Modell zur ökologisch-technischen Lebenszyklusanalyse von Nahverkehrsbussystemen

Abstract

Die Verbesserung der Luftqualität und damit der Lebensqualität der Bürger, gemeinsam mit einer langfristig gesicherten Energieversorgung der Europäischen Union, sind vorrangige Ziele der Europäischen Umwelt- und Energiepolitik. Ein Hauptverursacher von luftbelastenden Schadstoffemissionen und Verbraucher von vorwiegend nicht erneuerbaren Ressourcen ist der Verkehrssektor. Gerade in Ballungsräumen mit ihrer dichten Bebauung und hohen Bevölkerungs- und Verkehrsdichte sind die Umweltbelastungen des Verkehrs spürbar. Um diese Verkehrsbelastungen zu senken, ist es erklärtes Ziel der Städte und Gemeinden, den ÖPNV auszuweiten. Da der Nahverkehrsbus das vorwiegend eingesetzte Transportmittel im ÖPNV ist, wird von den Kommunen der Einsatz verbrauchs- und emissionsarmer Omnibusse angestrebt. Mögliche Antriebskonzepte nutzen u.a. selbstzündende bzw. fremdgezündete Verbrennungsmotoren sowie Brennstoffzellen. Abhängig vom Antriebskonzept können verschiedene flüssige und gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Diesel, Erdgas oder Wasserstoff, eingesetzt werden. Nun haben Bushersteller wie Busbetreiber das Problem, dass sie den vollen Umfang der ökologischen Chancen und Risiken bekannter und neuer Busantriebstechnologien meist nicht oder nur unzureichend einschätzen können. Um eine Aussage über die Umweltfreundlichkeit der verschiedenen Antriebsformen treffen zu können, ist eine ganzheitliche Betrachtung der einzelnen Bussysteme aus umweltlicher Sicht durchzuführen. Wesentlich dabei ist die Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus des Systems Nahverkehrsbus und der lokalen Einsatzbedingungen. Basierend auf dem Ansatz der Ganzheitlichen Bilanzierung und den Erkenntnissen aus den von der Europäischen Kommission geförderten Demonstrationsprojekten CUTE (Clean Urban Transport for Europe) und ECTOS (Ecological City Transport System) wird in der vorliegenden Arbeit ein Instrumentarium zur ökologisch-technischen Analyse und Optimierung von Nahverkehrsomnibussen entwickelt. Der Ansatz des Modells beruht auf der Untersuchung der vier wesentlichen Lebenszyklusbestandteile eines Bussystems, der Busherstellung, der Kraftstoffbereitstellung, dem Busbetrieb und schließlich der Busentsorgung. Zunächst wird ein modulares Modell für die Herstellung und Entsorgung der betrachteten Bustypen erstellt. Die Kraftstoffbereitstellung wird einschließlich der Gewinnung und Verarbeitung der benötigten Energieträger län-derspezifisch analysiert. Für den Busbetrieb wurde ein Modell erstellt, das die standortspezifischen Randbedingungen des Betriebs, wie zum Beispiel Geschwindigkeit, Topographie und Beladung, bei der Bestimmung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen berücksichtigt. Anhand der Ergebnisse, welche mit Hilfe des in MS-Excel und in der Ökobilanzsoftware GaBi 4 umgesetzten Modells ermittelt wurden, lassen sich die drei Antriebstechnologien Diesel, Erdgas und Brennstoffzelle ökologisch vergleichen. Die Szenariofähigkeit des entwickelten Modells erlaubt die Optimierung der Bussysteme hinsichtlich u.a. Gesamtenergieverbrauch, Minimierung der Emissionen etc. Ferner kann das Umweltprofil ganzer Busflotten in Abhängigkeit ihrer Zusammensetzung berechnet werden. Die Validierung der quantitativen Ergebnisse des Modells erfolgt anhand von Messfahrten, die auf mehreren Strecken durchgeführt wurden und detaillierten Emissionsmessungen auf Rollenprüfständen.

Improving citizens' quality of life through improvement of air quality and increasing the security of long-term energy supply for the European Union, are the priority goals of the European Environment and Energy policy. The transport sector is one of the largest sectors in the economy responsible for both emission of air pollutants and the use of predominantly non-renewable resources. The environmental impacts are particularly noticeable in congested urban areas where buildings, population and traffic are most dense. To reduce this impact, cities and municipalities have set specific targets to extend public transport systems. Local authorities aim to increase the use of low consumption and low emission transit buses since these are the most common form of transport in public transport networks. Achieving these objectives can be facilitated by different drive system concepts such as self-igniting and spark-igniting internal combustion engines as well as fuel cells. Depending on the drive system concept, different liquid or gaseous fuels can be employed e.g. diesel, natural gas or hydrogen. However, bus manufacturers and operators are left with the problem that they are typically not able to assess the full extent of the actual and potential ecological benefits and risks of existing and new bus drive systems adequately. A holistic environmental investigation of each bus system has to be carried out in order to determine the environmental-friendliness of the various drive systems. This requires a consideration of the whole life cycle of the bus system and the local operating conditions. This work developed an instrument for an ecological and technical analysis and optimisation of local transit buses. The work employs the Life Cycle Assessment approach and is based on findings of the CUTE (Clean Urban Transport for Europe) and ECTOS (Ecological City Transport System) fuel cell bus demonstration projects which were conducted with the funding support of the European Commission in ten different cities across Europe. The created model is based on the examination of a bus's four fundamental life cycle stages; its manufacture, the provision of fuel, its operation and finally its disposal. The model comprises two parts. Initially, a general model for the manufacture and disposal of the specific bus model is developed. It also comprises the analysis of the provision of fuel for each city site, including the extraction and processing of the relevant energy sources. Subsequently the second component of the model is compiled for bus operation that considers site-specific operation (factors such as speed, topography and load) for the definition of fuel consumption and resulting emissions. The model is implemented in both MS-Excel and the Life Cycle Assessment software, GaBi 4. The results obtained from the model enabled three drive system technologies (diesel, natural gas and hydrogen) to be ecologically compared. The model provides the ability to develop and ex-amine different scenarios which enables bus systems to be optimised with regard to their total energy consumption, the minimisation of their emissions etc. Furthermore, the environmental impact of an entire bus fleet can be examined taking into account the number and different type of buses in the fleet. The quantitative results of the model have been validated on several routes with real world test runs and with detailed emissions monitoring carried out on a dynamometer test bench.