A comparative analysis of alternative powertrains and fuels for public busses from economic, environmental and energetic point of view

Abstract

Global warming and very poor air quality cause many diseases and catastrophes on the planet. As such they are the most important drivers of thorough research and evaluation of the influence of bus transportation on the environment.The core objective of this thesis was to make a comparison and evaluation of energy carriers (gas, hydrogen and electricity) from renewable energy sources (i.e. wind, solar, water) with conventional fuels (oil) used in different kinds of buses. The comparison and evaluation were done based on economic and environmental analysis.The key question arose from the general concerns: Could it make any sense and reason to proceed and execute the alternative bus technology development and research despite the high-purchase bus costs? Does sustainable bus transport truly offer an environmental advantage with respect to air pollution? Does secondary environmental impact (such as noise level) play a role as well?This work provides an economic and an environmental assessment of different alternative bus technologies in comparison to conventional diesel buses. The analyses included a technological overview, economic assessment and environmental evaluation. The analyses were focused on greenhouse gas (GHG) emissions and air pollution. This thesis investigated the most significant advantages and disadvantages of alternative- versus conventional bus technologies. As the transport sector is one of the major generators of GHG emissions and air pollution, the switch to battery-electric buses or fuel-cells-electric buses could lead to the reduction of local air pollution and global GHG emissions.The total cost of ownership analysis indicates that natural gas buses are already competitive with conventional buses. The battery-electric buses will become competitive starting from 2030. Battery-electric and fuel-cell-electric bus are arguably capable of satisfying the current operational requirements in the city public bus sector. However, the major barrier is the initial cost of buses. A battery-electric bus is considered the most appropriate alternative type of bus from economic and environmental points of view. The currently high total cost of ownership of fuel-cells-electric bus is the major challenge to achieving a lower total cost of ownership to more competitive level. Major impact parameters are documented and used for the economic and environmental assessment of alternative bus technologies. Moreover, the scenarios of the development of the future costs of ownership and emission reductions are derived. Further technological research of alternative fuels and sustainable bus technologies are turning points in the future of the public transportation sector, hence they are a part of this research topic. The significant potential of GHG reduction emission in the future is probably to be found in road transportation. Comprehensive decarbonisation of buses is technically possible in the long term through the increased utilization of electricity and hydrogen from renewable sources of energy. This development is needed in order to achieve the EU government’s energy and climate targets up to the year 2050. Battery-electric technology will advance such that the total cost of ownership will decline and the driving range will improve. Implementing an electric bus is completely different from buying a conventional bus. Good cooperation between energy suppliers, regulatory bodies and public bus sector is crucial in terms of environmental goals

Globale Erwärmung und sehr schlechte Luftqualität verursachen viele Krankheiten und Katastrophen auf unserem Planeten. Als solche sind sie die wichtigsten Treiber für eine gründliche Erforschung und Bewertung des Einflusses des Busverkehrs auf die Umwelt. Das Kernziel dieser Arbeit war es, einen Vergleich und eine Bewertung von Energieträgern (Gas, Wasserstoff und Elektrizität) aus erneuerbaren Energiequellen (d.h. Wind, Sonne, Wasser) mit konventionellen Kraftstoffen (Öl), die in verschiedenen Arten von Bussen verwendet werden, durchzuführen. Der Vergleich und die Bewertung erfolgten auf Basis einer ökonomischen und ökologischen Analyse. Die Schlüsselfrage ergab sich aus den allgemeinen Bedenken: Ist es sinnvoll und vernünftig, die Entwicklung und Erforschung alternativer Bustechnologien trotz der hohen Anschaffungskosten für Busse fortzusetzen und durchzuführen? Bietet der nachhaltige Busverkehr tatsächlich einen Umweltvorteil in Bezug auf die Luftverschmutzung? Spielen auch sekundäre Umweltauswirkungen (wie z.B. der Lärmpegel) eine Rolle? Diese Arbeit liefert eine ökonomische und eine ökologische Bewertung verschiedener alternativer Bus-Technologien im Vergleich zu konventionellen Dieselbussen. Die Analysen umfassten einen technologischen Überblick, eine wirtschaftliche Bewertung und eine Umweltbewertung. Der Schwerpunkt der Analysen lag auf den Treibhausgasemissionen (THG) und der Luftverschmutzung. Diese Arbeit untersuchte die wichtigsten Vor- und Nachteile von alternativen gegenüber konventionellen Bustechnologien. Da der Verkehrssektor einer der Hauptverursacher von THG-Emissionen und Luftverschmutzung ist, könnte der Umstieg auf batterieelektrische Busse oder Elektrobusse mit Brennstoffzellen zu einer Reduzierung der lokalen Luftverschmutzung und der globalen THG-Emissionen führen.Die Analyse der Gesamtbetriebskosten zeigt, dass Erdgasbusse bereits jetzt wettbewerbsfähig mit konventionellen Bussen sind. Die batterieelektrischen Busse werden ab 2030 wettbewerbsfähig werden. Batterieelektrische und brennstoffzellenelektrische Busse sind zweifellos in der Lage, die aktuellen Betriebsanforderungen im öffentlichen Stadtbussektor zu erfüllen. Das größte Hindernis sind jedoch die Anschaffungskosten der Busse. Ein batterieelektrischer Bus wird unter wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten als der geeignetste alternative Bustyp angesehen. Die derzeit hohen Gesamtbetriebskosten von Brennstoffzellen-Elektrobussen sind die größte Herausforderung, um die Gesamtbetriebskosten auf ein wettbewerbsfähigeres Niveau zu senken. Die wichtigsten Einflussparameter werden dokumentiert und für die ökonomische und ökologische Bewertung der alternativen Bustechnologien verwendet. Darüber hinaus werden Szenarien der Entwicklung der zukünftigen Betriebskosten und Emissionsreduzierungen abgeleitet. Die weitere technologische Erforschung alternativer Kraftstoffe und nachhaltiger Bustechnologien sind Wendepunkte in der Zukunft des ÖPNV-Sektors, daher sind sie ein Teil dieses Forschungsthemas. Das signifikante Potenzial zur Reduktion von THG-Emissionen in der Zukunft liegt wahrscheinlich im Straßenverkehr. Eine umfassende Dekarbonisierung von Bussen ist durch die verstärkte Nutzung von Strom und Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen langfristig technisch möglich. Diese Entwicklung ist notwendig, um die Energie- und Klimaziele der EU-Regierung bis zum Jahr 2050 zu erreichen. Die batterieelektrische Technologie wird sich so weiterentwickeln, dass die Gesamtbetriebskosten sinken und die Reichweite steigt. Die Einführung eines Elektrobusses ist etwas völlig anderes als die Anschaffung eines konventionellen Busses. Eine gute Zusammenarbeit zwischen Energieversorgern, Regulierungsbehörden und dem öffentlichen Bussektor ist im Hinblick auf die Umweltziele entscheidend.