Mit Eco-Coins zu mehr Effizienz

Aktueller hätte die Frage kaum sein können. Wie lässt sich beim Einsatz von E-Bussen Energie sparen? In einem mehrjährigen Projekt haben Ingenieure der RhönEnergie und der Hochschule Fulda einen Lösungsansatz entwickelt. Das Team setzte dabei nicht nur auf technische Messwerte, sondern auch auf den Faktor Mensch. So entstand ein virtueller Partner, der effizientes Fahren belohnt.

Als 2018 die RhönEnergie den ersten E-Bus Hessens in Betrieb nahm und damit einen großen Schritt in Richtung Elektrifizierung des ÖPNV ging, stand für Professor Dr. Ulf Schwalbe schnell fest: „Wir unterstützen unseren Praxispartner, den Bus ideal einzusetzen und die E-Mobilität in der Region voranzubringen.“ Schwalbe, der im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Hochschule Fulda die Forschungsgruppe Elektromobilität und erneuerbare Energien leitet, startete gemeinsam mit seinem Team und der RhönEnergie das Projekt OptiMobil. Das Ziel: eine verlässliche Datenbasis zum Einsatz von E-Bussen zu schaffen und daraus Erkenntnisse abzuleiten, wie sich die elektrisch getriebenen Fahrzeuge effizient einsetzen lassen.

Stellschrauben identifizieren

Was die Wissenschaftler besonders interessierte, war die Frage, wo Potenziale für Energieeinsparungen liegen und an welchen Stellschrauben sich drehen lässt, um die Vorteile des elektrischen Antriebs bestmöglich zu nutzen und die maximale Energieeffizienz und Reichweite aus dem E-Bus herauszuholen. „Herauszufinden, von welchen Faktoren die Effizienz abhängig ist und auf welche dieser Faktoren wir überhaupt Einfluss nehmen können, war die zentrale Herausforderung für uns“, erläutert Mathias Herget, der Teil des Forschungsteams um Professor Schwalbe ist. Und da nicht alle benötigten Messwerte bereits fahrzeugintern erfasst wurden, statteten die Ingenieure das Fahrzeug zusätzlich mit speziellen Sensoren aus. 

Vor allem auf der Linie 6 sollte der E-Bus zunächst Messwerte sammeln. Eine sogenannte Energieflussanalyse sollte Aufschluss über den Energieaustauch der elektrischen Teilkomponenten – Antriebsstrang, Nebenverbraucher und Klimatisierung – geben, um einordnen zu können, wie stark sich die einzelnen Teilbereiche auf den Energieverbrauch auswirken. Zusätzlich sollten die Position des E-Busses erhoben und die Energieflüsse mit den gefahrenen Buslinien abgleichen werden. Auch wollten die Wissenschaftler analysieren, wie sich die Streckentopologie auf den Energieverbrauch auswirkt. Integrierte Zählsensoren sollten außerdem Daten zur Passagierauslastung liefern. Und um den Einfluss des Fahrverhaltens auf die Gesamteffizienz messbar zu machen, wollte das Team Beschleunigungswerte und fahrdynamische Messgrößen auswerten. Das Projekt war auf einem guten Weg.

Dann kam Corona. Der E-Bus blieb im Depot, die Fahrgäste studierten und arbeiten im Homeoffice. Einen Moment sah es so aus, als würde die Pandemie einen Strich durch die Rechnung machen. Zwar hatten die Ingenieure erste Messungen durchführen können, doch reichten die gesammelten Messwerte bei weitem noch nicht aus.

„Es braucht eine große Menge an Daten, um verlässlich sagen zu können, unter welchen Bedingungen ein E-Bus so effizient wie möglich unterwegs ist“, erläutert Herget. „Wie viel Energie der Bus verbraucht, hängt nicht nur von den technischen Komponenten, sondern auch von der Route, den Witterungsbedingungen, den Verkehrsverhältnissen und Passagierzahlen ab – von vielen Variablen also.“ Dass der Bus im Laufe des Projekts auch die ein oder andere Überlandstrecke mit anderen Strecken-, Höhen und Geschwindigkeitsprofilen fahren konnte, war für die Wissenschaftler daher aufschlussreich.

Digitaler Zwilling statt Fahrbetrieb

Doch zunächst veränderte die Pandemie die Rahmenbedingungen für das Projekt. „Wir mussten neu denken“, erinnert sich Professor Schwalbe. Der Einschnitt führte schließlich zu einem neuen Ansatz: „Wir haben angefangen, einen digitalen Zwilling zu entwickeln und versucht, den E-Bus anhand der Verknüpfung mit den gesammelten Messdaten realitätsnah digital abzubilden.“

Mittlerweile steht fest: Die erzwungene Neuausrichtung des Projekts war ein Glücksfall. „Den digitalen Zwilling hätten wir ohne Pandemie nicht entwickelt“, ist sich Schwalbe sicher. „Er hat sich für unsere Forschung als sehr nützliches Werkzeug erwiesen. Mit ihm konnten wir auch Grenzbereiche ausloten. Im Fahrbetrieb hätten wir das nie riskiert.“

Der digitale Zwilling ermöglichte es, noch mehr Szenarien in kurzem Zeitraum zu testen:  beliebige Geschwindigkeiten, unterschiedliche Auslastungen und Routen, die der Bus im realen Betrieb nicht hätte fahren können, weil er in den Fahrplan integriert war, auch Routen, von denen vorher schon klar war, dass der E-Bus sie nicht schaffen wird. Ebenso ließ sich die maximale Reichweite ausloten, ohne zu riskieren, dass der Bus samt Fahrgästen liegenbleibt.

So fand das Forschungsteam heraus, dass neben der Streckentypologie eine vorausschauende Fahrweise eine wichtige Stellschraube ist, mit der sich die Energieeffizienz von E-Bussen optimieren lässt. „Bis zu zehn Prozent Energie für den Antriebsstrang lassen sich durch vorausschauendes Fahren einsparen. Das verringert den Gesamtverbrauch um bis zu sieben Prozent“, erklärt Herget. Auf ebener Strecke bedeute das eine bis zu 16 Kilometer höhere Reichweite. Auch die Fahrgäste könnten profitieren, denn eine vorausschauende Fahrweise reduziert starke Beschleunigungs- und Bremsvorgänge und sorgt für einen höheren Fahrkomfort.

Motivation durch Live-Rückmeldung

Doch um vorausschauendes Fahren in der Praxis zu etablieren, müssen die Busfahrer*innen mit ins Boot geholt werden. Hier kommt der „Virtuelle Partner“ ins Spiel, ein leistungsstarker Einplatinencomputer, der angelehnt an Effizienzassistenzsysteme aus dem PKW-Bereich während der Fahrt den Fahrstil analysiert und dem Fahrer oder der Fahrerin live über einen kleinen Monitor visuell zurückmeldet, wie effizient er oder sie unterwegs ist. Um nicht vom Fahrbetrieb abzulenken, ist der Monitor unter ergonomischen Gesichtspunkten in das Sichtfeld des Fahrenden integriert, übersichtlich ablesbar und im gewohnten Stil einer Tacho-Rundanzeige gestaltet, wie etwa zur Geschwindigkeitsmessung.

Herget erklärt, wie er funktioniert: „Zur Bewertung der aktuellen Fahrweise erfassen wir live die fahrzeuginternen Messwerte und setzen diese in Verbindung mit historischen Werten. Je nach Fahreffizienz bewegt sich die Effizienznadel vom grünen Bereich, der eine überdurchschnittlich effiziente Fahrweise signalisiert, über den gelben Bereich, eine durchschnittlich effiziente Fahrweise, hin zu dem roten Bereich, eine unterdurchschnittlich effiziente Fahrweise.“ Doch damit nicht genug.

Das Team beschäftigte sich auch mit der Frage, wie sich die Fahrer*innen motivieren lassen, den digitalen Partner tatsächlich zu nutzen. „Wir haben überlegt, wie wir eine effiziente Fahrweise belohnen können und uns bei Kolleg*innen aus anderen Fachbereichen Anregungen geholt, wie sich Menschen bewegen lassen, ihr Verhalten und Handeln zu verändern“, erzählt Schwalbe. 

So entstand die Idee der EcoCoins. Das sind virtuelle Effizienzmünzen, die die fahrende Person sammelt, wenn er oder sie mit einer grünen, also effizienten Fahrweise unterwegs ist. Je länger die Nadel im effizienten Bereich bleibt, umso mehr Eco-Coins gibt es. Um den Anreiz zum Sammeln zu erhöhen, wird zusätzlich die bislang höchste Anzahl gesammelter Coins auf der Buslinie angezeigt. Die EcoCoins könnten auch für eine Einsparung der Energie innerhalb einer ganzen Busflotte eingesetzt werden, wenn sich mehrere Busfahrer Busfahrer auf verschiedenen Linien   einem spielerischen Energiesparwettbewerb  stellen und um die Höchstzahl an EcoCoins auf der jeweiligen Linie wetteifern würden.

„Ein guter Lösungsansatz“, findet Schwalbe, weil er hilft, die Projektergebnisse in die Praxis zu bringen. Die Entscheidung über den weiteren Praxiseinsatz steht noch aus. Aber fest steht schon jetzt: Beim Fahrpersonal war schnell der Ehrgeiz geweckt, den Punktehöchststand zu knacken.

Kurze Wege, wertvolles Feedback
Das Projekt OptiMobil war ein Transferprojekt des Regionalen Innovationszentrums Gesundheit und Lebensqualität (RIGL-) Fulda. Damit solche Projekte erfolgreich sind, braucht es eine enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Praxis. Für OptiMobil waren die Bedingungen besonders gut. Die Projektarbeit fand sowohl an der Hochschule Fulda als auch im benachbarten Busdepot der RhönEnergie statt. Die Wege waren kurz. Anpassungen und Erweiterungen, etwa im Bereich der Messwerterfassung und der Montage und Inbetriebnahme des virtuellen Partners, ließen sich flexibel ohne großen zeitlichen Planungsaufwand umsetzen.

„Bei Arbeiten am E-Bus haben uns die Mitarbeiter der RhönEnergie tatkräftig unterstützt, um beispielsweise eine sichere Installation von Sensorik im Hochvoltbereich umzusetzen und Testfahrten zur Systemerprobung durchzuführen“, erläutert Projektmitarbeiter Herget. Auch bei der Beschaffung der benötigten Sensorik und Hardware habe das Forschungsteam auf die gute Zusammenarbeit mit der RhönEnergie Fulda bauen können. Und nicht zu vergessen das konstruktive Feedback durch den Projektpartner. „Dieses Feedback hat es uns ermöglicht, den virtuellen Partner kontinuierlich weiterzuentwickeln“.