Um Straßenbahnen und Busse im Winter warm zu halten, wird eine erhebliche Menge an Strom benötigt. Wie können wir diesen übermäßigen Energieverbrauch reduzieren? Im Rahmen des EnergyNow! 2.0 Impact Accelerator Program wurde TempTrim entwickelt, ein Tool zur Quantifizierung möglicher Energieeinsparungen durch die Anpassung der Temperatureinstellungen von Fahrzeugen. Dieses Projekt wurde bei der Final Night von EnergyNow! 2.0 mit dem Audience Award ausgezeichnet.
Die inländische Energieversorgung in der Schweiz konnte mit der Nachfrage im Winter nicht Schritt halten. Von 2003-2019 wird die durchschnittliches Energiedefizit im Winter lag bei 4,4 TWh (ca. 12,6%), aber diese Zahl ist in den letzten Jahren aufgrund der Stilllegung von Kernkraftwerken und eines allgemeinen Anstiegs der Stromnachfrage stark angestiegen. Im Winter 2022 machten sich die Menschen zunehmend Sorgen über eine drohende Energiekrise, die mit den Versorgungsunterbrechungen nach dem Einmarsch Russlands in die Ukraine und den daraus resultierenden EU-Sanktionen. Obwohl eine größere Energieknappheit erfolgreich vermieden wurde, forderte die Schweizer Regierung die Bevölkerung dennoch auf ihren Energieverbrauch im Winter einschränken durch verschiedene Energiesparmaßnahmen inmitten steigender Preise, reduzierter Kapazitäten und wachsender Besorgnis über den Klimawandel.
Die Öffentlicher Verkehr Zürich, Verkehrsbetriebe Zürich (VBZ), hat eingeräumt, dass ihre Trams und Busse im Winter eine beträchtliche Menge an Energie verbrauchen, um den thermischen Komfort ihrer Fahrgäste zu gewährleisten. Sie schätzen, dass an den kältesten Tagen der Energiebedarf für das Heizen der Trams sogar mit dem Energiebedarf für das Fahren der Trams vergleichbar ist. Bei der Festlegung des Temperatursollwerts für alle Trams sind sich Verkehrsbetriebe wie die VBZ jedoch in der Regel nicht bewusst, welche Einsparungen allein durch die Senkung der Fahrzeugtemperaturen erzielt werden könnten.
TempTrim als Lösung
Als einer der Industriepartner des Energy Science Center's EnergyNow! 2.0 Programm zur Beschleunigung der AuswirkungenDie VBZ schlugen die Entwicklung eines webbasierten Tools vor, das es den Betreibern des öffentlichen Verkehrs ermöglicht, den Energieverbrauch ihrer Flotten zu bewerten und zu optimieren, wobei der Schwerpunkt auf den Heizsystemen liegt. Unser Team - bestehend aus den ETH-Studenten Florian Schubert, Clara Tillous Oliva, Yash Dubey, Oleksandr Halipchak und mir - reagierte auf diesen Aufruf und entwickelte die TempTrim-Anwendung.
TempTrim wurde entwickelt, um die potenziellen Energieeinsparungen zu quantifizieren, die durch die Anpassung der Heizungseinstellungen in Straßenbahnen erzielt werden können. Grundlage hierfür war eine thermodynamisches Modell das den Stromverbrauch des Heizsystems einer Straßenbahnflotte schätzt. Die Validierung erfolgte anhand experimenteller Daten aus dem Cobra-Flottedie von der VBZ für eine erste Analyse gesammelt wurde.
Die Benutzer können ihre Flottenspezifikationen, den Betriebsplan, die Eigenschaften des Heizsystems und die Stromkosten in das TempTrim-Dashboard eingeben. Der geografische Standort wird auch benötigt, um die Umgebungstemperatur auf der Grundlage von Klimadaten aus dem Geografisches Informationssystem für die EU-Photovoltaik. Es berechnet dann die Wärmemenge, die benötigt wird, um die gewünschte Temperatur zu erreichen, den Strom, der zur Erzeugung dieser Wärme erforderlich ist, und die damit verbundenen Stromkosten. Es können mehrere Temperatursollwerte verglichen werden, um den Unterschied im Einsparpotenzial zu ermitteln.
Abbildung 1: TempTrim berechnet die Gesamtenergie und die damit verbundenen Kosten, um die gewünschte Temperatur zu erreichen, und zeigt das Ergebnis wie oben dargestellt an.
Mit Hilfe von TempTrim haben wir herausgefunden, dass eine Senkung der Solltemperatur von 20°C auf 18°C zu einem Rückgang des Stromverbrauchs um 18 MWh für ein einzelnes VBZ-Cobra-Tram führt. Eine Absenkung des Sollwerts auf 18°C für die gesamte Flotte mit 70 Trams im Betrieb kann also den jährlichen Verbrauch um 1,27GWh (22,4%) senken. Mit dieser Menge Strom könnte man fast 500 Haushalte in der Schweiz ein Jahr lang versorgen!
Chancen und mögliche Hindernisse
Mit den von TempTrim bereitgestellten Informationen wären die Betreiber öffentlicher Verkehrsmittel in der Lage, Verlustmechanismen zu identifizieren und zu quantifizieren, die die Effizienz ihrer Heizungssysteme beeinträchtigen. Sie sind dann in der Lage, die notwendigen betrieblichen Änderungen vorzunehmen, um dies zu korrigieren. Am Beispiel des VBZ-Cobra-Trams zeigen die Momentanwerte der Leistung, dass fast die Hälfte der Wärme im Fahrzeug durch die offenen Türen verloren geht. Die Betreiber sollten dann die Türsteuerung optimieren - vielleicht die Türen nur bei Bedarf öffnen oder die Zeit, in der die Türen geöffnet bleiben, verkürzen - um den Luftstrom zu reduzieren und Wärme zu sparen.
TempTrim kann auch von politischen Entscheidungsträgern verwendet werden, um verschiedene Betriebsszenarien zu bewerten und die geeignetsten politischen Maßnahmen zur Energieeinsparung zu bestimmen. Die Umsetzung wird jedoch nicht ohne Probleme vonstatten gehen, da bei Änderungen an öffentlichen Verkehrssystemen in der Regel viele Akteure beteiligt sind, die möglicherweise konkurrierende Interessen haben. So kann es beispielsweise kostspielig sein, bestehende Fahrzeuge mit den erforderlichen Technologien zur Wärmeeinsparung nachzurüsten, und die Nutzer sind möglicherweise nicht bereit, diese Kosten zu tragen. Die Fahrgäste könnten auch unterschiedliche Präferenzen in Bezug auf die Temperatur haben, und einige könnten den thermischen Komfort über Energieeinsparungen stellen.
Letzten November haben wir das TempTrim-Tool auf der 10. Forum Nachhaltige Energie organisiert von Verband öffentlicher Verkehr um Erkenntnisse von Praktikern und Experten auf diesem Gebiet zu sammeln. Angesichts des positiven Feedbacks, das wir erhalten haben, sind wir zuversichtlich, dass unsere Lösung weiterentwickelt und genutzt werden kann, um den öffentlichen Verkehrssektor bei der Senkung seines Stromverbrauchs zu unterstützen und so die Belastung für unsere Energiesysteme zu verringern.
If you are part of ETH Zurich, we invite you to contribute with your findings and your opinions to make this space a dynamic and relevant outlet for energy insights and debates. Find out how you can contribute and contact the editorial team here to pitch an article idea!
