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Hybridantriebssysteme im Schienenverkehr

Erstellt am: 22.02.2011 | Stand des Wissens: 04.12.2019
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Um die Antriebssysteme von Schienenfahrzeugen flexibler und umweltfreundlicher zu gestalten, wurde in der jüngeren Vergangenheit verstärkt an Hybridantrieben gearbeitet. Der Hybridantrieb wird laut European Rail Research Institute (ERRI) als ein Antriebssystem mit mindestens zwei verschiedenen Energieumwandlern und Energiespeichersystemen definiert [E/ECE/324-E/ECE/TRANS/505]. Abweichend hiervon werden in der Schienenfahrzeugtechnik auch solche Systeme zu Hybridantrieben gezählt, die lediglich über eine Energiespeicherform verfügen. Hybrid-Schienenfahrzeuge sollen jedoch über zwei unterschiedliche Energiequellen angetrieben werden können. Der Antrieb durch eine sekundäre Energiequelle kann dabei unabhängig von der primären stattfinden.
Im Schienenverkehr werden sowohl die konventionellen Antriebssysteme Dieseltraktion und Elektrotraktion miteinander kombiniert als auch die Kopplung mit neuartigen Speicher- und Antriebssystemen getestet. Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit reiner Elektrotraktion und Oberleitungsstromversorgung ermöglicht die Kombination mit Dieselmotoren beziehungsweise Akkumulator die Betriebsausweitung auf fahrdrahtlose Strecken. Im ersten Fall können mit den entsprechenden Fahrzeugen in der Dieseltraktion auch lange Distanzen im Flächenverkehr bedient werden, auf denen die Elektrifizierung wirtschaftlich nicht darstellbar ist. Auf elektrifizierten Abschnitten kann dabei lokal ein emissionsfreier und energieeffizienterer Verkehr unter Fahrdraht realisiert werden. Bei Verwendung von Akkumulatoren ermöglicht der Energiespeicher den Verzicht auf die Fahrdraht-Infrastruktur auf kurzen Abschnitten.
In Europa können Hybridfahrzeug-Konzepte verstärkt im Tram-Train-Segment beobachtet werden, da sich hier mit dem Wechsel zwischen der Stadtbahn- und Vollbahn-Infrastruktur nicht selten auch die Bedingungen für die günstigste Antriebsart ändern. Ein Beispiel aus der Bundesrepublik Deutschland stellt das Tram-Train-Konzept Karlsruher Modell dar. Die 30 im September 2009 von der Albtal-Verkehrs-Gesellschaft mbH und der Verkehrsbetriebe Karlsruhe GmbH bei der Bombardier Transportation bestellten Zweisystemzüge (Flexity Swift type dual-system tram-trains) verkehren sowohl im Innenstadtbereich unter Gleichstrom als auch im Umland unter Wechselstrom [Russ10]. Vermehrt werden aber auch Hybridsysteme für Vollbahn-Fahrzeuge entwickelt. So kommen beispielsweise in Nordamerika und Europa Hybridlösungen in Rangierlokomotiven zum Einsatz. Als bedeutsamer Vorteil erweist sich hierbei die Kraftstoffeffizienz einer mit Hybridtechnik ausgestatteten Rangierlokomotive im Vergleich zu einer Dieselvariante. Entsprechende Verbrauchsreduzierungen im Umfang von 35 bis 60 Prozent sind unter Alltagsbetriebsbedingungen möglich [OoDu09]. Seit Oktober 2016 ist auch die Deutsche Bahn im Besitz von fünf Elektro-Diesel-Hybridrangierlokomotiven, die im Regionalverkehr in Franken eingesetzt werden [NEPR16].
Im Oktober 2007 wurde der erste Hybrid-Triebzug Autorail Grande Capacité (AGC) von Bombardier aus einer Reihe von über 140 Zügen in Betrieb genommen. Vom Hersteller wurde dieses Ereignis als Weltpremiere eingestuft, da bei dem Hybrid AGC bestimmte Betriebsfunktionen erstmalig in einem Zug miteinander kombiniert wurden. Aufgrund der bimodalen Hybrid-Technologie (Strom- und Dieselmotor) und der Zweispannungstechnologie (1.500 V und 25.000 V) können Hybrid AGC das gesamte Schienennetz der Société Nationale des Chemins de fer Francais (SNCF) übergangslos nutzen [Uhle09].
Ebenfalls mit einer Kombination aus Elektro- und Dieselaggregat ist der RegioCitadis ausgestattet, der im nordhessischen Verkehrsverbund Kassel mit dem Umland verbindet. Diese sogenannten RegioTram-Fahrzeuge sind die weltweit ersten serienmäßigen Hybrid-Stadtbahnen. In der Stadt verkehren sie unter Nutzung der Straßenbahnfahrleitungen. Auf nicht elektrifizierten Strecken des Umlandes kommt der Dieselmotor zum Einsatz [Stre10].
Im Februar 2010 präsentierte der Hersteller Alstom Transport die ersten 15 Fahrzeuge der Baureihe (BR) Citadis-Dualis. Als Weiterentwicklung des RegioCitadis verfügt der Citadis-Dualis über besonders umweltfreundliche Eigenschaften. So zeichnet er sich beispielsweise durch eine 99%-ige Rekuperation und recyclebare Materialien aus [Hond10; Smit10].
Auch im Hochgeschwindigkeitsverkehr zeigen sich erste Bestrebungen, Hybridfahrzeuge einzusetzen. So legte der spanische Hersteller Patentes Talgo S.L. 2010 ein Konzept für einen Hybrid-Triebzug vor. Bei diesem Konzept sollen ein elektrischer Triebkopf und ein Dieselmotor an den jeweiligen Enden des Zuges für Traktion sorgen. Die Höchstgeschwindigkeit wird mit 250 km/h auf elektrifizierten Strecken und 180 km/h auf nicht elektrifizierten Strecken angegeben. Eine Umstellung von einer auf die andere Antriebsart ist während der Fahrt möglich. Dies sorgt für nennenswerte Fahrzeitverkürzungen, wie beispielsweise auf der von dem spanischen EVU "Renfe Operadora" betriebenen Verbindung Madrid Galizien [TALGO10; Amal12].
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Innovative Antriebstechnologien im Schienenverkehr (Stand des Wissens: 05.05.2017)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?344435
Literatur
[Amal12] Amalia, Julían Galicia, más cerca con los trenes duales, veröffentlicht in Via libre, Ausgabe/Auflage 564, 2012, ISBN/ISSN 1134-1416
[Hond10] Hondius, Harry, Dr. Next-generation tram-train is ready to roll, veröffentlicht in Railway Gazette International, Ausgabe/Auflage 05/2010, Reed Business Publ. / Sutton Surrey (UK) , 2010/05, ISBN/ISSN 0373-5346
[NEPR16] o.A. Alstom übergibt Hybrid-Loks an Deutsche Bahn, DVV Media Group GmbH, Hamburg, 2016/10/14
[OoDu09] Oostra, Jolt, Dunger, Werner Hybrid-Rangierlokomotiven: Technik und Anwendungen, veröffentlicht in ZEVrail, Ausgabe/Auflage 09/2009, Georg Siemens Verlag / Berlin , 2009/09, ISBN/ISSN 1618-8330
[Russ10] o. A. The tram-train: perfect in form and function for the city and the region, veröffentlicht in Eurotransport, Ausgabe/Auflage Issue 1/2010, Russell Publishing Limited / Kent, UK, 2001/02, ISBN/ISSN 1478-8217
[Smit10] Smith, Keith Alstom puts weight behind Citadis Dualis , veröffentlicht in International Railway Journal, Ausgabe/Auflage 02/2010, Headley Brothers Ltd / Kent , 2010/02, ISBN/ISSN 0744-5623
[Stre10] Streeter, Tony A city committed to tram-trains, veröffentlicht in Tramways & Urban Transit, Ausgabe/Auflage 01/2010, Peterborough, UK, 2010/01
[TALGO10] o. A. Talgo 250, Madrid, 2010/02/10
[Uhle09] Uhlenhut, Achim, Dipl.-Ing. (FH) InnoTrans 2008: Große Bandbreite im SPNV vom sanierten Kurzstrecken-Oldie bis zur koreanischen Magnetbahn, veröffentlicht in Verkehr und Technik, Ausgabe/Auflage 01/2009, Erich-Schmidt-Verlag / Berlin , 2009/01, ISBN/ISSN 0340-4536
Weiterführende Literatur
[Furu] Furuta, Ryosuke Development of the New Energy Train, 2006/10
[FuTe04] Fujii, Taketo, Teraya, Nobutsugu, Osawa, Mitsuyuki Special edition paper - Development of an NE train, veröffentlicht in JR EAST Technical Review, Ausgabe/Auflage 04/2004, Tokyo, Japan, 2004
[E/ECE/324-E/ECE/TRANS/505] Uniform provisions concerning the approval of passenger cars powered by an internal combustion engine only, or powered by a hybrid electric power train [...]
Addendum 100: Regulation No. 101
Glossar
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).
Hybrid
Der Ausdruck Hybrid bedeutet "etwas Gebündeltes, Gekreuztes oder Gemischtes". Es stammt ab von dem lateinischen Fremdwort griechischen Ursprunges Hybrida. In der Technik wird ein hybrides System, aus zwei unterschiedlichen Technologien miteinander kombiniert.
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.
Hybridantrieb Unter Hybridantrieben wird in der Fahrzeugtechnik die Mischnutzung mindestens zweier unterschiedlicher Energiequellen zur Bewegung eines Fahrzeugs verstanden. Der Antrieb durch die einzelnen Energiequelle kann hierbei unabhängig voneinander stattfinden.
Tram-Train Tram-Train bezeichnet eine Form des Mehrsystembetriebs im schienengebundenen Verkehr, bei der zweisystemfähige Fahrzeuge sowohl im städtischen Straßenbahnnetz als auch im konventionellen Vollbahnnetz verkehren. Der Antrieb wird hierbei entweder ausschließlich in der Elektrotraktion, jedoch mit zwei unterschiedlichen Bahnstromsystemen, oder durch eine Kombination von Elektro- und Dieseltraktion (Hybridantrieb) realisiert.
AC
Wechselstrom
EVU Eisenbahnverkehrsunternehmen
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.
Rekuperation
Rekuperation bezeichnet die Rückführung eines Anteils der von einem elektrisch angebtriebenen Fahrzeug entnommenen Traktionsenergie in die Fahrzeugbatterie oder das Bahnstromnetz. Diese Energie wird beim Bremsvorgang durch den Betrieb des Elektromotors im Generatorbetrieb bzw. durch die elektrodynamische Nutzbremse generiert.
Eisenbahnverkehrsunternehmen Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU) sind öffentliche Einrichtungen oder privatrechtlich organisierte Unternehmen, die Eisenbahnverkehrsleistungen erbringen. "Eisenbahnverkehrsunternehmen" stellt einen europarechtlichen Begriff dar, welcher durch nationales Recht in Form von § 2 (1) des Allgemeinen Eisenbahngesetzes (AEG) konkretisiert wird.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?342673

Gedruckt am Mittwoch, 26. Februar 2020 11:26:00