Elektrische Antriebe planbar machen

ES-OPT

Einleitung

Viele Länder haben sich im Pariser Klimaschutzabkommen verpflichtet ihre Treibhausgasemissionen zu verringern. Ein Baustein dazu ist der Ersatz von Dieselbussen durch Elektrobusse. Deshalb steigt der Einsatz von E-Bussen im öffentlichen Personennahverkehr in den letzten Jahren stetig und wird auch weiter steigen. Zusätzlich reduziert der Einsatz von E-Bussen die Stickoxid- und Feinstaubemissionen in den Innenstädten.

Funktionsweise

Eine Batterieladung eines Elektro-Busses reicht nicht für die typischerweise täglich gefahrene Strecke eines Busumlaufes. Daher muss die in der Batterie verfügbare Energie bei der Planung der Umläufe berücksichtigt werden, damit zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist, dass die Batterie nicht vollständig entladen wird. Der Energiebedarf eines Fahrzeugs hängt dabei nicht nur von der zurückgelegten Strecke ab, sondern z.B. auch vom Höhenprofil der Strecke, von der Umgebungstemperatur und von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
Auch das Laden der Batterie ist ein komplexer Vorgang, der von vielen Faktoren abhängig ist und vor allem nur an Orten mit entsprechender Infrastruktur durchgeführt werden kann.  Eine Rolle beim Laden spielen  z.B. die verwendeten Ladetechnologie, der Ladestrom und der Füllgrad der Batterie. Außerdem ändert sich die die Kapazität einer Batterie mit der Zeit, da sie mit der Anzahl der durchgeführten Ladezyklen abnimmt.

Grundsätzlich unterscheidet man folgende Ladestrategien:

  • Depot charging/overnight charging: aufgeladen werden die Fahrzeuge während der Betriebsruhe im Betriebshof,
  • in motion charging: aufgeladen werden die Fahrzeuge während der Fahrt als O-Bus,
  • opportunity charging: aufgeladen werden die Fahrzeuge während des Betrieb durch Schnelllader an Haltestellen oder in Abstellanlagen.
Ziel der Optimierung ist es nun analog zu VS-OPT kostenoptimale Umläufe zu finden, die derartig konstruiert sind, dass die Batterie nicht vollständig entladen wird, indem das Fahrzeug regelmäßig aufgeladen wird oder indem der Tagesumlauf so kurz ist, dass das Fahrzeug anschließend aufgeladen werden kann. Bei den Lade-Vorgängen müssen die Kapazitäten der Ladevorrichtungen eingehalten werden, da nur begrenzte Anzahlen von Ladevorrichtungen vorhanden sein können oder manchmal auch die Gesamtleistung der Ladevorrichtungen begrenzt ist. Bei der reinen Elektrobus-Optimierung werden hauptsächlich Kosten optimiert, d.h. die Anzahl der Busse und die Länge der gefahrenen Strecke dominieren die Zielfunktion. Werden Dieselbusse und Elektrobusse gemeinsam optimiert, kann für die Elektrobusflotte vorgegeben werden, dass sie möglichst viele produktive Fahrten machen soll.

Modell

Unser mathematisches Modell für die Elektrobusoptimierung vereint das Mehrgüter-Fluss-Modell von VS-OPT für die Umlaufoptimierung mit einem Set-Partitioning-Modell, das je Spalte einen Umlauf für einen Elektrobus enthält. Im Set-Partitioning-Modell werden die Energiebedarfs-Bedingungen für die Elektrobusse berücksichtigt. Der Energiebedarf je Fahrdienstelement (also Teilstück einer Fahrgast- oder Leerfahrt) wird dabei als konstant angenommen. Die Berechnung dieses Energiebedarfs sowie der Ladekurven werden von der ebus Solutions GmbH unter Berücksichtigung aller relevanten Faktoren vorgenommen. Die Ladekurven werden je Ladepunkt, also je Ort, an dem aufgeladen werden darf, stückweise linear approximiert.  

Das Set-Partitioning-Modell wird in einem Column-Generation-Verfahren aufgebaut. Das Pricing-Problem ist dabei ein Kürzeste-Wege-Problem mit zusätzlichen Nebenbedingungen für den Energiebedarf des Busumlaufes.  Mit diesem Modell ist es möglich sowohl das Laden der Batterien im Betriebshof als auch das (teilweise) Laden der Batterien unterwegs oder auf der Strecke abzubilden.

Im Mehrgüter-Fluss-Modell werden die Flottenkapazitäten berücksichtigt. Gekoppelt werden diese beiden Probleme analog zu der Kopplung von Umlauf- und Dienstplanung bei IS-OPT. Dieser Ansatz ermöglicht es die Komplexität der Entladung und Aufladung der Batterien im Detail zu Modellieren und gleichzeitig gemischte Flotten von praxisrelevanter Größe integriert zu optimieren.

Anwendung

ES-OPT ist im Einsatz bei der BVG und wird in Zusammenarbeit mit der IVU und der ebus Solutions GmbH weiterentwickelt. Forschungsthemen im Zusammenhang mit ES-OPT untersuchen wir im Rahmen des Forschungscampus Modal. Außerdem unterstützen wir mehrere Verkehrsunternehmen bei der Erprobung von ES-OPT, damit sie ihre Elektro-Busse möglichst effizient einsetzen können.