konigurationen deutlich größer als bei konventionellen elektrischen Bahnen. Gibt es eine große Anzahl Fahrzeuge, muss versucht werden, einen kleinen elektrischen Widerstand für die Übertragung des Stromes zu realisieren, um die Spannungstoleranzen einzuhalten. Dies kann durch kürzere Abstände der Unterwerke und parallele Verstärkungsleitungen zu den Fahrdrähten erreicht werden. In dieser Ausführung steigen die Anzahl der Komponenten und der Materialaufwand und damit die Kosten für das System. Verschiedene Ausführungsvarianten des elektrischen Netzes für TransMilenio wurden erstellt, unter Annahme der höchsten Betriebsbelastung simuliert und die Ergebnisse analysiert. Bild 1: Gelenktrolleybus auf eigener Fahrspur und Fußgängerquerung in Bogotá. Bild 2: Korridore und Haltestellen TransMilenio Internationales Verkehrswesen (66) 3 | 2014 110 TECHNOLOGIE Wissenschaft Die Bewertung der Simulationsergebnisse erfolgt bezüglich der Spannungshaltung gegenüber Normkriterien, Unterwerkspositionen und Unterwerksanzahl, Unterwerksausstattung, technischen Parameter für Gleichrichter und Gleichrichtertransformatoren, Anordnung der Speisepunkte auf der Strecke, Bewertung der Fahrleitungsquerschnitte und der elektrischen Leiter und der Belastung der elektrischen Betriebsmittel. Aufbereitung der Simulations-Eingabedaten Im Rahmen der Umsetzung wird zunächst die Betriebssimulation aufgebaut. Das zu untersuchende TransMilenio-Netz besteht aus 11 Korridoren (A bis J) mit 116 Stationen (Bild 2). Diese Korridore werden zu 25 Hauptlinien kombiniert und von 100 Buslinien über den Tag zwischen 05: 00 Uhr bis 23: 00 Uhr betrieblich bedient. Die verfügbaren GPS-Koordinaten werden für den Betriebssimulator aubereitet. Es ist notwendig über die gesamte Strecke die Höhendaten, insbesondere die Gradienten, zu ermitteln. Neben den Stationen gibt es zahlreiche Lichtsignalanlagen, die in die sicherungstechnischen Modelle des Betriebssimulators integriert wurden. Die Strecke ist durch zahlreiche Neigungswechsel und wenige Radien gekennzeichnet. Für die Simulation werden Daten moderner Gelenk- (GTB) und Doppelgelenktrolleybusse (DGTB) aubereitet. Es ist notwendig, die fahrdynamischen Eigenschaften in Form eines Zugkraft-Geschwindigkeits-Diagramms, von Fahrwiderständen und weiterer Kennwerte sowie der elektrischen Eigenschaften des Antriebs und der elektrischen Hilfsbetriebe fahrzeugspeziisch vorzugeben. Der Antrieb des Fahrzeugs wird zweckmäßig über einen Wirkungsgradverlauf abgebildet. Der Fahrplan wurde für den Takt in der morgendlichen Spitzenstunde aubereitet, da dieser die größte auftretende betriebliche Belastung darstellt. Während dieser Zeit zwischen 07: 00 Uhr und 08: 00 Uhr verkehren 67 der 100 Buslinien mit ca. 1200 Bussen im Streckennetz. Im Rahmen der Machbarkeitsstudie wurde das elektrische Gleichspannungsnetz für die Traktionsstromversorgung der Trolleybusse bestehend aus Gleichrichterunterwerken, Kabeln, Fahrdrähten und Verstärkungsleitungen modelliert und untersucht. Als Grundkoniguration wurde fast ausschließlich die Doppelspeisung vorgesehen. Die Unterwerke wurden für jeden Korridor richtungsspeziisch mit je einer Gleichrichtereinheit modelliert. Als Unterwerksstandorte kommen lediglich die Stationen des Systems in Betracht. Eine komplette Umstellung auf Trolleybusse wird vor allem aus betrieblichen Gesichtspunkten kritisch gesehen. Deswegen wird empfohlen, nur einen deinierten Anteil aller Busse auf Trolleybusse umzustellen. Ergebnisauswahl Zu den klassischen Ausgaben der Betriebssimulation sind stellvertretend die Fahrproile der Fahrzeuge und die Höhenproile der Strecken zu nennen. In Bild 3 sind diese Diagramme gemeinsam dargestellt, wobei die schwarze Kennlinie das Höhenproil symbolisiert. Die simulierte Fahrt verläuft im Diagramm von links nach rechts, teilweise ohne Halt an bestimmten Stationen. Aus der elektrischen Netzberechnung heraus gibt es zahlreiche Ergebnisse in graischer und tabellarischer B_s_01 B_s_02 B_s_03 B_s_04 B_s_05 B_s_06 B_s_07 Portal Norte Toberín Cardio Infantil Mazurén Calle 146 Calle 142 Alcalá Prado Calle 127 Pepe Sierra Calle 106 Calle 100 Virrey Calle 85 Héroes 300 400 500 600 700 800 900 1.000 1.100 0+000 1+000 2+000 3+000 4+000 5+000 6+000 7+000 8+000 9+000 10+000 Voltage [V] Position [km] |U_min_Panto| Infeed Isolator U_nom U_tol (EN 50163) 0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 07: 00: 00 07: 10: 00 07: 20: 00 07: 30: 00 07: 40: 00 07: 50: 00 08: 00: 00 Power [kW] Time P Bild 3: Fahrprofil (blau) und Höhenprofil (schwarz) für eine Linie Bild 4: Minimale Spannung am Stromabnehmer Bild 5: Elektrische Leistung an der Sammelschiene eines Unterwerks Internationales Verkehrswesen (66) 3 | 2014 111 Wissenschaft TECHNOLOGIE Form. Als ein Nachweis normenrelevanter Kriterien wird von der Auswertung ein Diagramm als untere Einhüllende der minimalen Spannung am Stromabnehmer aller Fahrzeuge erzeugt. Diese Kennlinie sollte sich stets im Bereich der normativ zugelassenen Spannungsgrenzwerte bewegen. Exemplarisch ist für einen Streckenabschnitt dieses Diagramm in Bild 4 dargestellt. Neben der Kennlinie sind Informationen zu den normativen Spannungsgrenzwerten, zu den Einspeisepunkten der Unterwerke, zur Lage der Trenner und für eine bessere Orientierung auch die Position der Stationen eingezeichnet. Für die Unterwerke liegen zeitliche und zeitlich normierte Verläufe von Strom, Spannung und Leistung zum Beispiel an der Sammelschiene (Bild 5) oder für die einzelnen Gleichrichtereinheiten vor. Mit Hilfe dieser Belastungsdaten können am Markt verfügbare elektrische Betriebsmittel hinsichtlich Kurz- und Dauerbelastbarkeit ausgewählt werden. Zahlreiche Ergebnisse der Simulation werden tabellarisch zusammengestellt und dienen der Betriebsmitteldimensionierung (Tabelle 1). Aus den Efektivbzw. Dauerwerten von Strömen und Leistungen können die Nennwerte für Gleichrichter und Gleichrichtertransformatoren abgeleitet werden. Aus den Maximalwerten der elektrischen Größen sind die Kurzzeitbelastbarkeiten aus dem Betrieb bekannt. Die umgesetzte Energie und die Verluste der Gleichrichtereinheit werden angegeben und gehen in den Gesamtenergieumsatz des elektrischen Netzes ein. Neben den einzelnen Verlusten ist immer die Frage interessant, wie groß die Energie ist, die vom Energieversorger gekauft werden muss. Dies kann für jedes einzelne Unterwerk, aber auch für das Gesamtsystem ermittelt und für verschiedene Szenarien gegenübergestellt werden (Bild 6). Abgesehen von den Ergebnisgrößen der stationären elektrischen Betriebsmittel lassen sich auch Fahrzeugübersichten mit zahlreichen Kennwerten erstellen. Die Vielzahl der verfügbaren Simulationsergebnisse wird im Rahmen der Machbarkeit aus technischer Sicht bewertet. Zusammenfassung Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie werden Varianten und Möglichkeiten ermittelt, das Bus Rapid Transit System in Bogotá zu elektriizieren. Trolleybusse fahren lokal emissionsfrei. Durch den speziischen Energiemix in Kolumbien mit einem ausgesprochen hohen Anteil an regenerativer Wasser- und Windkraft ist das Besondere, dass auch für das Gesamtsystem nur geringe Emissionsanteile dem elektrischen Verkehrssystem zugeordnet werden müssten. Für diese Studie werden moderne Simulationsprogramme als Werkzeuge für die Nachbildung des Betriebs und für die Berechnung des elektrischen Netzes genutzt. Durch die Simulationen können sehr schnell Aussagen zu konkreten technischen Ausführungsvarianten des elektrischen Netzes getrofen werden. Im Konkreten werden die zu berücksichtigenden normativen Grenzwerte auf ihre Einhaltung durch die Simulation überprüft. Elektrische Betriebsmittel werden auf Basis der Simulationsergebnisse dimensioniert. Der Strukturaufwand der elektrischen Netzkonigurationen kann variantenspeziisch dargestellt werden. Als Nebenprodukt aus der elektrischen Netzberechnung erhält man zahlreiche weitere betriebsmittelspeziische Kennwerte und allgemeine Größen des Gesamtsystems. Das Fazit: Das leistungsfähigste BRT-System der Welt kann zu großen Teilen elektriiziert werden. ■ LITERATUR [1] www.OpenPowerNet.com [2] www.OpenTrack.ch [3] Stephan, A.: OpenPowerNet - Simulation of Railway Power Supply Systems, Comprail 2008, Toledo-Spanien, Wessex Institute of Technology. [4] Ufert, M., Körner, S.: Bahnbetriebssimulation mit online gekoppelter elektrischer Netzberechnung. In: Verkehr und Technik 66 (2013), H. 11, S. 420-424. Sven Körner, Dipl.-Ing. Projektleiter im Fachbereich Antriebtechnik und Bahnenergieversorgung, Institut für Bahntechnik GmbH, Dresden sk@bahntechnik.de Enrico Brandes, Dipl.-Ing. Projektleiter im Fachbereich Antriebtechnik und Bahnenergieversorgung, Institut für Bahntechnik GmbH, Dresden eb@bahntechnik.de 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Bild 6: Normierter Gesamtenergiebedarf von 4 Netzvarianten Substation Device Type Signal |I| max A I rms A I rms15 A |S| max kVA |P| max kW P rms kW P rms15 kW E kWh E loss kWh A_n_04 rec_n1 Rec total 1831 818 861 1591 1591 722 760 668 11,367 A_n_04 rec_n2 Rec total 1151 421 458 1013 1013 375 407 332 3,012 Tabelle 1: Übersicht über elektrische Größen von zwei Gleichrichtern