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Möglichkeiten der Energierückgewinnung im Schienenverkehr

Erstellt am: 24.02.2011 | Stand des Wissens: 07.03.2017
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Möglichkeiten der Energierückgewinnung im Schienenverkehr

Die Energierückspeisungsfunktionalität ist bei Elektrotriebfahrzeugen bereits heute gängige Praxis. Dabei werden Motoren (diesel-)elektrischer Traktionen während eines Verzögerungsvorgangs als Generator verwendet, sodass sich die gewonnene elektrische Energie in den Fahrdraht rückübertragen lässt. Bei diesem Vorgang werden verschiedene Netzrückspeisetechnologien verwendet. Besonders geeignet sind Wechselstromnetze, da bei Gleichstrombahnen Rückspeiseprozesse (Rekuperation) höhere Kosten und geringere Energieeinsparquoten aufweisen [Ford07]. Fallen allerdings zu hohe Rückspeiseströme an, wird die überschüssige Bremsenergie oft in Form von ungenutzter thermischer Energie freigesetzt.

Stationäre und mobile Energiespeichersysteme

Um in Wechselstromnetzen Überschüsse aus der Rekuperation dennoch nutzbar zu machen, kann auf streckenseitige Speichersysteme zurückgegriffen werden. Energie, die durch bremsende Fahrzeuge in das Stromnetz eingespeist und nicht von anfahrenden oder sich in einer Steigung befindlichen Lokomotiven oder Triebwagen abgenommen wird, lässt sich somit stationär zwischenspeichern. Mögliche ortsfeste Energiespeicherlösungen sind im Wesentlichen
[StJo08; Bomb10a]:


  • Schwungräder und
  • Doppelschichtkondensatoren.

Die ortsfeste Aufladung von Energiespeichern könnte durch Sammelschienen erfolgen, die über der Station angebracht werden. Durch die vergrößerte Oberfläche kann eine höhere Spannung (bis zu 1 kA) angebracht und somit bis zu 6.000 kW übertragen werden [STEI07a].

ortsfest.pngAbb. 1: Aufladestation mit Sammelschienen [STEI07a] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)


Bei Dieselfahrzeugen ist dagegen lediglich eine Bremsenergienutzung möglich, wenn hierfür transportable Energiespeicher mitgeführt werden. Ein Vorteil mobiler Speicher ist dabei die Stabilisierungseigenschaft von on-board Energiespeichereinheiten, um Fahrdrahtfluktuationsspannung auszugleichen [STEI07a]. Inzwischen haben sich in diesem Zusammenhang drei konkurrierende Energiespeichersysteme etabliert [Hanz11]:

  • Schwungräder
  • Doppelschichtkondensatoren
  • Akkumulatoren (Batterien)

Allgemein schein eine Hybridlösung aus Energiespeicher und Oberleitungselektrolokomotiven für die Langzeitplanung eine gute Alternative zu Diesel betriebenen Konzepten zu sein, allein aufgrund der Möglichkeit, den Zugbetrieb in der Zukunft global und lokal komplett CO2-frei zu gestalten [DBIA14].

Tabelle 1: E-E Hybridzüge Umwelt und LCC Pro und Kontra [DBIA14] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)


E-E EnergiespeicherProCon.PNG


Potenzial von Energiezwischenspeichern

Die Einsatzfelder für bordeigene Zwischenspeichersysteme sind vielseitig. Neben dem Einsatz in Dieselfahrzeugen, bei denen nicht nur Energieeinsparungen, sondern auch kurze emissionsfreie Fahrten auf sensiblen Streckenabschnitten möglich werden, kann sich die Installation fahrzeugseitiger Speicherlösungen auf elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen des Stadt- und Regionalverkehrs ebenfalls als sinnvoll erweisen. Neben geringeren Verlusten im Vergleich zur Netzeinspeisung (vgl. [Hope06; StSc06]) erlaubt der fahrzeugeigene Energiespeicher auf ausgewählten Teilstrecken einen fahrleitungsunabhängigen Betrieb. Dies kann insbesondere in historischen Innenstädten von Interesse sein, deren visueller Eindruck nicht durch eine Oberleitungsinfrastruktur getrübt werden soll.Aber auch emissionssensible Bereiche wie Innenstädte, Tunnel und Bahnsteige können durch mobile Stromspeicher entlastet werden. Die höchste Anforderung an die Energiespeichersysteme besteht auf Streckenabschnitten ohne Fahrleitung, da hier keine Rückfallebene zur Verfügung steht [DBIA14]

Neben den hohen Anforderungen bzgl. Gewicht, Kosten und Verfügbarkeit sind bei den Akkumulatoren im Bahnbetrieb ebenso die Anforderungen im Bereich Sicherheit einzuhalten. So müssen die Batterien so in den Lokomotiven untergebracht werden, dass im Falle eines Crashes keine Gefahr z.B. durch Entzündung besteht. Dazu gehören auch Sicherungsmaßnahmen zur feuerfesten Unterbringung, zum Ablassen von Reaktionsgasen, zum Thermomanagement und zum selbstständigen Abschalten bei Grenzwertüberschreitungen. Trotz alledem muss die Batterie in ihrer Zugänglichkeit und ihrem Gewicht noch ein- und ausbaufähig sein [DBIA14].

Nach Angaben des Deutsche Bahn AG Konzern betragen die Einsparpotenziale im Schienenverkehr durch die Rückspeisung von Bremsenergie bis zu 13 %. Die größte Energieersparnis wird im Schienenpersonennahverkehr erzielt [DBAG13y]. Die Bombardier Transportation GmbH gibt dagegen für ihr Doppelschichtkondensatoren-System MITRAC Energy Saver, welches mittlerweile in knapp 20 Straßenbahnen im Rhein-Neckar-Raum zum Einsatz kommt, jahreszeitabhängige Reduktionseffekte von 27 bis 30 % der aufzuwendenden Traktionsenergie an [; StSc06; Sief10].

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
[Bomb10a] o. A. EnerGstor - Streckenseitige Energiespeicherung, Berlin, 2010/09/08
[DBAG13y] o. A. Nachhaltigkeitsbericht 2012, Berlin, 2013/07
[DBIA14] Möller, Helmut, Lange, Bernd, Müller, Matthias, Lankes, Peter Innovative Antriebstechnik bei Schienenfahrzeugen aus Sicht der Beschaffung der Deutschen Bahn AG, veröffentlicht in ZEV rail Glasers Annalien, Ausgabe/Auflage 138/Jan, 2014, Online-Referenz http://www.schienenfahrzeugtagung.at/en/historie-download-fotos/42-sft/
[Ford07] Ford, Roger Regenerative braking boosts green credentials, veröffentlicht in Railway Gazette, Ausgabe/Auflage 07, 2007/07, ISBN/ISSN 0373-5346
[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
[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
[STEI07a] Steiner, Michael, Klohr, Markus, Pagiela, Stanislaus, Energy Storage System with UltraCaps on Board of Railway Vehicles, 2007, Online-Referenz http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4417400&isnumber=4417197
[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
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).
kW = Kilo Watt. Die SI-Einheit der Leistung. Als Einheitenzeichen wird der Großbuchstabe W verwendet. Die Einheit ist benannt nach James Watt.
LCC Die Abkürzung steht für Low Cost Carrier und bezeichnet so genannte Niedrigpreis-Fluglinien. Sie beschränken sich auf die reine Transportdienstleistung und erreichen durch weitere Kostenreduktionsmaßnahmen eine günstige Kostenstruktur, die an die Passagiere durch niedrige Flugpreise weitergegeben wird.
CO2
Kohlenstoffdioxid. Ein Gas, welches zu ca 0,4% in der Erdatmosphäre vorkommt, bildet den Grundstock für pflanzliches Leben und pflanzliche Biomasse. Es entsteht z.B. bei der Verbrennung (Oxidation) von Kohlenstoff mit Sauerstoff. Durch seine Wirkung als Treibhausgas und der massiven Freisetzung bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist es mit hoher Wahrscheinlichkeit der wichtigste Auslöser des Klimawandels.
Schienenpersonennahverkehr Gemäß Regionalisierungsgesetz (RegG) § 2 handelt es sich bei einer auf der Schiene erbrachten Beförderungsdienstleistung um ein Angebot des Nahverkehrs, "wenn in der Mehrzahl der Beförderungsfälle [...] die gesamte Reiseweite 50 Kilometer oder die gesamte Reisezeit eine Stunde nicht übersteigt" [RegG, § 2]. Zur Erfüllung der Daseinsvorsorge wird der SPNV von den Ländern bestellt und unterstützt. Der SPNV kann Teil des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) sein.
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.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?343025

Gedruckt am Donnerstag, 18. Juli 2019 04:32:55