Stadtbahn macht Pkw zu Klimaschützern

Die Kölner Unternehmen KVB, RheinEnergie und Ford haben in Bocklemünd die innovative Ladeinfrastruktur des Projektes MuLI offiziell in Betrieb genommen. MuLI klingt dabei etwas wie ein störriges Lasttier. Dabei stecken hinter dem Titel „Multimodale Lademodul-Integration“ viele gute Ideen cleverer Ingenieure. Und die haben sich bei ihrer Kernerarbeit nicht von ihrem Weg abbringen lassen. Das Projekt kann als Blaupause die Verkehrswende fördern.

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Von außen betrachtet sieht die Ladeinfrastruktur nüchtern aus – im Bild die Ladestation bei der Montage

Die Ladeinfrastruktur besteht aus einer Ladestation, einem Lademast für E-Busse und zwei Ladesäulen mit jeweils zwei Ladepunkten für Elektrofahrzeuge. Die Ladestation wiederum unterteilt sich in einen Batterieraum und einen Mittelspannungsschaltraum. Der Lademast befindet sich im Bereich der KVB-Haltestelle „Bocklemünd“, an der die Stadtbahn-Linien 3 und 4 sowie die Bus-Linien 126, 143 und 145 halten. Die Ladesäulen für Elektrofahrzeuge befinden sich im Erdgeschoss der direkt benachbarten P&R-Anlage.

In der Praxis setzt der Bremsvorgang der Stadtbahn Energie frei, die in Strom umgewandelt wird (Rekuperation). Das Volumen ist beachtlich: Etwa 30 Prozent des für die Stadtbahn eingesetzten Stroms wird bei den Bremsvorgängen wiedergewonnen. Dieser Strom wird in der Ladestation in sechs Batterie-Stacks (insgesamt 225 Kilowattstunden) gespeichert und für die Ladung von E-Bussen und Elektrofahrzeugen abgegeben. Durch die Zwischenspeicherung in Batterien werden u. a. Spannungsschwankungen vermieden. Diese würden entstehen, wenn Straßenfahrzeuge im Schnellladeverfahren geladen werden und zugleich eine Stadtbahn anfährt. Da die KVB für den Stadtbahnbetrieb Ökostrom der RheinEnergie einsetzt, ist auch der durch die Rekuperation wiedergewonnene Strom Ökostrom.

Innen zeigt sich innovative Hochtechnologie: links der Mittelspannungsraum, rechts der Batterieraum

Die Projektpartner bringen ihre spezifischen Erfahrungen in das Projekt MuLI ein. So verfügt die KVB seit 2016 über Erfahrungen mit elektrisch angetriebenen Bussen auf der Linie 133 und wird ihren gesamten Busbetrieb bis 2030 auf alternative Antriebe umstellen. Zudem verfügt die KVB mit ihrem Stadtbahnnetz über eine umfangreiche Infrastruktur der Bahnstromversorgung. Für das Projekt MuLI wurden drei Batterie-Gelenkbusse beschafft, die vor allem auf der Bus-Linie 126 (Bocklemünd – Chorweiler) eingesetzt werden, aber auch auf den weiteren E-Bus-Linien fahren können.

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Stefanie Haaks, Vorstandsvorsitzende der KVB

Stefanie Haaks, Vorstandsvorsitzende der KVB: „Wir sind als KVB Vorreiter beim Thema Klima- und Umweltschutz in Köln. Unser Fachwissen bringen wir daher sehr gern in die Entwicklung innovativer Ladeinfrastrukturen ein, um durch Rückgewinnung und clevere Speichermöglichkeiten verwendeten Ökostrom für weitere Verkehrsmittel sozusagen nochmals einzusetzen. Solche charmanten Lösungen könnten mit den Erfahrungen aus dem Projekt MuLI auch weitere Anwendungsfälle finden.“

Bereits auf der Linie 133 ist die RheinEnergie Partner der KVB. Hier hat das Unternehmen die Ladeinfrastruktur aufgebaut und betreibt diese, genauso wie das derzeit an verschie-denen weiteren Endhaltestellen im Stadtgebiet erfolgt. Hierzu gehören im Projekt MuLI insbesondere der Batterieraum und der Mittelspannungsschaltraum, in denen die Energie-speicherung, Energieumwandlung und das gesamte technische Management stattfinden.

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Dr. Dieter Steinkamp, Vorstandsvorsitzender der RheinEnergie

Dr. Dieter Steinkamp, Vorstandvorsitzender der RheinEnergie: „Die Elektromobilität spielt eine bedeutende Rolle beim Klimaschutz. Mit flexiblen Speicherlösungen wie MuLI können wir den Ausbau der benötigten Ladeinfrastruktur in Köln noch schneller vorantreiben, indem wir auf das bereits vorhandene Stromnetz der KVB zurückgreifen. Die Technik unterstützt uns auch dabei, Spannungsschwankungen in den Stromnetzen auszuglei-chen, wie sie z. B. durch die Erzeugung volatiler Erneuerbarer Energie entsteht.“

Im Unterschied zur bisherigen Ladeinfrastruktur für den Busbetrieb der KVB werden im Projekt MuLI Autobatterien im „Second Life“ als Speicher eingesetzt. Die Ford-Werke haben hierfür einen Speicher aus jeweils sechs Einheiten mit 48 Batterie-modulen (à 20 Einzelzellen) zusammengeführt. Die Speicher besitzen jeweils ein Gewicht von 700 Kilogramm, sind 2,20 Meter hoch, 1,20 Meter breit, 0,60 Meter tief und haben eine installierte Gesamtspeicherkapazität von rund 300 Kilowatt-Stunden (kWh). Sie sind eingebettet in ein Energiemanagementsystem.

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Gunnar Herrmann, Vorsitzender der Geschäftsführung der Ford-Werke

„Ressourcenschonung und Second Life sind heute in aller Munde. Mit diesem Modellprojekt konnten wir die Zweitverwertung von Hochvoltbatterien untersuchen, ein Thema, das mit zunehmender Elektromobilität immer wichtiger wird,“ betont Gunnar Herrmann, Vorsitzender der Geschäftsführung der Ford-Werke GmbH. „Mit unseren Batterien konnte ein lokaler Energiespeicher konzipiert werden, der die rekuperierte Energie der einfahrenden und dabei bremsenden Stadtbahnen speichert und gleichzeitig zum Laden von Fahrzeugen an den Ladesäulen verwendet wird. Dies ist ein gangbarer Weg zur Zweitverwertung von Batterien von Elektrofahrzeugen.“

Die eingesetzten Batterien besitzen noch eine Leistungsfähigkeit von rund 90 Prozent. Für den mobilen Einsatz, also im Pkw, würde das nicht mehr unbedingt ausreichen. Im Verbund eines Energiespeichers, aus dem sie unproblematisch ausgekoppelt werden können, besitzen die Batterien aber noch einen großen Wert.

Würden die Batterien jetzt recycelt, dann könnten die in ihnen befindlichen Materialien nur zu etwa 45 Prozent wiederverwendet werden. Dies ist zu wenig. Ford arbeitet daran, den Anteil deutlich nach oben zu bringen. Herrmanns gibt einen Anteil von 90 Prozent als Ziel an.

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Die genutzten Autobatterien im „Second Life“ eignen sich im Verbund als Energiespeicher und müssen erst einige Jahre später recycelt werden

KVB, RheinEnergie und Ford haben bereits seit 2012 im Projekt colognE-mobil und seit 2018 in einem Projekt zum Geofencing von E-Transportern zusammengearbeitet.

Unterstützt werden die Projektpartner im Projekt MuLI durch das Ingenieurbüro Fehringer (Dortmund), das seit über 25 Jahren auf den Themenfeldern der Elektrotechnik aktiv ist. Die Experten nutzen ein Batterielabor und arbeiten mit Batterien in allen notwendigen Teilthemen.

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Das Netz der Stromversorgung der Stadtbahn ist im Stadtgebiet „ausgerollt“, die Rückgewinnung von Strom seit Jahrzehnten Realität. Danach beginnt die Innovation und werden spannende Ergebnisse erwartet

Ziel ist die Demonstration eines innovativen Ladesystems

Ziel des Projektes MuLI ist die Demonstration eines Ladesystems mit integrierten Lademodulen für verschiedene Fahrzeugklassen. Dabei ist dessen System im Kern für die Nachladung von Batteriebussen ausgelegt. Gleichzeitig ist das multimodal aus-gelegte Ladesystem an verschiedene Spannungsebenen des Wechsel- und Gleichstroms (10 kV AC, Bahn-DC) angeschlossen. Mit dem Projekt soll die technische Vereinbarkeit demonstriert werden.

Ergänzend wurde die skalierbare Speicherlösung realisiert. Grundlage für die Energie-speicher bilden Fahrzeughochvoltbatterien, deren Speicherkapazität für mobile Anwendungen nicht mehr ausreicht, die jedoch in stationären Anwendungen einer weiteren Nutzung im „Second Life“ zugeführt werden können. Diese Batterien werden zur Netz-stabilisierung, Minimierung des Leistungsbezugs und optional als Regelleistungsreserve für lokale Stromnetze genutzt. Hierdurch können die Kosten sowohl für die mobilen Anwendungen (z. B. E-Pkw) als auch die stationären Speicher reduziert werden. Mit dem Projekt MuLI wird der geeignete Einsatz solcher Batterien im Systemverbund erprobt.

Bundesverkehrsministerium fördert Projekt MuLI mit 1,87 Millionen Euro

Das Projektbudget umfasst insgesamt rund sechs Millionen Euro. Hierin befindet sich eine Förderung des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur nach der Förderrichtlinie „Elektromobilität vor Ort“ in Höhe von 1,87 Millionen Euro.

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Aus der Fördersumme erhalten die Kölner Verkehrs-Betriebe rund 700.000 Euro für die Projektleitung und den Erwerb von drei E-Bussen. Die RheinEnergie wird mit rund 980.000 Euro für den Aufbau und Anschluss der Ladeinfrastruktur gefördert. Und die Ford-Werke erhalten rund 195.000 Euro für den Aufbau der Energiespeicher.
In die fördertechnische Abwicklung sind die NOW GmbH – Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie und der PtJ Projektträger Jülich im Forschungszentrum Jülich eingebunden. NOW-Geschäftsführer Kurt-Christoph von Knobelsdorff würdigt das Kölner Projekt MuLI: „Elektrifizierung ist der Schlüssel für das Erreichen der Klimaschutzziele im Verkehrssektor und damit auch für Busse im ÖPNV. Mindestens so wichtig wie die Fahrzeuge ist die nötige Ladeinfrastruktur. Das Projekt MuLI verbindet mehrere Kernthemen des Ladeinfrastrukturaufbaus gleichzeitig auf innovative Art: Nutzung bereits vorhandener Infrastrukturen, intelligente Netze und Speicherlösungen. Es trägt so dazu bei, bei der Dekarbonisierung schnell die dringend benötigten Fortschritte zu machen. Die NOW ist stolz darauf, dass sie dieses Projekt für die Bundesregierung unterstützen konnte.“

Gesamtpotenzial ist größer als Verkehrsanteil des ÖPNV

In Köln weist der gesamte Busverkehr – der des ÖPNV, der Fern- und Charterverkehre – einen Anteil von lediglich drei bis sechs Prozent am gesamten Verkehr auf dem Stadtgebiet auf (ohne bzw. mit Hinzurechnung des Autobahnverkehrs).

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Ladeinfrastruktur nach der MuLI-Blaupause kann ein Baustein zur Elektrifizierung der Pkw-Flotte unter Einsatz von Ökostrom sein.

Das Gesamtpotenzial in Köln ist groß: Aktuell sind insgesamt etwa 570.000 Kraftfahrzeuge zugelassen, hierunter allein 500.000 Pkw. Der Anteil e-mobiler Pkw ist mit unter 6.000 Hybriden und etwa 2.500 reinen E-Pkw noch gering, wird aber kontinuierlich wachsen. Ähnlich sieht es bei den CarSharing-Autos in Köln aus. Von den ca. 1.250 Fahrzeugen sind bisher nur rund fünf Prozent E-Fahrzeuge. Aber auch hier muss mit deutlichen Steigerungsraten gerechnet werden. In einer Untersuchung für die IHK Köln wurde ermittelt, dass in Köln ca. 150.000 KEP-Sendungen täglich durch rund 1.000 Lkw, meist Fahrzeuge bis 3,5 Tonnen, verteilt werden, die dabei ca. 80.000 Stopps einlegen. Der ÖPNV und der lokale Energieversorger können als Keimzelle zur Ausbreitung und Etablierung der E-Mobilität dienen, wenn sie technische Lösungen für den Aufbau der Ladeinfrastruktur bieten.

E-Mobilitäts-Hub wird Erkenntnisse der Innovation bringen

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An E-Mobilitäts-Hubs wird auch die Möglichkeit bestehen, die Fahrzeuge anderer Dienstleister und des Handwerks zu laden.

Innovativ ist das Projekt MuLI vor allem durch seinen multimodalen Charakter, der die Ladetechnik für verschiedene Fahrzeugklassen – mit Mittelspannung des Wechselstroms und Gleichstrom der Stadtbahn – an einer Station bündelt.
Innovativ ist das Projekt zudem, weil Autobatterien im „Second Life“ als Zwischenspeicher eingesetzt werden.

Mit MuLI gewinnen die Projektpartner Erkenntnisse über den Aufbau und die Konfiguration einer solchen Ladeinfrastruktur. Später können die Erfahrungen in die weitere Entwicklung von Infrastrukturen eingebracht werden.

An der genannten Endhaltestelle entstand ein E-Mobilitäts-Hub, an dem neben den auf der Linie 126 eingesetzten E-Bussen auch andere Fahrzeugklassen, wie z. B. Trans-porter der KEP-Dienste sowie CarSharing-Autos geladen werden können. Deren Betreiber können somit auch Erfahrungen aufbauen und in ihre E-Mobilitätsstrategien einbeziehen.
In der Folge des Projektes MuLI lassen sich ggf. weitere E-Mobilitäts-Hubs aufbauen und zu einem Baustein der Ladeinfrastruktur-Landschaft in Köln werden. Eine Kombina-tion mit Mobilstationen, in denen Sharing-Angebote gebündelt werden, ist denkbar. Somit ist mit MuLI gleichermaßen die Vision verbunden, E-Mobilität in die Fläche auszurollen und die notwendige Verkehrswende voranzubringen.

MuLI erfüllt Anforderungen der Nachhaltigkeit

Mit dem Projekt MuLI werden die Anforderungen der Nachhaltigkeit in verschiedenen Dimensionen erfüllt. Durch den Aufbau von Ladeinfrastruktur in der Fläche wird die Umstellung des Straßenverkehrs auf elektrische Antriebe möglich. Dies dient dem Klima- und Umweltschutz, solange wie im Projekt Ökostrom eingesetzt wird. Insbesondere die Umstellung der umfangreichen Pkw-Flotte ist notwendig, um den Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) und Stickoxiden (NOx) zu senken. Auch die Umstellung des Busbetriebs der KVB auf alternative Antriebe dient den Zielen des Klima- und Umweltschutzes der Stadt Köln. Mit Ladeinfrastruktur nach dem Muster von MuLI wird der Aufbau eines Teils der benötigten Ladeinfrastruktur möglich sein.

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Der Schienenverkehr der KVB ist seit 1901 „elektrisch“, seit 2015 setzt die KVB ausnahmslos Ökostrom ein. 2016 wurde die erste Bus-Linie umgestellt, bis 2030 werden es alle Linien sein. Und nun hilft die KVB auch dem weiteren Straßenverkehr den Klima- und Umweltschutz voranzubringen

Auch die Nutzung von Pkw-Batterien in der Zweitverwertung ist ökologisch sinnvoll. Somit werden die in den Batterien enthaltenen Rohstoffe nicht bereits nach dem mobilen Einsatz im Auto recycelt werden müssen. Durch das „Second Life“ wird den Investitionskosten der Batterien eine längere Nutzungsdauer gegenüber gestellt. Im Prinzip werden sich die Anschaffungskosten für Pkw-Halter reduzieren oder aber Möglichkeiten der Weiterveräußerung ergeben. Dies entspricht wirtschaftlicher Nach-haltigkeit. Darüber hinaus gewinnt man Zeit, um Recyclingprozesse zu verbessern und den ökologischen Fußabdruck so weiter zu minimieren.

Der Aufbau der Ladeinfrastruktur in der Fläche erfordert die Erweiterung des allgemeinen kommunalen Stromnetzes, das auf die bisherigen Haushaltsbedarfe ausgelegt ist. Dies wird eine erhebliche finanzielle und operative Kraftanstrengung bedeuten. Deshalb ist die Nutzung der vorhandenen energietechnischen Anlagen der Stadtbahn, an die nach der Blaupause von MuLI Ladeinfrastruktur in Mobilitäts-Hubs angeknüpft werden kann, wirtschaftlich nachhaltig. Es erhöht den Wert der Stadtbahninfrastruktur und vermeidet einen Teil der weiteren Aufbaukosten.

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Allein die Ladeinfrastruktur am Straßenrand wird – schon aus Platzgründen – nicht ausreichen. Im Geschoßwohnungsbau z. B. befinden sich sechs bis über zehn Wohnungen, vor den Häusern haben nur wenige Pkw Platz.

Öffentlich zugängliche Ladeinfrastruktur, wie die in der P&R-Anlage Bocklemünd, ermöglicht für Verkehrsteilnehmer die Nachladung von Pkw, auch wenn sie im Umfeld ihrer Wohnung keine Möglichkeit hierzu haben. Insbesondere im Geschoßwohnungsbau, in dem Mieter nicht einfach sogenannte Wallboxen installieren können, wird hierdurch die Umstellung der Verkehrsmittel ohne erhebliche Mehrkosten möglich. Hierdurch ist ein Aspekt sozialer Nachhaltigkeit tangiert.

Weitere Informationen finden Sie unter: www.kvb.koeln/muli
Fotos: Stephan Anemüller, Christoph Seelbach

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8 Kommentare

  • Rüdiger Krause

    Wird dort nur die Bremsenergie der Stadtbahnen im Bereich Bocklemünd gespeichert?

    • Hallo Rüdiger,
      die Ladeinfrastruktur besteht aus einer Ladestation, einem Lademast für E-Busse und zwei Ladesäulen mit jeweils zwei Ladepunkten für Elektrofahrzeuge. Die Ladestation wiederum unterteilt sich in einen Batterieraum und einen Mittelspannungsschaltraum. Der Lademast befindet sich im Bereich der KVB-Haltestelle „Bocklemünd“, an der die Stadtbahn-Linien 3 und 4 sowie die Bus-Linien 126, 143 und 145 halten. Die Ladesäulen für Elektrofahrzeuge befinden sich im Erdgeschoss der direkt benachbarten P&R-Anlage. VG, Kristina

      • Rüdiger Krause

        Hallo Kristina,
        danke für die Antwort, aber das war ja nicht die Frage. Es soll ja die Bremsenergie der Bahnen gespeichert werden. Meine Frage war daher, ob nur der Stadtbahnen, die sich im Speiseabschnitt Bocklemünd befinden, wovon ich erst einmal ausgehe. Alles andere wäre wohl etwas zu aufwendig.

        • Hallo Rüdiger Krause,
          es wird nur die Bremsenergie der Züge in diesem Bereich gespeichert und so die „Überspannung‘ genutzt. Schwankungen können so besser ausgeglichen und gleichzeitig Strom „produziert“ werden.
          Gruß
          Markus

  • Tim

    Sind die Ladepunkte für die BEV gratis oder gehören die zu Tank-E von Rheinenergie? Sind es Schnelllader (DC) oder AC-Punkte?

    • Hallo Tim, die gehören zu Tank-E und sind Schnelllader. VG, Kristina

      • Pierre Ofzareck

        Das geht bei einem P&R Parkplatz eigentlich voll am Bedarf vorbei, denn dort stehen meist Pendlerfahrzeuge. Lieber das ganze Parkhaus mit 3-11 KW (Je nach Auslastung) Ladern ausrüsten, die den Pendlern dann in einer Arbeitsschicht von ca. 8 Stunden, das Auto voll laden. Schnellader werden an den Autobahnen gebraucht, Wo die Leute wirklich Strecke machen mit den Elektroautos. Aber DC-Laden stresst nur unnötig die Akkus, wenn man sie nicht braucht. Wenn ich mein E-Auto für P+R dort abstelle, bin ich anschließend eine Weile mit der KVB unterwegs in die Stadt. Da brauche ich Schnarchlader und keine Hypercharger. Die vier Ladesäulen kann man jetzt gerne stehen lassen. Doch es wäre sogar noch sinnvoller für die E-Mobilität gewesen, nur je eine Schukosteckdose an jedem Parkplatz anzubieten. Doch Wallboxen wären natürlich Stand der Technik. Warum baut man da so am Bedarf vorbei? Die Schnellader braucht es an der Autobahnauffahrt Bocklemünd. Nicht dort, wo man das Auto ohnehin für Stunden stehen lässt. Denn es ist ziemlich sinnlos, ein Elektroauto, dass ohnehin den ganzen Tag dort steht, innerhalb von 30 Minuten vollzuballern, wenn das Auto dann ohnehin niemand mehr abklemmt. Kommt dann noch eine „Blockiergebühr“ hinzu, die bei Schnellladern meist nach vier Stunden erhoben wird, sind diese Lader ausgerechnet für die Pendler, die das Auto vor der Stadt stehen lassen, um dann mit der KVB in die Stadt zu fahren, vollkommen nutzlos, denn Dank der Blockiergebühr, wird der Strom aus den Säulen dann so unverschämt teuer, dass man sich besser wieder einen Diesel ins Parkhaus stellt und das kann es ja wohl nicht sein.

  • Pierre Ofzareck

    Lese ich das richtig? Da werden original Bleibatterien (Pb-H2SO4) eingesetzt? Wie lange soll denn das mit den Gebrauchtakkus halten? Diese Akkus haben im PKW in etwa eine Lebensdauer von 4-6 Jahren. Wenn man den Batterieraum im Winter beheizt, dürfte die Haltbarkeit etwas höher liegen. Dennoch gibt es für diesen Batteriespeicher, als Hausspeicher eigentlich genügend Erfahrung damit. Spätestens nach 8 Jahren sind da selbst neue Akkus platt. Und jetzt werden da gebrauchte Akkus eingebaut? Ich möchte nicht wissen, was dafür am Ende die Batteriewartung kosten wird.

    Wenn Batteriespeicher, dann sollten da mindestens LFP Akkus verbaut werden. Einfach, weil sie deutlich länger halten und obendrein eine viel größere Energiedichte aufweisen. Problem ist nur, die bekommt man natürlich nicht so günstig, wie die Altakkus, für die Ford jetzt erst einmal die Entsorgungskosten spart, Doch ist schon klar, ein 12 V Akku, der wegen einer kaputten Batteriezelle im Auto nicht mehr eingesetzt werden kann, leistet in einem Akkuverbundsystem des Hausspeichers, immer noch wertvolle Dienste und für den Hausspeicher gibt es ja auch entsprechend Platz genug. Doch es hat schon seinen Grund, Warum Blei-Schwefelsäure Akkus heute für Photovoltaikanlagen kaum noch eine Rolle spielen. Sie sind vergleichsweise wartungsintensiv und haben eine deutlich schlechtere Energiedichte. Dafür sind sie hochstromfähig, können also mit Leistungsspitzen deutlich besser umgehen, als die meisten Lithium-Akkus. Auch denke ich mal, dass es in Zukunft auch genügend Altakkus von E-Autos geben wird, dann lässt sich das sicherlich noch umrüsten. Doch das wird noch dauern, denn die Akkuhaltbarkeit ist heute zumeist länger als das Autoleben eines Elektroautos. Leider gibt es noch nicht genügend E-Autos auf unseren Straßen und es werden zumeist tagtäglich nur Verbrenner, auf den Straßen, zu einem Klumpen Schrott onduliert. Das dürfte sich bis 2025 gravierend geändert haben, denn ich denke mal, dass nach Ablauf dieses Jahres, hier in Deutschland, kaum noch jemand Verbrenner kaufen wird. Wozu auch? Hat doch inzwischen nur noch Nachteile.

    Edit: Nachdem ich mir nun auch die Webseite zu dem Projekt vollständig durchgelesen habe, handelt es sich bei Zellen für den Stromspeicher tatsächlich um Hochvoltakkus von E-Autos. Wenn die alle Second life sein sollen, frage ich mich gerade nur, wo Ford die eigentlich her nimmt, denn außer dem Mustang Mach E ist mir im Moment kein Elektroauto von Ford bekannt. Gut, der F150, aber die spielt wohl eher nur in den USA eine Rolle. Es kann sich natürlich auch um Akkus ausrangierter Prototypen und Testfahrzeuge handeln.

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