Neue Studie enthüllt versteckte Herausforderungen bei der Elektrifizierung des öffentlichen Nahverkehrs

Wir Menschen mögen Kälte nicht besonders. Schließlich wird unsere Durchblutung schlechter, der Wärmeverlust steigt und unsere Fingerfertigkeit lässt nach.

Aber was ist mit den Maschinen, insbesondere unsere Elektrofahrzeuge (EVs)? Nun, es stellt sich heraus, dass sie das kalte Wetter auch nicht mögen.

A neue Studie¹ hat herausgefunden, dass der Gesamtenergieverbrauch und die Rückgewinnung von Elektrobussen bei Temperaturen zwischen -48 °C und 4 °C im Vergleich zur optimalen Temperaturzone (OTZ) durchschnittlich um 0 % steigt. Im Bereich zwischen -12 °C und 10 °C beträgt der durchschnittliche Anstieg 28.6 %.

Warum die Elektrifizierung den Transit- und Energiesektor weltweit verändert

Elektrobusse sind Teil des Elektrifizierungstrends, der die globale Energielandschaft rasant prägt. Dies markiert einen Wandel hin zu Elektrofahrzeugen und Energiespeicherlösungen, die fossile Brennstoffe ersetzen. Diese Alternativen sind effizienter, reduzieren den Energiebedarf und dekarbonisieren den Energie- und Transportsektor.

Dieser Übergang nicht nur senkt die Treibhausgasemissionen sondern verbessert auch die Energiesicherheit, fördert nachhaltiges Wirtschaftswachstum und unterstützt die Entwicklung saubererer, widerstandsfähigerer Energiesysteme weltweit.

Als Teil dieses Trends gewinnen Elektrofahrzeuge (EVs) stark an Bedeutung, mit mehr als 4 Millionen verkaufte Elektroautos im ersten Quartal 2025. Das bedeutet, dass in den ersten drei Monaten dieses Jahres über eine Million mehr Elektrofahrzeuge verkauft wurden als im gleichen Zeitraum des Vorjahres.

Leichte Nutzfahrzeuge (LDVs) wie Pkw und Transporter machen den Großteil dieser Elektrofahrzeugverkäufe aus. Laut dem Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) hatten Elektrobusse und elektrische LDVs im Jahr 2024 zwar etwa den gleichen Bestandsanteil, der Verkaufsanteil der ersteren wächst jedoch langsamer. 

Der Anteil wird voraussichtlich weniger als 20% weltweit Bis Ende dieses Jahrzehnts wird dies im Stated Policies Scenario (STEPS) erwartet. Dieses Szenario bietet eine sektorspezifische Bewertung der zur Erreichung der festgelegten energiebezogenen Ziele umgesetzten Maßnahmen. Infolgedessen wird erwartet, dass Elektrobusse bis 10 etwas mehr als 2030 % des weltweiten Busbestands ausmachen werden.

Dennoch wird erwartet, dass der globale Markt für Elektrobusse von 17 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf 37.5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 wächst, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 14.2 % entspricht.

Im Einklang mit diesem Trend erhielt Tompkins Consolidated Area Transit (TCAT), ein öffentliches Verkehrsunternehmen in Ithaca, New York, die Finanzierung für sieben vollelektrische Busse für einen Testlauf. Doch die Erfahrungen verliefen nicht so positiv wie erwartet. Die Busse hatten im hügeligen Gelände der Region Probleme und waren unzuverlässig, und bei kaltem Wetter hatten sie eine eingeschränkte Reichweite. Daher nahm TCAT Kontakt zu Forschern der Cornell University auf, um Erkenntnisse aus ihrem Pilotprogramm zu gewinnen.

Forscher der Cornell University haben sich dieser Aufgabe angenommen und die Leistungsschwäche von Bussen bei kaltem Wetter sowie die Auswirkungen auf Hersteller, Betreiber, politische Entscheidungsträger, Schulen, Städte und andere Gruppen, die die Elektrifizierung ihrer Flotten in Erwägung ziehen, sorgfältig untersucht.

Warum Elektrobusse bei kaltem Wetter Probleme haben: Die wichtigsten Herausforderungen

Obwohl batteriebetriebene Elektrobusse (BEBs) großes Potenzial bei der Reduzierung von Treibhausgasemissionen gezeigt haben und voraussichtlich eine Schlüsselrolle bei der Umstellung des öffentlichen Nahverkehrs auf saubere Energiealternativen spielen werden, stehen sie vor Herausforderungen, die ihre flächendeckende Einführung behindern.

Zu diesen technischen Herausforderungen zählt insbesondere die begrenzte Reichweite der BEBs, insbesondere bei kaltem Wetter.

Wie bei allen anderen Elektrofahrzeugen mit Hochvoltbatterien sinkt auch bei batterieelektrischen Bussen die Energieeffizienz deutlich, wenn die Betriebstemperatur unter dem optimalen Wert liegt. Dies gilt insbesondere bei Minusgraden, was zu höheren Gesamtbetriebskosten und Reichweitenproblemen führt.

Stadtbusse legen jährlich durchschnittlich 42,940 Kilometer zurück, also viermal mehr als ein herkömmliches Auto, und verkehren auf festen Routen und nach festen Fahrplänen. Die schwankende Leistung von Elektrobussen bei kaltem Wetter stellt eine ernsthafte Herausforderung bei der Erfüllung der Transportnachfrage dar.

Neben der Planung von Ladevorgängen und der Fahrzeugdisposition stellten auch die Auswahl der Batteriegröße und die Planung der Ladeinfrastruktur Herausforderungen dar. All diese Faktoren können die Wirtschaftlichkeit von BEBs im Vergleich zu Dieselbussen beeinträchtigen.

Die verringerte Reichweite von BEBs bei kaltem Wetter ist auf mehrere miteinander verbundene Elemente zurückzuführen.

Vor allem die chemischen Eigenschaften der temperaturempfindlichen Batteriezellen führen zu reduzierter Kapazität und geringeren Entladeraten. Um die Batteriezellen auf optimaler Temperatur zu halten, wurden Batterie-Wärmemanagementsysteme (BTMS) entwickelt, die jedoch je nach Betriebsbedingungen energieintensiv sein können.

Hinzu kommt der erhöhte Energiebedarf der Lüftungs-, Heizungs- und Klimaanlage (HLK), der maßgeblich zu einer reduzierten Reichweite beiträgt.

Die Wirksamkeit regenerativer Bremssysteme, die beim Bremsen Energie zurückgewinnen, ist bei Kälte aufgrund verschiedener technischer und umweltbedingter Faktoren beeinträchtigt. Darüber hinaus wirkt sich das Verhalten von Fahrern und Betreibern, das von widrigen Wetterbedingungen und Streckeneigenschaften beeinflusst wird, erheblich auf die Energieeffizienz von BEBs aus. 

Daher ist es unerlässlich, all diese menschlichen und mechanischen Faktoren im Detail zu verstehen, um wirksame Strategien zur Abschwächung der negativen Auswirkungen von kaltem Wetter auf BEBs zu entwickeln. Dies wiederum senkt die Betriebskosten für Flottenbetreiber und ermöglicht es den Herstellern, ihre Fahrzeuge für eine bessere Leistung bei kaltem Wetter zu optimieren.

In mehreren Studien wurde versucht, die Auswirkungen von kaltem Wetter auf die Leistung von BEBs zu quantifizieren, indem ihr Energieverbrauch simuliert und die Auswirkungen der Umgebungslufttemperatur in der realen Welt untersucht wurden. 

Es bestehen jedoch noch erhebliche Lücken im Verständnis der Auswirkungen verschiedener, komplexerer Szenarien, wie beispielsweise Leerlauf- und Fahrsituationen auf Land- und Stadtstrecken, die für gezielte regionale Betriebsstrategien von entscheidender Bedeutung sind. 

Nicht nur wurden die Beiträge von Batterieheizung, regenerativem Bremsen und anderen Schlüsselkomponenten zur Energieeffizienz bei komplexen Routenplanungen nicht ausreichend berücksichtigt, es fehlen auch praxisnahe Studien, die längere Strecken bei Minustemperaturen abdecken. Darüber hinaus sind Informationen zur Durchführbarkeit von BEBs bei kaltem Wetter begrenzt, und es gibt unzureichende Leitlinien für Betriebsstrategien bei kaltem Wetter.

Forscher der Cornell University untersuchten daher die Auswirkungen von kaltem Wetter auf Energieverbrauch und -rückgewinnung. Sie analysierten die BEBs anhand von zwei Jahren realer Daten der sieben batterieelektrischen Busse des TCAT. Mehr als 40 % der Fahrten dieser BEBs fanden bei Temperaturen unter 12 Grad Celsius statt. 

Um die Auswirkungen zu quantifizieren, entwickelte das Team Modelle für optimale Temperaturzonen (OTZ), um den Energieverbrauch im Leerlauf, während der Fahrt und bei der Regeneration für jede Fahrt unter der Annahme idealer Temperaturen vorherzusagen.

Nachdem die Forscher die für den erhöhten Verbrauch verantwortlichen Betriebsfaktoren identifiziert haben, geben sie auch Empfehlungen zur Verbesserung der Funktionsweise der Busse.

Quantifizierung der Auswirkungen von kaltem Wetter auf die Effizienz von Elektrobussen

Wie bereits erwähnt, ergab die Studie der Cornell University, dass Batterien in Elektrobussen bei kaltem Wetter (Temperaturen zwischen -48 °C und -25 °C) bis zu 32 % mehr Energie verbrauchten. In einem breiteren Temperaturbereich (zwischen -27 °C und 10 °C) verbrauchten diese Batterien zudem fast 50 % mehr Energie.

Dieser drastische Anstieg des Energieverbrauchs sei unerwartet gewesen, sagte Max Zhang, der leitende Autor und Professor für Ingenieurwissenschaften an der Irving Porter Church in Cornell Engineering, fügte aber hinzu: „Jede Lektion ist eine gute Lektion. Sie hilft uns, als Gesellschaft zu lernen und uns zu verbessern.“

Die Quantifizierung des erhöhten Energieverbrauchs der Pilotflotte basiert auf zwei Jahren Datenerhebung durch TCAT und ist damit die erste, die die Leistung von Elektrobussen im Nordosten der USA bewertet und analysiert.

Auf diese Weise tauschen TCAT- und Cornell-Forscher ihre Erkenntnisse aus und lernen durch Daten und Zusammenarbeit voneinander. Zhangs Team traf sich im Verlauf der Forschung wiederholt mit TCAT-Vertretern.

Bemerkenswert ist, dass der Datensatz von TCAT eine beträchtliche Distanz von insgesamt 225,837 Kilometern im Tompkins County im Bundesstaat New York abdeckte und unter unterschiedlichen Bedingungen betrieben wurde. Damit stellt er einen umfassenderen Datensatz dar als frühere BEB-Studien.

4.7 % dieser Gesamtstrecke wurden bei durchschnittlichen Umgebungstemperaturen, also unter Null, aufgezeichnet, während etwa 50,000 Meilen oder über 80,000 Kilometer bei kalten Temperaturen, also im Bereich von 0 °C bis 12 °C, zurückgelegt wurden.

Laut Zhang, einem Provost-Stipendiaten für öffentliches Engagement:

Wir profitieren davon, dass TCAT in dieser Region führend ist, und es ist ein echtes Privileg, Zugriff auf diese Daten zu haben und die Leistung in Echtzeit zu verfolgen. Eine unserer Erkenntnisse ist, dass diese Busse für das ganze Land ausgelegt sein sollten, auch für Bundesstaaten mit kälterem Klima. Wir haben außerdem festgestellt, dass sie sich von herkömmlichen Dieselbussen unterscheiden und ein anderes Verhalten aufweisen, das andere Strategien erfordert, um die Vorteile zu nutzen.

Die Forscher modellierten zunächst, wie sich die Fahrzeuge bei Idealtemperaturen verhalten würden, um Faktoren zu berücksichtigen, die nicht allein mit der Temperatur zusammenhängen, wie etwa Schwankungen der Verkehrsbedingungen.

Zu diesem Zweck entwickelten sie ein innovatives OTZ-Basismodell, das die BEB-Leistung bei optimalen Temperaturen simuliert und gleichzeitig die nicht temperaturempfindlichen Bedingungen wie zum Zeitpunkt des tatsächlichen Kaltwetterbetriebs beibehält.

Anschließend verglichen sie die Ergebnisse mit ihrer tatsächlichen Leistung auf über 40 komplexen Routen und Fahrplänen. 

Forscher fanden heraus, dass die Selbsterwärmung der Batterie für die Hälfte des erhöhten Energieverbrauchs bei kaltem Wetter verantwortlich ist. EV-Batterien funktionieren am besten bei etwa 75 °C. Je kälter sie also beim Start sind, desto mehr Energie wird zum Aufwärmen benötigt.

Die Beheizung der Buskabine ist ein weiterer Hauptgrund. Häufige Stopps, insbesondere im Stadtverkehr, erfordern das Öffnen und Schließen der Türen im Minutentakt. Das bedeutet, dass die Batterien mehr Leistung erbringen müssen, um die Kabinen zu heizen.

„Bei einem vollelektrischen Fahrzeug ist die Batterie die einzige Energiequelle an Bord. Alles muss daraus kommen.“

– Zhang, der auch Senior Faculty Fellow am Cornell Atkinson Center for Sustainability ist

Forscher haben außerdem festgestellt, dass regeneratives Bremsen bei niedrigen Temperaturen weniger effizient ist. Energierückgewinnungsmechanismus verlangsamt ein fahrendes Fahrzeug, indem es dessen kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt, die sofort genutzt oder für die spätere Verwendung gespeichert werden kann.

Dieser Mechanismus ist in den meisten Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen zu finden. Anders als bei einem konventionellen Bremssystem, bei dem das Fahrzeug durch die Reibung zwischen Bremsbelägen und Bremsscheiben langsamer wird und dadurch fast die gesamte kinetische Energie, die das Fahrzeug antreibt, verloren geht, gewinnt die regenerative Bremse über 70 % der Energie zurück.

Bei kaltem Wetter verliert dieses System an Effizienz, wahrscheinlich weil die Batterie Schwierigkeiten hat, eine gleichmäßige Temperatur in ihren Zellen aufrechtzuerhalten. Schließlich ist die Batterie von Elektrobussen etwa achtmal so groß wie die eines herkömmlichen Elektrofahrzeugs, um längere Strecken und mehr Passagierkapazitäten zu ermöglichen.

Die Frage ist nun, wie die Leistung von batterieelektrischen Bussen bei kaltem Wetter verbessert werden kann. Die Forscher empfehlen, die Busse bei Nichtgebrauch in Innenräumen zu lagern, um die Leistung der Batterien zu verbessern.. Neben der Aufrechterhaltung einer höheren Umgebungstemperatur während längerer Leerlaufphasen werden den Betreibern weitere kurzfristige Strategien empfohlen, darunter das Laden der Batterie, wenn diese noch warm ist, das Anbringen von Seitenabdeckungen, um die Luftkonvektion in der Kabine zu verringern, und die Begrenzung der Türöffnungsdauer bei Stopps.

Für Hersteller empfehlen die Forscher optimierte Designs für Batterieheizungen und HLK-Systeme. Die Studie kann politischen Entscheidungsträgern zudem dabei helfen, Anreizrichtlinien zu erstellen, die Machbarkeit zu bewerten und die Streckenprioritäten für den elektrifizierten öffentlichen Nahverkehr festzulegen.

In größerem Maßstab erklärte Doktorand Jintao Gu, der Erstautor der Studie, dass diese Forschung die Notwendigkeit einer Bewertung und größerer Anpassungen der Infrastruktur zur Unterstützung von Elektrobussen hervorhebt.

Man muss versuchen, den Fahrplan aller Busse zu optimieren und die Leistungsfähigkeit der Infrastruktur zu berücksichtigen – wie viele Ladestationen vorhanden sind und ob eine eigene Werkstatt vorhanden ist. Fahrer, Disponenten und Servicemitarbeiter müssen geschult werden. Ich denke, aus betrieblicher und infrastruktureller Sicht gibt es hier viele Impulse für die zukünftige Verkehrsplanung.

– Gu

Die ländlichen und städtischen Strecken von Ithaca sowie das hügelige Gelände ermöglichten es den Forschern, weitaus mehr Erkenntnisse über die Leistung von Bussen zu gewinnen.

Dabei stellten sie fest, dass Elektrobusse bei kaltem Wetter auf Überlandstrecken einen geringeren Energieverbrauch aufweisen als Stadtbusse. Laut ihm könnten solche Informationen Flottenplanern helfen, fundierte strategische Entscheidungen bei der Streckenzuweisung für Elektrobusse zu treffen.

In den Elektrifizierungstrend investieren

Die REV Group dürfte am meisten vom wachsenden Trend profitieren, herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor in Elektrofahrzeuge umzuwandeln. Sie ist ein Entwickler und Hersteller von Spezial- und Freizeitfahrzeugen und bedient hauptsächlich den nordamerikanischen Markt mit den folgenden Produkten:

• Feuerwehrausrüstung unter KME, E-ONE, Ferrara und Spartan ER
• Krankenwagen der Marken Leader, Horton, Road Rescue, AEV und Wheeled Coach
• Terminal-LKW der Marken Laymor und Capacity
• Freizeitfahrzeuge von American Coach, Lance Camper, Holiday Rambler, Renegade RV, Fleetwood RV und Midwest Automotive Designs

REV-Gruppe (REVG ) 

Im Jahr 2021 stellte die REV Fire Group ein vollelektrisches Feuerwehrauto namens Vector vor, das mit 316 kWh Automobilbatterien ausgestattet ist. Darüber hinaus kündigte die REV Ambulance Group den ersten vollelektrischen Krankenwagen in den USA mit einer Batteriekapazität von bis zu 105 kWh an. Die Tochtergesellschaft der REV Group, Capacity Trucks, hat unterdessen die Wasserstoff-Brennstoffzelle und ein batterieelektrisches Terminalfahrzeug mit Lithium-Ionen-Batterien (NMC) produziert.

Das Unternehmen war auch im Busbau tätig, entschied sich jedoch im vergangenen Jahr, aus dem Markt auszusteigen. Im 1. Quartal 24 verkaufte es seine Schulbusmarke Collins für 303 Millionen Dollar an Forest River und im 4. Quartal 25 seine Linienbussparte El Dorado National (ENC) für 52 Millionen Dollar an Rivaz. Dies geschah im Rahmen seiner Initiative zur Rationalisierung der Betriebsabläufe und Steigerung der Rentabilität.

Was die Marktperformance der REV Group betrifft, so verzeichnet das Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 1.9 Milliarden US-Dollar einen starken Aufwärtstrend. Zum Zeitpunkt des Schreibens notieren die REVG-Aktien bei 37.49 US-Dollar, ein Plus von 17.63 % in diesem Jahr. Der Aktienkurs notiert nahe seinem Allzeithoch (ATH) von 38.50 US-Dollar, das erst vor wenigen Wochen erreicht wurde.

Es verfügt über einen Gewinn pro Aktie (TTM) von 1.76, ein KGV (TTM) von 21.26 und eine Eigenkapitalrendite (TTM) von 20.13 % bei einer Dividendenrendite von 0.64 %.

Was die Finanzzahlen des Unternehmens betrifft, meldete die REV Group einen Nettoumsatz von 525.1 Millionen US-Dollar, einen Nettogewinn von 18.2 Millionen US-Dollar oder 0.35 US-Dollar pro verwässerter Aktie und ein bereinigtes EBITDA in Rekordhöhe von 36.8 Millionen US-Dollar für das erste Quartal 2025. Auch die Investitionsausgaben gingen deutlich zurück, von 10.5 Millionen US-Dollar im 1. Quartal 24 auf 4.9 Millionen US-Dollar im 1. Quartal 25.

Dieser Rekord, der 2025 beginnt, so CEO Mark Skonieczny, zeige die „Stärke unserer operativen Umsetzung und unseres disziplinierten Ansatzes. Diese Leistung bestärkt unser Vertrauen in die Dynamik, die wir aufbauen, und positioniert uns gut für das kommende Jahr.“

Aufgrund seiner starken Finanzlage nahm das Unternehmen den Aktienrückkauf wieder auf. Skonieczny sagte, dies sei „bei der aktuellen Bewertung unserer Ansicht nach eine attraktive Kapitalverwendung“.

Im ersten Quartal 1 kaufte die REV Group rund 2025 Millionen Stammaktien für 0.6 Millionen US-Dollar zu einem durchschnittlichen Kaufpreis von 19.2 US-Dollar pro Aktie zurück. Zum 33.09. Januar 31 verfügte das Unternehmen über ein Betriebskapital von 2025 Millionen US-Dollar, eine Nettoverschuldung von 290.2 Millionen US-Dollar und einen Kassenbestand von 108.4 Millionen US-Dollar.

Aktuelle Aktiennachrichten und Entwicklungen der REV Group (REVG)

Fazit: Überwindung von Kältebarrieren im öffentlichen Elektronahverkehr

Während weltweit auf Elektrofahrzeuge umgestiegen wird, bieten batteriebetriebene Elektrobusse eine vielversprechende Möglichkeit für einen nachhaltigen öffentlichen Nahverkehr. Ihr Verhalten in kälteren Klimazonen stellt jedoch erhebliche Herausforderungen dar, die ihre breitere Verbreitung behindern.

Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist für die Dekarbonisierung des Verkehrssektors unerlässlich. Dies erfordert ein Verständnis der Komplexität von Energieverbrauch, Betriebsbedingungen und Klimaauswirkungen. Die neueste umfassende Studie der Cornell University liefert die dringend benötigten Einblicke in diese Faktoren und hilft Betreibern, Herstellern und politischen Entscheidungsträgern, die Chancen und Fallstricke der Elektrifizierung mit einem besseren und fundierteren Verständnis zu meistern. Dies ebnet den Weg für einen reibungsloseren und widerstandsfähigeren Übergang zu einem saubereren öffentlichen Verkehrssystem.

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Zitierte Studien:

^{1. Gu, J., Liao, Q., & Zhang, KM (2025). Bewertung der Auswirkungen von kaltem Wetter auf batterieelektrische Linienbusse. Transportation Research Part D: Transport and Environment, 127, 104809. https://doi.org/10.1016/j.trd.2025.104809}