Forschungsinformationssystem des BMVI

zurück Zur Startseite FIS

Energiespeicher an Bord von Schienenfahrzeugen

Erstellt am: 23.02.2011 | Stand des Wissens: 08.03.2017
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Funktionsprinzip und Einsatzfelder

Insbesondere im Nahverkehr mit Dieselfahrzeugen, deren Betrieb durch einen häufigen Wechsel von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen gekennzeichnet ist, wird heutzutage viel Energie in Wärme anstatt in Antriebsleistung umgewandelt. Energiespeicherlösungen können in diesem Einsatzfeld Einsparungseffekte von 10 bis 45 % erzielen, da mit deren Hilfe die Bremsenergie nahezu vollständig genutzt werden kann [SöZu07; GONZ13].

Im Bereich des Schienenverkehrs ist die Rekuperation, bei dem kinetische in elektrische Energie umgewandelt wird, mittlerweile weit verbreitet. Viele moderne Elektrotriebfahrzeuge können während des Verzögerungsvorgangs entstehende Energieüberschüsse ins Fahrleitungsnetz zurückspeisen. Vor allem bei Wechselstromsystemen lässt sich auf diese Weise wiedergewonnene Energie anderen Zügen zur Verfügung stellen. Für Gleichstrombahnen sind entsprechende Lösungen dagegen äußerst kostenintensiv. Mit Hilfe von bordeigenen (fahrzeugseitigen) oder ortsfesten (stationären) Speicherkomponenten lässt sich gewonnene Bremsenergie jedoch auch in diesen Fällen zielgerichtet nutzen. Die Energiespeicher ermöglichen einen autonomen Betrieb auf kurzen Streckenabschnitten ohne weitere bordeigene Energiequellen oder Oberleitungsversorgung bzw. stellen vorübergehend eine geringere Stromaufnahme aus dem Fahrdraht sicher. Einige fahrzeugseitige Lösungen zur Nutzung der Bremsenergie sind auch für dieselelektrische Fahrzeuge anwendbar.

Gegenwärtig lassen sich prinzipiell drei unterschiedliche schienenfahrzeugseitige Speichertechnologien differenzieren, welche auf dem Markt miteinander konkurrieren [Ditt10; StJo08]:


  • Akkumulatoren (vereinfachend häufig auch als Batterien bezeichnet), wobei nacheinander Blei-, Nickel-Cadmium- und Lithium-Ionen-Akkumulatoren entwickelt wurden,
  • Schwungradspeicher und
  • Hochleistungs- / Doppelschichtkondensatoren, die häufig unter ihren Markennamen BoostCap, UltraCap und SuperCap in der Literatur zu finden sind.

Die vorgenannten Technologien unterscheiden sich maßgeblich hinsichtlich ihrer Energiedichte und ihrer Leistungsdichte. Abbildung 1 zeigt, dass moderne Lithium-Ionen-Batterien zwar die meiste Energie pro Kilogramm speichern können, Doppelschichtkondensatoren jedoch mehr Leistung abgeben können, wenn diese gefordert ist. Vor allem Dieselhybridtechnologien mit Lithium-ionen Batterien und Doppelschichtkompensatoren scheinen daher die besten Energiespeicherpotenziale zu bieten [Bomb09] [MEIN15] Die zur Nutzung empfohlene Technologie unterscheidet sich dabei je nach Ansprüchen, welche aus dem operativen Verkehrsbetrieb hervorgehen. [Hanz11, S. 33 ff.]

energie_leistungsdichte.gifAbb. 1: Vergleich der Leistungs- und Energiedichten verschiedener Speichertechnologien [Hanz11] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)


Hinsichtlich einer Verwendung der wiedergewonnenen Energie sind mehrere Betriebsmodi (Abbildung 2) denkbar:

  • Das Betreiben von Neben- und Hilfsaggregaten eines Zuges beim Halt am Bahnsteig. Auf diese Weise können Dieselmotoren beispielsweise aus Schallschutzgründen gedrosselt werden. Ebenso ist hierdurch ein emissionsfreier Betrieb von Verbrennungstriebfahrzeugen in Tunnelbahnhöfen möglich.
  • Der Einsatz entsprechender Energiespeicher als Ergänzungstriebwerke. Mit Hilfe zusätzlicher Traktionsquellen können Höchstgeschwindigkeiten realisiert werden, welche das eigentliche Leistungsvermögen verbauter Dieselmotoren übersteigen. Bei Anfahrvorgängen trägt die Verwendung gespeicherter Energie zu einem reduzierten Primärenergiebedarf bei.
  • Emissions- bzw. fahrdrahtunabhängiges Fahren in sensiblen Bereichen (z. B. historische Stadtbezirke, Bahnhöfe, Tunnel etc.). Dies eröffnet ebenfalls neue Möglichkeiten für die Wiedereinführung bzw. den Ausbau betreffender Straßenbahnnetze.
  • Einsatz von Energiespeichern zur Mitigation möglicher technischer Probleme in den Oberleitungen, wie z.B. Spannungsabfälle oder erhöhter Energiebedarf während Spitzenverbrauchszeiten

[Witt02; SöZu07; GONZ13]



Verwendung_rueckgewonnener_Energie.gifAbb. 2: Schematische Darstellung der Verwendung rückgewonnener Energie [SöZu07]


Im Hinblick auf eine systemspezifische Wirtschaftlichkeitsrechnung sind den Investitionen in die Energiespeicher Aufwandssenkungen entgegenzustellen, welche aus Treibstoff- bzw. Energieverbrauchs- und/oder Fahrzeitreduktionen resultieren. Für die Elektrotraktion sind - nach Herstellerangaben - bspw. jährliche Einsparungen bei der Traktionsenergie zwischen 30.000 EUR (Stadtbahn) und 150.000 EUR (U-Bahn) möglich [BOMB08]. Die Investitionen sind wie folgt aufgeschlüsselt:


ESS_investitation.jpgAbb. 2: Vergleich der Investitionen nach Technologien [GONZ13]



Beispiele für Doppelschicht- und Superkondensatoren in Schienenfahrzeugen

Seit September 2003 werden bei der Mannheimer MVV Verkehr AG im täglichen Fahrgastverkehr Stadtbahnen mit dem MITRAC Energy Saver eingesetzt (Abbildung 3). Das von Bombardier Transportation entwickelte System erzielte jahreszeitabhängige Energieeinsparungen von bis zu 30 % [Sief10]. Für die ersten 2,5 Betriebsjahre konnte ein störungsfreier Betrieb attestiert werden [StSc06; Hope06]. Ist eine Stadtbahn mit zwei Geräten des Systems ausgestattet, kann sie über eine Distanz von 1.000 Metern allein mittels der zusätzlichen Energiequelle weiterfahren. Die MITRAC Energy Saver Lösung funktioniert auf rein elektrischer Basis und ist daher nach Herstellerangaben wesentlich weniger wartungsintensiv und sicherer als mechanische Speicher, wie beispielsweise Schwungräder [StSc06; SöZu07]. Im Jahr 2009 gingen bei der Rhein-Neckar-Verkehr GmbH (RNV) in Heidelberg zunächst sechs Niederflur-Gelenktriebwagen mit dieser Energiespeichertechnik in den Regelbetrieb, bis Mitte 2010 folgten dann weitere 13 Fahrzeuge. Wiederum 12 Fahrzeuge sind bestellt und gehen ab 2013 für die RNV in Mannheim in Betrieb [Uhle10].



MITRAC_Energy_Saver.jpgAbb. 3: MITRAC Energy Saver [Würz09]



Der spanische Hersteller „Construcciones y Auxiliar de Ferrocarrile“ (CAF) produziert seit 2004 den Urbos, ein Niederflur-Gelenktriebwagen. Mit dem Urbos 3 besteht die Möglichkeit ein "Acumulador de Carga Rápida” (ACR) also einen Superkondensator für oberleitungsfreie Abschnitte zu installieren. Der Spuperkondensator stellt eine Weiterentwicklung eines Doppelschichtkondensators dar. Er wird in dieser Anwendung innerhalb von 20 Sekunden im Haltestellenbereich geladen. Auch in Freiburg im Breisgau, als erste und einzige Stadt in Deutschland, kommen diese Bahnen zum Einsatz, jedoch ohne die ACR-Technologie [BAZ13]. Die ACR-Technologie wurde mit der Urbos 2 im spanischen Sevilla gestestet [TYK11].

Lösungsansatz Schwungradspeicher

Bei sog. Schwungradenergiespeichern handelt es sich um eine schnell rotierende Scheibe, welche mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist. Bremst das Fahrzeug, so treibt die freiwerdende überschüssige Energie die Schwungradscheibe an. Dabei wird elektrische Energie über den Motor in Rotationsenergie umgewandelt. Umgekehrt kann die Maschine des Schwungrades als Generator dienen und bei Bedarf Strom an den Fahrmotor abgeben. Neben erfolgreichen Anwendungen im Straßenbahnbereich wurde schwungradgestützte Rekuperation von Bremsenergie auch im LIREX (Leichter und Innovativer RegionalExpress), einem Innovationszug des Deutsche Bahn AG Konzern zur Anwendung gebracht [Mini00]. Dieses Fahrzeug fand keine Serienanwendung, gegenwärtig wird jedoch ein weiteres Projekt verfolgt, in dessen Rahmen die Diesel-Nahverkehrstriebwagen Siemens Desiro mit Energiespeichern aufgerüstet werden [Kett11]. Seit 2014 wird in der Citadis tram in Rotterdam ein Schwungradspeicher getestet. Das Schwungrad ist nach dem Williams Schema von 2009 konstruiert, welches aus Verbundmaterialien besteht und somit sicherer als ein Schwungrad aus Metall ist. Durch das geringere Gewicht kann dieses somit auch in dem Dachkonstrukt installiert werden [RGA13].

Trotz bedeutend geringerer Haltestellendichte kann eine Nutzung von Schwungradspeichern auch im Fernverkehr lohnenswert sein. Vor allem bei Streckenabschnitten, die relativ große Fahrgeschwindigkeitswechsel aufweisen, lässt sich zwischengespeicherte Bremsenergie effizient im Rahmen nachfolgender Beschleunigungsvorgänge verwenden. Grundsätzlich ist auch der Einbau in elektrische Triebfahrzeuge denkbar, wenn fahrzeugseitige Speicher einen höheren Wirkungsgrad erzielen als eine Rückspeisung in das Versorgungsnetz. [BaTe00b]

Der Ausrüstung von Bahnsystemen mit Energiespeichern steht momentan noch ein erheblicher Anschaffungs- und Instandhaltungsaufwand entgegen. Die Chancen für einen wirtschaftlichen Einsatz wachsen jedoch mit den steigenden Kraftstoffpreisen und der (zunehmenden) Serienfertigung der erforderlichen Komponenten. [Witt02].

Akkumulatoren im Praxiseinsatz

In Nizza ist seit 2007 ein entsprechendes Batteriesystem in CITADIS Niederflurstraßenbahnen von Alstom Transport eingebaut und im Fahrgasteinsatz; in Paris wird das Konzept seit 2009 getestet [Leno07; SöZu07]. Kawasaki testet derzeit eine oberleitungsfreie Stadtbahn Swimo in der japanischen Stadt Sapporo. Die Kawasaki Gigacell Nickel-Metallhydrid-Batterien können innerhalb von 5 Minuten komplett aufgeladen werden und reichen auf einer Streckendistanz von bis zu 10 km [TYK11]. Abbildung 4 stellt das Energiemanagement auf Triebfahrzeugen mitgeführter Speichersysteme schematisch dar.



ESS_discharge.jpgAbb. 5: Prinzip der schienenfahrzeugseitigen Energiespeicherung und -rückgewinnung während Brems- bzw. Beschleunigungsvorgängen [GONZ13]



Abb.4.JPGAbb. 5: Prinzip der schienenfahrzeugseitigen Energiespeicherung und -rückgewinnung während Brems- bzw. Beschleunigungsvorgängen [BOMB08] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)


Sogenannte Traktionsakkumulatoren können auch in Triebzügen des Schienenpersonennah- und -fernverkehrs eingesetzt werden. Es sind Anwendungen sowohl für die Diesel- als auch die Elektrotraktion denkbar [Faßb12].

Publikationen

Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Energierückgewinnung im Schienenverkehr (Stand des Wissens: 05.05.2017)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?344449
Literatur
[BaTe00b] o.A. Den Schwung ausnutzen, veröffentlicht in BahnTech, Koelblin Druck + Verlag, 2000/01
[BAZ13] Müller, Rolf Olé! Spanische Trams für Freiburg, Badische Zeitung, Freiburg, 2013/02/15
[BOMB08] o.A. Bombardier Transportation Launches Innovative ECO4 Technologies for Total Train Performance at InnoTrans 2008, 2008, Online-Referenz http://www.bombardier.com/en/media/newsList/details.1006-bombardier-transportation-launches-innovative-eco4-technologies-for-total-train-performance-at-innotrans-2008.bombardiercom.html?filter-bu=tran
[Bomb09] o. A. MITRAC Energy Saver - EcoActive Technologies, Berlin, 2009/05/18
[Ditt10] Dittmann, Detlef Hybridfahrzeuge - eine Lösung für den Schienenverkehr?, 2010/04/22
[Faßb12] Faßbinder, Stefan Konzepte elektrischer Antriebsausrüstungen für Betrieb ohne Oberleitung, veröffentlicht in Elektrische Bahnen, Ausgabe/Auflage 03/2012, Oldenbourg Industrieverlag GmbH, München, 2012/03, ISBN/ISSN 0013-5437
[GONZ13] González-Gil, Arturo, Palacin, Roberto, Batty, Paul Sustainable urban rail systems: Strategies and technologies for optimal management of regenerative braking energy, veröffentlicht in Energy conversion and management, Ausgabe/Auflage 75, 2013, Online-Referenz doi:10.1016/j.enconman.2013.06.039
[Hanz11] Hanz, Peter Ortsfeste Energiespeicher im ÖPNV, veröffentlicht in Der Nahverkehr, Ausgabe/Auflage 12/2011, Alba Fachverlag, Düsseldorf, 2011/12, ISBN/ISSN 0722-8287
[Hope06] Hope, Richard UltraCaps win out in energy storage, veröffentlicht in Railway Gazette, Ausgabe/Auflage 07, 2006/07
[Kett11] Kettner, Joachim Den Schienenverkehr fit machen für die Zukunft , veröffentlicht in Eisenbahntechnische Rundschau, Ausgabe/Auflage 09/2011, DVV Media Group GmbH, Hamburg , 2011/09, ISBN/ISSN 0013-2845
[Leno07] Eric Lenoir Nizza weiht die erste Straßenbahn mit Batteriebetrieb ein, 2007/11/26
[MEIN15] Meinert, M., Prenleloup, P. , Schmid, S., Palacin, R. Energy storage technologies and hybrid architectures for specific diesel-driven rail duty cycles: Design and system integration aspects, veröffentlicht in Applied Energy, Ausgabe/Auflage 157, 2015, Online-Referenz doi:10.1016/j.apenergy.2015.05.015
[Mini00] o. A. LIREX - der leichte, innovative Regional-Express, veröffentlicht in Eisenbahn-Revue International, Ausgabe/Auflage 11/00, Minirex AG / Luzern (Schweiz), 2000/11, ISBN/ISSN 1421-2811
[RGA13] o.A. Alstom to test onboard flywheel energy storage, Railway Gazette Group, Sutton, UK, 2013/01/18
[Sief10] Siefkes, Tjark Nachhaltigkeit ganzheitlich betrachtet - Modulares Lösungsportfolio für innovative Mobilität auf der Schiene, veröffentlicht in Internationales Verkehrswesen, Ausgabe/Auflage 04/10, DVV Media Group GmbH / Hamburg, 2010/04, ISBN/ISSN 0020-9511
[SöZu07] Söffker, Carsten, Tutzauer, René Bahn-Antriebstechnik für sensible Streckenabschnitte und zur Energierückgewinnung, veröffentlicht in Elektrische Bahnen, Ausgabe/Auflage 07, Georg Siemens Verlag, 2007/07, ISBN/ISSN 0013-5437
[StJo08] Steinhorst, Frank, Dipl.-Ing., Jonassen, Ingo, Dipl.-Ing., Peters, Arne, Dipl.-Ing. Mit Schwung Energie sparen - Stationärer Schwungmasse-Energiespeicher bei der Hochbahn AG, veröffentlicht in Der Nahverkehr, Ausgabe/Auflage 06/08, Alba Fachverlag / Düsseldorf, 2008/06, ISBN/ISSN 0722-8287
[StSc06] Dr. Michael Steiner,, Dr. Johannes Scholten,, Markus Klohr MITRAC Energy Saver, 2006/09/19
[TYK11] Devaux, Francois-Olivier, Tackoen, Xavier WP2B Energy Recovery: Overview of braking energy recovery technologies in the public transport field, 2011/03, Online-Referenz http://www.tickettokyoto.eu/sites/default/files/downloads/T2K_ER_overview_technologies_web.pdf
[Uhle10] Uhlenheit, Achim, Dipl.-Ing. (FH) Weltpremiere in Heidelberg: Erste Straßenbahnserie mit Energiespeicher, veröffentlicht in Verkehr + Technik, Ausgabe/Auflage 04/10, Erich-Schmidt-Verlag / Berlin, 2010/04/22, ISBN/ISSN 0340-4536
[Witt02] Witthuhn, Martin, Dipl.-Ing. Schwungradspeicher in Dieseltriebfahrzeugen, veröffentlicht in Elektrische Bahnen, Oldenbourg Industrieverlag GmbH München, 2002/03, ISBN/ISSN 0013-5437
[Würz09] o. A. "Wir bremsen für den Klimaschutz" - RNV mit ÖPNV-Innovationspreis für energiesparende Straßenbahnen ausgezeichnet, veröffentlicht in AMTSANZEIGER DER STADT HEIDELBERG, Ausgabe/Auflage 13/09, Heidelberg, 2009/03/25
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).
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 Schienenfahrzeug entnommenen Traktionsenergie in das Bahnstromnetz. Diese Energie wird beim Bremsvorgang durch die elektrodynamische Nutzbremse generiert.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?342917

Gedruckt am Mittwoch, 19. Dezember 2018 15:02:40