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Verkehrsträgerspezifische Systemeigenschaften des Schienenverkehrs und daraus resultierende Grundprinzipien für den Eisenbahnbetrieb

Erstellt am: 02.07.2010 | Stand des Wissens: 16.05.2019
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Technische Universität Hamburg, Institut für Logistik und Unternehmensführung, Prof. Dr. Dr. h.c. W. Kersten

Bei der Eisenbahn rollen Stahlräder auf Stahlschienen, das sogenannte Rad-Schiene-Prinzip. Aus der kleinen Aufstandsfläche zwischen Rad und Schiene und dem niedrigen Rollreibungswiderstand von circa 0,1 Prozent der Gewichtskraft zwischen den Stahlflächen (zum Vergleich: Gummireifen/Straßenbelag circa 1 Prozent der Gewichtskraft) resultiert ein geringer spezifischer Energiebedarf für die Traktion [Wend03, S. 111; Wehn76, S. 2 f.]. Dieser liegt deutlich unter denen des Straßenverkehrs und ermöglicht den kostengünstigen Transport großer Massen in einer (Zug-)Einheit. Allerdings erzwingt die geringe Reibung beim Rad-Schiene-Prinzip eine Spurführung. Wie in Abbildung 1 verdeutlicht wird, sind Spurwechsel, Zugbegegnungen oder -überholungen, nur an entsprechenden infrastrukturellen, ausgestatteten Abschnitten des Fahrwegs möglich. Die physikalischen Systemeigenschaften geben nach Berndt [Bern01, S. 4 f.] hinsichtlich Infrastruktur und Betrieb weitere Rahmenbedingungen vor:
  • Im Vergleich mit anderen Landfahrzeugen erlauben die Reibungsverhältnisse der Eisenbahn nur vergleichbar geringe Steigungen. Zudem sind größere Kurvenradien vorzusehen. Dies hat Auswirkungen auf die Fahrwegtrassierung und somit die anfallenden Infrastrukturkosten, da beispielsweise ein vermehrter Einsatz von Kunstbauten wie Brücken und Tunneln erforderlich wird.
  • Die Fahrzeuggestaltung ist darüber hinaus bedeutend aufwendiger, da tragende Strukturen den beim Anfahren und Bremsen auftretenden Kräften standhalten müssen.

systemeigenschaften_bahn_klein.jpgAbbildung 1: Systemeigenschaften des Rad-Schiene-Systems (eigenen Darstellung)
Andererseits gestattet die Spurführung ein - im Vergleich zu anderen Verkehrsträgern - generell höheres Sicherheitsniveau und eine übersichtlichere Betriebsführung. Dies macht den Bahnbetrieb gut planbar, ermöglicht den Einsatz von EDV und bietet langfristig die Chance der Automatisierung des Betriebs. Die Verbindlichkeiten des Fahrplans sowie die eingeschränkte Ausweichmöglichkeit im Störungsfall erhöhen allerdings die Komplexität des Systems wesentlich [Sieg01, S. 85].

Durch die geringe Reibung sind zudem die für die Beschleunigung und das Bremsen übertragbaren Kräfte begrenzt. Die Konsequenz sind unter anderem lange Bremswege von bis zu 1.000 Metern bei Geschwindigkeiten bis etwa 160 Kilometern pro Stunde für Reisezüge und 120 Kilometern pro Stunde für Güterzüge. Bei höheren Geschwindigkeiten verlängern diese sich entsprechend. Somit sind die Bremswege der Eisenbahn bei gleicher Geschwindigkeit um annähernd den Faktor 10 länger als im Straßenverkehr [Brei05, S. 147]. Bei hohen Geschwindigkeiten und den langen Bremswegen kann der Triebfahrzeugführer den Fahrweg beziehungsweise die Streckenabschnitte nicht mehr vollständig erfassen. Daher erfolgt eine Steuerung der Züge von außen. Hierzu werden bei der Bahn bislang ortsfeste Signalanlagen verwendet, die von einem Fahrdienstleiter - welcher den Gesamtüberblick über einen Streckenabschnitt hat - eingestellt werden. Der Fahrdienstleiter wird dabei von einer umfangreichen Technik unterstützt, um Fehlbedienungen und Unfälle zu verhindern. Zukünftig sollen Züge auf fünf internationalen und verkehrlich sinnvollen Korridoren Neu- beziehungsweise Ausbaustrecken ohne konventionelle Lichtsignalisierung fahren. Als einer der ersten Abschnitte erhält die Neubaustrecke Ebensfelde - Erfurt (VDE 8.1) eine Signalisierung im Führerstand, welche ausschließlich auf Basis von ERTMS und ETCS erfolgen wird [PtOs13, S. 6, DBAG12t, S. 33f.]. Bis Oktober 2017 wurden mittlerweile circa 250 Kilometer mit ETCS ausgerüsteter Strecken in Betrieb genommen oder befinden sich in der Erprobung [EBA17c, S. 9 f.].

Als Konsequenz für den Bahnbetrieb ergibt sich, dass die meisten langen Fahrten von Zugeinheiten in möglichst dichtem Abstand abgewickelt werden, um angesichts der hohen Fixkosten von Infrastruktur und Betrieb die Stückkosten zu minimieren. Das für einen wirtschaftlichen Betrieb notwendige hohe Aufkommen führt zu einer Konzentration des Verkehrs auf mengenstarken Relationen. Flächendeckende Haus-zu-Haus-Verkehre sind mit dem System Bahn nicht zu realisieren. Durch den hohen Fixkostensockel und die Langlebigkeit vorzuhaltender Produktionsmittel erweist sich die Eisenbahn als verhältnismäßig starres System [Sieg01, S. 85].
Angebotsstrategien der Eisenbahn müssen bestrebt sein, die arteigenen Systemvorteile in den Vordergrund zu stellen und diese dann zu vermarkten. Es sollte eine Ausklammerung derjenigen Verkehre erfolgen, die seitens der Bahn nur bedingt eigenwirtschaftlich erbracht werden können.
Zu den Systemvorteilen zählen laut Siegmann [Sieg97, S. 2-4]:
  • geringer spezifischer Energieverbrauch beim Transport großer Massen über große Distanzen (günstige Energiebilanz)
  • Personalaufwand je Zug im Verhältnis zu intermodalen Wettbewerbern günstig
  • Spurführung mit prinzipiell höherer Sicherheit und Vorteilen hinsichtlich der Betriebsdurchführung
  • Eisenbahnbetrieb prinzipiell gekennzeichnet durch detaillierte Planbarkeit
  • vergleichsweise großes Automatisierungspotenzial
  • geringerer Flächenverbrauch als konkurrierende Verkehrsträger
Gemäß Siegmann [Sieg97, S. 2-4] können wiederum folgende Systemnachteile identifiziert werden:
  • hoher technischer Aufwand für die Infrastruktur (Personal für Fahrwegbetrieb)
  • relativ hohe Markteintrittsbarrieren (spezielle Fahrzeuge und Kenntnisse erforderlich)
  • teure, langlebige Infrastruktur erfordert hohe Auslastung für eine wirtschaftlich rentable Leistungserstellung (konsekutiven Personen- und Güterverkehrstrassen)
  • zuverlässiger Mischbetrieb setzt stabile Fahrplanabwicklung voraus und kann nur durch zusätzliche Anlagen gewährleistet werden
  • hoher Fixkostenanteil macht eine langfristige Planung notwendig
  • bedingt durch Spurführung räumliche Verfügbarkeit und Netzbildungsfähigkeit (vergleichsweise geringe Netzdichte) eingeschränkt 
  • Zwang zu gebrochenen Verkehren (zum Beispiel Lkw-Vor- und / oder Nachlauf im Güterverkehr)
  • zeitliche Flexibilität durch Fahrplanbindung geringer als beim konkurrierenden Straßengüterverkehr
Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Logistik und Unternehmensführung, Prof. Dr. Dr. h.c. W. Kersten
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Technische und organisatorische Rahmenbedingungen des Schienengüterverkehrs (Stand des Wissens: 12.06.2019)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?337416
Literatur
[Bern01] Berndt, Thomas, Prof. Dr.-Ing. Eisenbahngüterverkehr, Ausgabe/Auflage 1, Verlag B.G. Teubner / Stuttgart, 2001, ISBN/ISSN 3-519-06387-5
[Brei05] Breimeier, Rudolf, Dr.-Ing. Eisenbahn-Betrieb - ein unbekannter Aspekt des Verkehrswesens, veröffentlicht in Eisenbahn-Revue International, Ausgabe/Auflage 03, 2005, ISBN/ISSN 1421-2811
[DBAG12t] Kissel, Norbert, Küpper, Johannes Mit ETCS auf dem Weg zu einem grenzenlosen Europa, veröffentlicht in Deine Bahn, Ausgabe/Auflage 11/2012, Bahn Fachverlag GmbH / Berlin , 2012/11, ISBN/ISSN 0948-7263
[EBA17c] Eisenbahn-Bundesamt Nationaler Umsetzungplan ETCS , 2017/12
[PtOs13] Ptok, Frank-Bernhard, Osburg, Jörg, Genc, Cengiz, Werner, Frank Erfahrungen aus einer Pilotierung des Prozesses Neue Typzulassung (NTZ) für Anforderungsdokumente, veröffentlicht in Signal und Draht, Ausgabe/Auflage 10/2013, DVV Media Group GmbH, Hamburg , 2013/10, ISBN/ISSN 0037-4997
[Sieg01] Siegmann, Jürgen, Prof. Dr.-Ing. habil. Angebotsstrategien und Produktionsplanungen einer zukunftsfähigen Bahn, veröffentlicht in 50 Jahr ETR - Impulsgeber für das System Bahn, Hestra-Verlag Darmstadt, 2001, ISBN/ISSN 3-7771-0299-7
[Sieg97] Siegmann, Jürgen, Prof. Dr.-Ing. habil. Wege zu einer anforderungsgerechten und wirtschaftlichen Güterbahn, veröffentlicht in Wissenschaftliche Arbeiten (IVE Universität Hannover), Ausgabe/Auflage 50, Hannover, 1997/09
[Wehn76] Wehner, Bruno Fahrwiderstände und Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Straße, Lehrstuhl fOr Straßen- und Verkehrswesen, Technische Universität Berlin, 1976
[Wend03] Wende, Dietrich Fahrdynamik des Schienenverkehrs, Ausgabe/Auflage 1. Auflage, Vieweg+Tebner Verlag, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, 2003, ISBN/ISSN 978-3-519-00419-6
Glossar
Ausbaustrecke Als Ausbaustrecken (ABS) werden im Bereich des spurgebundenen Verkehrs bestehende Netzabschnitte bezeichnet, die mittels umfangreicher Baumaßnahmen für höhere Kapazitäten und / oder Geschwindigkeiten ertüchtigt wurden. Häufig findet der Begriff im Zusammenhang mit für den Einsatz von Neigetechnikfahrzeugen angepassten Strecken Verwendung. Durch eine geeignete bauliche Auslegung des Fahrweges ermöglicht dieses System entsprechend ausgestatteten Triebwagen schnellere Gleisbogendurchfahrten, m. a. W. höhere Kurvengeschwindigkeiten.
Vor- und Nachlauf Unter Vor- und Nachlauf sind im Kombinierten Verkehr Transporte der Ladeeinheit vom Versender zum Umschlagpunkt oder von dort zum Empfänger zu verstehen. Am Umschlagpunkt wechselt die Ladeeinheit das Verkehrsmittel. Der Transport zwischen zwei Umschlagpunkten wird als Hauptlauf bezeichnet.
Traktion Unter Traktion versteht man im Schienenverkehrsbereich die kraftgetriebene Fortbewegung von Triebfahrzeugen. Bei der Art des Antriebssystems unterscheidet man heutzutage i. d. R. Triebfahrzeuge mit dieselelektrischen oder -hydraulischen bzw. rein elektrischen Aggregaten zur Kraftübertragung (auch: Diesel- bzw. Elektrotraktion).  Die Traktionsart Dampf wird hierzulande nur noch im Bereich von Museumsbahnen eingesetzt. Mehrere gekoppelte Triebfahrzeuge bilden eine sog. Mehrfachtraktion. Üblicherweise werden diese nach der Anzahl der eingesetzten Triebfahrzeuge benannt (z. B. Doppel- oder Dreifachtraktion).
Neubaustrecke Als Neubaustrecken bezeichnet man gänzlich neu errichtete Verkehrswege, die einem bestehenden Netz hinzugefügt werden. Im Eisenbahnwesen findet der Begriff zumeist auf für den Hochgeschwindigkeitsverkehr gebaute Strecken Anwendung, wobei diese entweder exklusiv durch Personenbeförderungsangebote oder gemeinsam mit dem Güterverkehr genutzt werden. Das konstruktive Anforderungsniveau von Neubaustrecken reicht dabei gemeinhin über die für Ausbaustrecken (ABS) geltende Anforderungen hinaus.
Lkw Lastkraftwagen (Lkw) sind Kraftfahrzeuge, die laut Richtlinie 1997/27/EG überwiegend oder sogar ausschließlich für die Beförderung von Gütern und Waren bestimmt sind. Oftmals handelt es sich dabei um Fahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse zwischen 3,5 und 12 Tonnen. In Einzelfällen kann die zulässige Gesamtmasse diese Werte jedoch auch unter- beziehungsweise überschreiten, sofern das Kriterium der Güterbeförderung gegeben ist. Lastkraftwagen können auch einen Anhänger ziehen.
ETCS
Standard eines EU-weit harmonisierten Zugbeeinflussungssystems, welches im Falle einer entsprechenden Streckeninfrastrukturausstattung und Fahrzeugertüchtigung die unterbrechungsfreie Durchführung grenzüberschreitender Schienenverkehre ermöglicht, ohne zu diesem Zweck das triebfahrzeugseitige Mitführen unterschiedlicher, auf nationaler Ebene verwendeter Systemkomponenten vorauszusetzen.

Mit Hilfe von Zugbeeinflussungssystemen lassen sich auf dem Streckennetz stattfindende Fahrten beispielsweise hinsichtlich einer Einhaltung erlaubter Höchstgeschwindigkeiten oder der Befolgung signalisierter Befehle überwachen, um gegebenenfalls automatische Schutzreaktionen auszulösen. So können etwa Triebfahrzeuge, welche ein Halt zeigendes Signal überfahren, selbsttätig zum Stillstand gebracht werden.

In Zukunft wird der automatische Zugbetrieb (Automatic Train Operation, ATO) auf Grundlage des ECTS gebaut.
European Rail Traffic Management System
Das European Rail Traffic Management System (ERTMS) ist ein Projekt, dessen Ziel es ist, durch Schaffung von einheitlichen Standards für die infrastruktur- und fahrzeugseitige Eisenbahnsicherungtechnik die EU-weite Interoperabilität des Schienenverkehrs zu erreichen.
Das Projekt zielt auf die vier Bereiche Traffic Management (Betriebsleittechnik), Signalling (Stellwerkstechnik), Train Control System (Zugbeeinflussung) und Voice and Data Communikation (Zugfunk) ab. Konkrete Projekte innerhalb des ERTMS sind Europtirails (grenzüberschreitenden Austausch von Zuglaufinformationen), INESS (Vereinheitlichung der Stellwerkstechnik), ETCS (Zugbeeinflussungssystem) und GSM-R (Zugfunksystem).
Mischbetrieb
Als Mischbetrieb (auch: Mischverkehr, gemischter Verkehr) wird der Betrieb mit unterschiedlichen Fahrzeugen auf demselben Fahrweg bzw. im selben Verkehrsraum bezeichnet. Beispielhaft kann hier die gemeinsamen Nutzung von Eisenbahnstrecken durch Reise- und Güterzüge oder auch des Straßenraums durch Straßenbahnen und Kfz genannt werden.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?324339

Gedruckt am Montag, 10. August 2020 18:34:08