Verfügbarkeit und Ausfallursachen von Oberleitungssystemen auf Autobahnen - Empfehlungen zum Netzausbau und zum Betrieb

In Deutschland nehmen die ⁠Fahrleistung⁠ und somit auch die verkehrsbedingten Emissionen im Straßengüterverkehr weiter zu. Aufgrund der emissionsbedingten anthropogen verursachten negativen Folgen auf das weltweite Klima rückt der Verkehrssektor immer stärker in den Fokus zur zwingenden Umsetzung von Maßnahmen, um diese negativen Folgen zu reduzieren. Eine Maßnahme ist dabei der Ausbau von Oberleitungsanlagen auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Straßengüterverkehrs. Die Elektrifizierung durch Oberleitungen stellt dabei einen neuen technologischen Ansatz dar, welcher durch die Ausweisung von insgesamt drei Feldversuchen in Deutschland wissenschaftlich untersucht wird. In dieser Arbeit werden basierend auf dem ELISA-Feldversuch die Verfügbarkeit einer Oberleitungsanlage sowie die Ausfallursachen systematisch analysiert, um Empfehlungen für den Netzausbau und den Betrieb einer Oberleitungsanlage abzuleiten. Dazu wurden drei Forschungsfragen entwickelt, welche innerhalb der Arbeit beantwortet werden:

1. Welche Faktoren limitieren die Verfügbarkeit einer Oberleitungsanlage auf Autobahnen?
2. Wie lassen sich diese Faktoren beeinflussen, um eine höhere Verfügbarkeit einer Oberleitungsanlage zu erreichen?
3. Welche Verfügbarkeit einer Oberleitungsanlage kann zukünftig erreicht werden? Für die Beantwortung der Forschungsfragen wird auf Grundlage der Daten aus dem ELISA-Feldversuch die Verfügbarkeit der Oberleitungsanlage im Betrachtungszeitraum seit der Inbetriebnahme im Mai 2019 bis Ende 2022 analysiert und die Ausfallursachen identifiziert. Anschließend werden die Wirkungszusammenhänge zwischen den Ausfallursachen und der Anlagenverfügbarkeit untersucht und beschrieben, wobei eine Identifikation der limitierenden Ausfallursachen mit Hilfe einer vergleichenden Bewertung der jeweiligen Ausfallursachen erreicht wird. Die limitierenden Ausfallursachen sowie die Wirkungszusammenhänge dienen im Weiteren dazu, die zukünftige und potenzielle Anlagenverfügbarkeit zu ermitteln. Die relevanten Erkenntnisse werden fortlaufend in sogenannten Kernaussagen beschrieben und über die Durchführung von Expertenbefragungen validiert. Die Untersuchungen zeigen sechs relevante Ausfallursachen auf, welche die Verfügbarkeit einer zukünftigen Oberleitungsanlage limitieren werden. Diese umfassen: • Inspektion und Wartung • Anforderungen durch Dritte • straßenbetriebliche Aktivitäten • Arbeitsstätten • Extremwetterereignisse • Abschaltung durch die Gefahrenabwehrbehörden Unter Beachtung der limitierenden Ausfallursachen (Einflussfaktoren) und der Daten bzgl. der Abschaltungsdauer aus dem Feldversuch ELISA sowie auf Grundlage der Einschätzungen von Experten wird die potenzielle Anlagenverfügbarkeit ermittelt sowie eine Bewertungsmethode für die Anlagenverfügbarkeit einer Oberleitungsanlagen in Form von Bewertungsstufen aufgestellt. Je nach Berücksichtigung der Möglichkeit der Umsetzung eines halbseitigen Betriebs bei den Einsätzen der Gefahrenabwehrbehörden ergibt sich eine Anlagenverfügbarkeit von 93,9 % (Worst-Case-Szenario) bis zu 98,3 % (Best-Case-Szenario). Höhere Werte sind möglich, wenn die genannten Strategien und Maßnahmen umgesetzt werden, welche zu einer Erhöhung der Verfügbarkeit beitragen können. Die Erreichung einer Anlagenverfügbarkeit von mehr als 99 % wird als realistisch angesehen und stellt die höchste Bewertungsstufe (LOS A) der Anlagenverfügbarkeit dar. Im Allgemeinen sollte eine Anlagenverfügbarkeit AOL von mindestens 96 % erreicht werden (LOS C). Abschließend werden die Forschungsfragen beantwortet und die Empfehlungen für den Netzausbau und den Betrieb abgeleitet. Folgende Empfehlungen für den Netzausbau werden ausgesprochen: • Empfehlung zur Bestimmung der Lage einer Oberleitungsstrecke auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Schwerverkehrs • Empfehlung zur Bestimmung der Segmentlänge einer Oberleitungsstrecke auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Schwerverkehrs • Empfehlung zur Implementierung der Möglichkeit des halbseitigen Betriebs einer Oberleitungsanlage auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Schwerverkehrs • Empfehlung zur Berücksichtigung der klimatischen Veränderungen beim Ausbau einer Oberleitungsanlage auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Schwerverkehrs Die Empfehlungen für den Betrieb umfassen hingegen: • Empfehlung zur Auswahl der Betriebsstrategie einer Oberleitungsstrecke auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Schwerverkehrs • Empfehlung zur Festlegung einer Bewertungsmethode bzgl. des operativen Betriebs einer Oberleitungsstrecke auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Schwerverkehrs • Empfehlung zur Entwicklung von Handlungsstrategien bei Störfallereignissen für den operativen Betrieb einer Oberleitungsstrecke auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Schwerverkehrs • Empfehlung zur zeitlich optimierten Umsetzung planbarer Ereignisse im operativen Betrieb einer Oberleitungsstrecke auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Schwerverkehrs • Empfehlung zum Personal- und Materialeinsatz im operativen Betrieb einer Oberleitungsstrecke auf Autobahnen zur Elektrifizierung des Schwerverkehrs Die erreichbare Verfügbarkeit einer Oberleitungsanlage auf Autobahnen steht nicht im Widerspruch eines (flächendeckenden) Ausbaus der Oberleitungstechnologie. Der ELISA-Feldversuch und die in dieser Arbeit durchgeführten Analysen konnten zeigen, dass ein solches System effizient betrieben werden kann. Stellt man sich den Herausforderungen im Verkehrssektor, insbesondere der dringlichen Reduktion der Treibhausgasemissionen, so ist die Oberleitungstechnologie ein vielversprechender Ansatz.

In Germany, the number of kilometres driven and therefore also the traffic-related emissions in road freight transport continue to increase. Due to the anthropogenic negative impact of emissions on the global climate, the transport sector is increasingly becoming the focus of urgent measures to reduce these negative consequences. One measure is the expansion of overhead line systems on motorways to electrify road freight transport. Electrification using overhead lines represents a new technological approach, which is being scientifically investigated by means of a total of three field trials in Germany. In this thesis, the availability of an overhead line system and the causes of failure are systematically analysed based on the ELISA field trial in order to derive recommendations for the expansion of the network and the operation of an overhead line system. Three research questions were developed for this purpose, which are answered in the thesis:

1. What factors limit the availability of an overhead contact line system on motorways?
2. How can these factors be influenced in order to achieve a higher availability of an overhead contact line system?
3. What availability of an overhead line system can be achieved in the future? To answer the research questions, the availability of the overhead line system in the period under review from commissioning in May 2019 to the end of 2022 is analysed on the basis of the data from the ELISA field test and the causes of failure are identified. The interdependencies between the causes of failure and the system availability are then analysed and described, whereby the limiting causes of failure are identified with the help of a comparative assessment of the respective causes of failure. The limiting causes of failure and the interdependencies are then used to determine future and potential system availability. The relevant findings are continuously described in so-called core statements and validated by conducting expert surveys. The investigations reveal six relevant causes of failure that will limit the availability of a future overhead line system. These include • Inspection and maintenance • Requirements by third parties • Road operational activities • Workzones • Extreme weather events • Shutdown by the hazard prevention authorities Taking into account the limiting causes of failure (influencing factors) and the data regarding the shutdown duration from the ELISA field test as well as based on the assessments of experts, the potential system availability is determined and an assessment method for the system availability of an overhead line system is established in the form of assessment levels. Depending on the possibility of implementing half-sided operation in the operations of the emergency response authorities, this results in a system availability of 93.9% (worst-case scenario) to 98.3% (best-case scenario). Higher values are possible, if the aforementioned strategies and measures are implemented, which can contribute to an increase in availability. Achieving a system availability of more than 99% is considered realistic and represents the highest assessment level (LOS A) of system availability. In general, a system availability AOL of at least 96 % should be achieved (LOS C).

Finally, the research questions are answered and recommendations for grid expansion and operation are derived. The following recommendations for network expansion are made: • Recommendation for determining the location of an overhead line route on motorways for the electrification of heavy goods vehicles • Recommendation for determining the segment length of an overhead line route on motorways for the electrification of heavy goods vehicles • Recommendation for implementing the possibility of half-sided operation of an overhead line system on motorways for the electrification of heavy goods vehicles • Recommendation on taking climatic changes into account when expanding an overhead line system on motorways for the electrification of heavy goods vehicles The recommendations for operation, on the other hand, include • Recommendation on the selection of the operating strategy for an overhead line route on motorways for the electrification of heavy goods traffic • Recommendation on the definition of an assessment method for the operational operation of an overhead line route on motorways for the electrification of heavy goods vehicles • Recommendation for the development of action strategies in the event of incidents for the operational operation of an overhead line route on motorways for the electrification of heavy goods vehicles • Recommendation for the time-optimised implementation of plannable events in the operational operation of an overhead contact line on motorways for the electrification of heavy goods vehicles • Recommendation on the deployment of personnel and materials in the operational operation of an overhead contact line on motorways for the electrification of heavy goods vehicles The achievable availability of an overhead line system on motorways is not in contradiction to a (nationwide) expansion of overhead line technology. The ELISA field test and the analyses carried out in this thesis were able to show that such a system can be operated efficiently. If the challenges in the transport sector, in particular the urgent reduction of greenhouse gas emissions, are addressed, overhead line technology is a promising approach.