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Relevante Einflussgrößen auf den Energieverbrauch im Schienenverkehr

Erstellt am: 16.02.2011 | Stand des Wissens: 19.11.2019
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Bei der Eisenbahn rollen Stahlräder auf Stahlschienen. Sie bilden das sogenannte Rad-Schiene-System (Abbildung 1). Aus der kleinen Aufstandsfläche zwischen Rad und Schiene und dem niedrigen Rollreibungswiderstand zwischen den Stahlflächen (circa 0,1 Prozent der Gewichtskraft, bei der Paarung Gummireifen / Straßenbelag dagegen etwa 1 Prozent der Gewichtskraft) resultiert ein verhältnismäßig geringer Fahrwiderstand [Wend03; PACH99] . Bezieht man die Antriebskräfte auf die Gewichtskraft, so sind diese aufgrund der geringeren Haftreibungsbeiwerte bei der Eisenbahn bedeutend kleiner als bei Straßenfahrzeugen. Daraus folgt, dass die Massenkräfte bei der Bahn eine größere Rolle spielen: Schienenfahrzeuge haben dementsprechend beim Beschleunigen und Bremsen auch ein stärkeres Trägheitsverhalten. Gleichzeitig ist die Eisenbahn steigungsempfindlicher, da die Hangabtriebskräfte beim Befahren geneigter Strecken proportional zur Fahrzeugmasse sind [PACH99].

Abb. 1: Rad-Schiene-System mit Darstellung wesentlicher KräfteAbb. 1: Rad-Schiene-System mit Darstellung wesentlicher Kräfte [Lang08a] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Die wichtigsten relevanten Einflussgrößen bezüglich des Energieverbrauchs bei der Eisenbahn sind
  • die Gesamtmasse des Zuges,
  • die Neigungsverhältnisse der befahrenen Strecke,
  • die aktuelle Fahrgeschwindigkeit,
  • der quadratisch mit der Geschwindigkeit zunehmende aerodynamische Luftwiderstand sowie
  • der Gegen- sowie Seitenwind.
Je höher die Geschwindigkeit, desto größer ist der Anteil des aerodynamischen Widerstands am Gesamtwiderstand [MaOr10].
Durch den Einsatz energieeffizienter Betriebsweisen sowie optimierter Triebfahrzeuge und Waggons kann der Schienenverkehr seine Stärken hinsichtlich seines - im Vergleich zu anderen Verkehrsträgern - niedrigeren Energiebedarfs voll ausspielen. So ermöglichen Zugfahrten mit wenigen Halten die Reduktion energieintensiver Anfahrvorgänge (insbesondere bei langen, schweren Zügen). Auch durch die Bildung langer Züge lässt sich der Luftwiderstand und somit der Verbrauch an Traktionsenergie - im Vergleich zum Transport kleinerer Einheiten - senken. Die Nutzung von längeren, besser an die transportierten Einheiten angepassten, Waggons könnte im Güterverkehr zu erheblichen Energieeinsparungen führen, wie das Projekt VEL-Waggon zeigt [CaSt12].
Auch im Personenverkehr spielt der Auslastungsgrad eine wichtige Rolle bezüglich der Energieeinsparungspotenziale. Angesichts der hohen Fahrzeugeigenmassen ist hier der Energieverbrauch quasi unabhängig vom Zugbesetzungsgrad. So ergibt sich beispielsweise bei einer Eigenmasse eines ICE 2- oder ICE-3-Triebzugs von circa 400 t (375 Sitzplätze) lediglich eine besetzungsabhängige Schwankungsbreite von 4 Prozent (+/- 16 t) [Behm07]. Entsprechend kommt der Zugauslastung vermutlich die größte Bedeutung im Hinblick auf eine Energieeffizienzsteigerung zu [UIC02e]. In Anbetracht einer mittleren Auslastung von rund 50 Prozent im deutschen Fernverkehr und noch geringerer Werte bei Nahverkehrsangeboten besteht hier ein bedeutendes Potenzial [DBAG13a]. Die Auslastung erfuhr seit 2013 einen leichten Anstieg von knapp 2 Prozent [DBAG13y].
Schienenverkehrsanbieter müssen jeweils das Optimum in Bezug auf die Reisegeschwindigkeit ermitteln: Höhere Geschwindigkeiten verbessern einerseits zwar die Wettbewerbsposition zu konkurrierenden Verkehrsmitteln und tragen damit potenziell zu einer besseren Auslastung bei, andererseits wirken sie sich jedoch nachteilig auf die Kostenseite und dabei insbesondere den Energieverbrauch aus. Fahrzeiteinsparungen sind bei einem Geschwindigkeitssprung von 100 auf 200 km/h wesentlich größer als von 300 auf 400 km/h (Abbildung 2). Der Energiemehrverbrauch je eingesparter Fahrzeitminute wächst mit zunehmender Geschwindigkeit jedoch drastisch an. Daher hat sich für den mitteleuropäischen Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV) eine Systemgeschwindigkeit von 250 bis 300 km/h als vorteilhaft erwiesen. Durch die Nutzung von Geschwindigkeitsoptimierungsmodellen wird versucht, die energieeffizienteste Geschwindigkeit für den Zugbetrieb zu ermitteln. In neueren Modellen wird unter anderem die räumliche und zeitliche Abstimmung des Zugverkehrs ermittelt, um integrative Fahrpläne und Geschwindigkeitsprofile zu erstellen. Diese Modelle sollen auch die Auswirkungen von Bahnverkehrsstörungen auf das komplette System minimieren [YANG16; Umil16].
Abb. 2: Fahrzeitgewinne bei Geschwindigkeitserhöhung bezogen auf 100 km ReiseweiteAbb. 2: Fahrzeitgewinne bei Geschwindigkeitserhöhung bezogen auf 100 km Reiseweite (TU Berlin, Fachgebiet Schienenfahrwege und Bahnbetrieb, eigene Darstellung) [YANG16; Umil16] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Als Treiber des Energiebedarfssind unter anderem zu identifizieren:
  • kürzere Haltabstände,
  • höhere Geschwindigkeiten,
  • zunehmende Streckenanteile in Tunnellage,
  • stärkere Trassengradienten (z. B. größere Steigungen),
  • die Vollklimatisierung von Fahrzeugen und
  • schlechte Betriebsqualität (zusätzliche unplanmäßige Zughalte).
Energiesparpotenziale liegen bei Schienenverkehrsangeboten daher insbesondere
  • im Einsatz leichterer Fahrzeuge,
  • deren höherer Auslastung,
  • einem effizienteren Fahrbetrieb (Vermeiden von Brems- und Anfahrvorgängen) und
  • strömungsgünstigerer Formgebung der Fahrzeuge, vor allem im HGV (wichtig ab 150 km/h, kritische Größe bei Geschwindigkeiten über 200 km/h) [Behm07].
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Effizienzpotenziale im Schienenverkehr (Stand des Wissens: 25.07.2018)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?487371
Literatur
[Behm07] Behmann, Uwe Schienenverkehr, Energiebedarf und Klimaschutz bei der Deutschen Bahn -Teil 1, veröffentlicht in Elektrische Bahnen, Ausgabe/Auflage 03, 2007/03, ISBN/ISSN 0013-5437
[CaSt12] Carrillo-Zanuy, Armando, Stolz, Simon Effizienzsteigerung im KV: Das Projekt VEL-Wagon, veröffentlicht in Eisenbahntechnische Rundschau, Ausgabe/Auflage 03/2012, DVV Media Group GmbH, Hamburg, 2012/03, ISBN/ISSN 0013-2845
[DBAG13a] o. A. Deutsche Bahn DB Mobility Logistics - Daten & Fakten 2012, Berlin, 2013
[DBAG13y] o. A. Nachhaltigkeitsbericht 2012, Berlin, 2013/07
[Lang08a] Lang, Hans-Peter Gesamtsystemzusammenhang und Wirkungsmechanismen des Systems Bahn, veröffentlicht in Das System Bahn, Hamburg, 2008, ISBN/ISSN 978-3-7771-0374-7
[MaOr10] Marek, Hanko, Dr.-Ing., Orellano, Alexander, Dr.-Ing., Schober, Martin, Dr.-Ing. Energieeffiziente Schienenfahrzeuge und Standardisierung, veröffentlicht in ETR - Eisenbahntechnische Rundschau, Ausgabe/Auflage 10/10, DVV Media Group GmbH / Hamburg, 2010/10
[PACH99] Pachl, Jörn Systemtechnik des Schienenverkehrs, Teubner / Wiesbaden, 1999, ISBN/ISSN 978-3-8351-0191-3
[UIC02e] o.A. Energy efficiency strategies for rolling stock and train operation, 2002
[Umil16] Umiliacchi, Silvia, Nicholson, Gemma, Zhao, Ning, Schmid, Felix, Roberts, Clive, Delay management and energy consumption minimisation on a single-track railway, veröffentlicht in IET Intelligent Transport Systems, Ausgabe/Auflage 10/1, 2016, Online-Referenz doi:10.1049/iet-its.2015.0054
[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
[YANG16] Yang, Yin, Chen, Anthony, Ning, Bin, Tang, Tao A stochastic model for the integrated optimization on metro timetable and speed profile with uncertain train mass, veröffentlicht in Transportation Research Part B: Methodological, Ausgabe/Auflage 91, 2016, Online-Referenz doi:10.1016/j.trb.2016.06.006
Glossar
Hochgeschwindigkeitsverkehr Als Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV) werden Zugfahrten von Trieb[wagen]zügen (sog. Hochgeschwindigkeitszüge) bzw. dafür geeigneten lokbespannten Zügen mit mehr als 200 km/h Spitzengeschwindigkeit auf extra dafür [um]gebauten HGV-Strecken bezeichnet.
Triebfahrzeug
Ein Triebfahrzeug (Tfz) ist ein einzelnes Regeleisenbahnfahrzeug mit einem eigenen Fahrzeugantrieb (Lokomotiven, Triebwagen). Eine Sonderform bilden Triebköpfe, die in einem fest gekoppelten Triebzug zusammen mit antriebslosen Mittel- und Steuerwagen betrieben werden. Lokomotiven kommen normalerweise im Verbund mit gekoppelten Reisezug- oder Güterwagen zum Einsatz. Triebwagen sowie auch Triebzüge werden als gekoppelten Einheiten gleichen Typs in sogenannten Triebwagenzügen eingesetzt. Weitere Tfz sind Kleinlokomotive und selbstfahrende Nebenfahrzeuge.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?342267

Gedruckt am Montag, 6. Juli 2020 19:13:40