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Einsatz von Biodiesel im Schienenverkehr

Erstellt am: 02.03.2011 | Stand des Wissens: 07.03.2017
Synthesebericht gehört zu:
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Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Volkswirtschaftslehre (ECON), Prof. Dr. Kay Mitusch


Wie im Straßenverkehr eröffnet sich durch Verwendung bzw. Beimischung von Biokraftstoffen auch beim Verkehrsträger Schiene die Möglichkeit, den bestehenden Bedarf an fossilen Treibstoffen bereits kurzfristig zu senken und somit dessen CO2-Bilanz zu verbessern. Speziell die als besonders umweltbelastend geltende Dieseltraktion kann durch entsprechende Maßnahmen ökologisch aufgewertet werden. Mit Entwicklungsfortschritten im Bereich der Herstellung von flüssigen Biotreibstoffen der zweiten und mittlerweile dritten Generation konntedie Effizienz bei der Biomassenutzung erhöht werden. Biokraftstoffe der zweiten Generation werden aus Biomasse-Reststoffen sowie Pflanzenbestandteilen wie Blättern, Schalen, Halmen, etc. gewonnen. Biotreibstoffe der dritten Generation hingegen nutzen schnell wachsende, meist einzellige Algen [KIR10]. Zur Umwandlung der Rohstoffe in funktionsfähige Treibstoffe kommen verschiedene Technologien zum Einsatz wie z.B. die Pyrolyse oder die Fischer-Tropsch-Synthese. Mit dem sogenannten Biomass-to-Liquid Verfahren (BtL) können viele der heutzutage genutzten fossilen Flüssigtreibstoffe durch synthetische Biokraftstoffe ersetzt werden. Hierzu forscht u.a. das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) [KIT15b].

Forschung zur ökologischen Bewertung von Biodiesel

Grundsätzlich zeigt eine in den USA an Schwerlaststraßenfahrzeugen durchgeführte Studie der US Environmental Protection Agency (EPA), dass unter Verwendung von Biodiesel nennenswerte Luftschadstoffemissionsminderungen gegenüber fossilen Kraftstoffen erzielt werden können. Dies gilt jedoch nicht für Stickoxide, deren Ausstoßrate sich bspw. im Gegensatz zur Partikel- und Kohlendioxidbelastung in Abhängigkeit des jeweils beigemischten Fettsäuremethylester-Anteils erhöht (Abbildung 1). [EPA02]

Abb. 1: Gemittelter Einfluss von Biodiesel auf durch Schwerlastnutzfahrzeuge emittierte LuftschadstoffmengenAbb. 1: Gemittelter Einfluss von Biodiesel auf durch Schwerlastnutzfahrzeuge emittierte Luftschadstoffmengen [EPA02, S. 37]

Auch wenn eine direkte Übertragbarkeit genannter Untersuchungsergebnisse auf Schienenfahrzeuge angesichts abweichender Leistungszyklen nicht zulässig ist, zeigt die EPA-Studie doch eine ökologische Vorteilhaftigkeit vom Einsatz von Biodiesel in großvolumigen Motoren auf. Konkret auf eisenbahntechnische Belange ausgerichtete Tests legen nahe, dass emissionsbezogene Effekte mit der Zusammensetzung des biosynthetischen Kraftstoffes und dem jeweiligen Triebfahrzeug- bzw. Motorentyp stark variieren. Seitens einzelner Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU) vorgenommene Praxiserprobungen kommen demzufolge zu uneinheitlichen Erkenntnissen.

Lahane and Subramian führten 2015 eine Vergleichsstudie zu den physikalischen Eigenschaften von B5, B10, B15, B20, B25, B50 und B100 durch. Dabei stellte sich heraus, dass die optimale Mischung einen Anteil von 20 % Biodiesel (für nicht modifizierte Dieselmotoren 15 %) beträgt, bevor unvorteilhafte Effekte wie erhöhte Emissionen und verminderte Leistung zu spüren sind [LAHA15].

Die Société Nationale des Chemins de fer Francais (SNCF) konstatierte nach entsprechenden Tests in Frankreich mit B20-Biodiesel (Mischverhältnis: 20 % Biodiesel und 80 % Mineralöldiesel) z. B. keine nennenswerten Emissionsvorteile, während gleichzeitig Leistungsverluste sowie ein erhöhter Treibstoffverbrauch zu verzeichnen waren. Dem entgegen stehen Untersuchungsergebnisse aus Großbritannien, welche Dieselmischungen mit einem biosynthetischen Anteil zwischen 10 % (B10) und 50% (B50) reduzierte Schadstoffausstoßwerte bescheinigen. [UIC07c, S. 33 f., 36 f.] Ähnliche Tests, durchgeführt von New Mexico Rail Runner (NMRR) in 2009 mit B20 Biodiesel, bestätigen, dass Stickstoffemissionen zwar erhöht werden, alle anderen Emissionen jedoch um 35 % niedriger ausfallen. Auch die Leistungsqualität von Biodiesel bis zu einem Mischungsverhältnis von 20 % zeigte sich wenig abweichend von konventionellem Diesel. Das bestätigen weitere Studien in Brasilien [DIN16]. Abbildung 2 visualisiert die anhand eines Triebwagenmotors generierten Messreihen.

Abb. 2: Emissions-, Leistungs- und Verbrauchseffekte eines variierenden Biodieselanteils am jeweils eingesetzten KraftstoffgemischAbb. 2: Emissions-, Leistungs- und Verbrauchseffekte eines variierenden Biodieselanteils am jeweils eingesetzten Kraftstoffgemisch (Verwendeter Traktionsmotor: Cummins NTA855R3) [UIC07c, S. 36 f.] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Ersichtlich wird, dass spätestens ab einem ausgewogenen Mischungsverhältnis von 50 % (B50) lediglich auf Seiten der Stickoxide weitere Emissionssenkungen zu erzielen sind (Diagramm Mitte links), während Partikel- und Kohlenstoffdioxidausstoß rapide ansteigen (Diagramme Mitte rechts, unten links). Darüber hinaus gehen mit zunehmendem Biodieselanteil Kraftstoffverbrauchserhöhungen sowie Traktionsleistungseinbußen einher (Diagramme oben links und rechts). In Zusammenschau mit weiteren Praxiserprobungen anderer EVU lässt sich feststellen, dass Kraftstoffgemische mit bis zu 30-prozentigen Fettsäuremethylester-Anteilen für die Traktion von Schienenfahrzeugen einen vielversprechenden Kompromiss darstellen. Einem begrenzt erhöhten NOx-Ausstoß stehen hier Emissionssenkungen hinsichtlich der übrigen bedeutenden Luftschadstoffe gegenüber, sodass global und lokal wirkende Belastungen in Summe herabgesetzt werden können. [UIC07c, S. 26]

Technische Eignung für Schienentriebfahrzeuge

Neben den in ökologischer Hinsicht erzielbaren Effekten bestimmen auch technische Gesichtspunkte darüber, ob Biodiesel die gegenwärtig in Schienenfahrzeugen mit Verbrennungsmotor überwiegend eingesetzten fossilen Kraftstoffe künftig erfolgreich und weitreichend zu ergänzen bzw. zu subsituieren vermag. Nachteile birgt vor diesem Hintergrund z. B. die geringere Energiedichte, welche es unter Beibehaltung der jeweiligen Fahrzeugreichweite erforderlich macht, ein im Vergleich zu herkömmlichem Diesel um etwa 10 % höheres Kraftstoffvolumen mitzuführen. Darüber hinaus verfügt Fettsäuremethylester über die Eigenschaft, verschiedene Kunststoffe und Gummisorten anzugreifen, wodurch u. U. Motordichtungen und Kraftstoffschläuche beschädigt werden können. [Vant11, S. 19 ff.]

Die praktische Einsetzbarkeit von Biodiesel in Form der B20-Mischung hat der größte US-amerikanische Bahnbetreiber BNSF erprobt. In der Leistung der mit Biodiesel betriebenen Lokomotiven habe es "keinen bemerkbaren Unterschied" gegeben. Probleme wurden konstatiert im Hinblick auf die Verdickung und Flockung des Treibstoffs bei Niedrigtemperaturen sowie die Beschädigung der im Motor befindlichen Filter [FAZA11].

Die Verwendung hoher Biodieselanteile setzt fahrzeugseitige Umrüstungsmaßnahmen voraus. Teilweise noch nicht erfolgte Freigaben seitens der betreffenden Motorenhersteller und insofern fehlende Gewährleistungszusicherungen halten ebenfalls einzelne EVU oftmals davon ab, auf alternative Brennstoffe zu wechseln. Des Weiteren ergibt sich auch zusätzlicher logistischer Klärungsbedarf bezüglich der Umstellung auf Biodiesel, insbesondere im Zusammenhang mit dessen Lagerung. Tankstellenseitig sind Anpassungen bezüglich der Zapfsäulen notwendig, da spezielle Mischzapfsäulen installiert werden müssen. Ferner ergeben sich ökonomische Hemmnisse, da die Produktionskosten von Biodiesel diejenigen fossiler Alternativen z. T. deutlich übersteigen. [Ceci08, S. 7 ff.]

Der Internationale Eisenbahnverband Union Internationale des Chemins de fer (UIC) fasst das Für und Wider eines Biodieseleinsatzes im Schienenverkehr wie folgt in tabellarischer Form zusammen (Tabelle 1):
Tabelle 1: Vor- und Nachteile von Biodiesel (eigene Darstellung nach [ATAB12])

Vor_Nachteile.png


Fallbeispiele eines Biodieseleinsatzes im Schienenverkehr

Im Sommer 2007 hat das durch die britische Virgin Rail Group Holdings Ltd gemanagte EVU Virgin Trains einen ersten Pilotversuch gestartet, seine kommerziell eingesetzten Züge mit 20 % Biodiesel-Beimischung zu betreiben. Sollte entsprechender Test positiv verlaufen, ist beabsichtigt, die komplette Voyager-Fernverkehrsfahrzeugflotte des Unternehmens auf B20-Kraftstoff umzurüsten. Verbunden hiermit erhebt Virgin Trains allerdings die Forderung nach einer Senkung nationaler Biodieselsteuersätze[ERNS08].

Die Prignitzer Eisenbahn GmbH (ehem. Prignitzer Lokomotiv- und Waggonbau GmbH) betrieb ihre RegioShuttle-Triebwagen in den Jahren 2004-2009 mit Biodiesel, nachdem vorher mit Pflanzenöl experimentiert wurde [BIOB06].

Darüber hinaus werden u. a. folgende Schienenverkehrsangebote mittels biodieselbetriebener Fahrzeuge erbracht:


  • SNCF (Frankreich): Einsatz von TER-Regionalexpresszügen unter Verwendung von B30-Kraftstoff [UIC07c]
  • Indian Railways (Indien): Betrieb diverser Dieseltriebfahrzeuge mit B05 und B10 [Kath07, S. 27]
  • New Mexiko Rail Runner Express (USA): Ausschließliche Verwendung von B20 für sämtliche Lokomotiven des betreffenden Schienenpersonennahverkehrsangebotes seit 2006 [DIN16]Adelaide Metro (Queensland, Australien): B05-Einsatz in allen Fahrzeugen seit März 2005, eine Erhöhung des Fettsäuremethylester-Anteils auf 20 % wird angestrebt [UIC07c, S. 38]
  • Amtrak Heartland Flyer (Oklahoma / Texas, USA): Verwendung von tierfettbasiertem B20-Kraftstoff für die zwischen Oklahoma City und Fort Worth verkehrenden Fernverkehrszüge [AMTR10]
  • Starting 2014-15, the Indian Railway decided to replace up to 5 % of its total diesel usage with biodiesel [ATAB12]
Ansprechpartner
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Volkswirtschaftslehre (ECON), Prof. Dr. Kay Mitusch
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Alternative Kraftstoffe im Schienenverkehr (Stand des Wissens: 05.05.2017)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?344441
Literatur
[AMTR10] o. A. Amtrak Biodiesel Heartland Flyer Named One of the Year's 50 Biggest and Coolest Breakthroughs, Washington, D.C., 2010/11/15
[ATAB12] Atabani, A.E., Silitonga, A.S., Badruddin, Irfan A., Mahlia, T.M.I., Masjuki, H.H., Mekhilef, S. A comprehensive review on biodiesel as an alternative energy resource and its characteristics, veröffentlicht in Renewable and Sustainable Energy Reviews, Ausgabe/Auflage 16/4, 2012, Online-Referenz doi:10.1016/j.rser.2012.01.003
[BIOB06] o.A. Reine Biokraftstoffe für die Prignitzer Eisenbahn, 2006/05/30
[Ceci08] Cecil, Leopold, DI Dr. MAS Möglichkeiten des Biodieseleinsatzes im Schienenverkehr, Wien, 2008
[DIN16] Dincer, I., Zamfirescu, C. A review of novel energy options for clean rail applications, veröffentlicht in Journal of Natural Gas Science and Engineering, Ausgabe/Auflage 28, 2016, Online-Referenz doi:10.1016/j.jngse.2015.12.007
[EPA02] o. A. A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions, Washington, DC, 2002/10
[ERNS08] Ernsting, Almuth Richard Branson and the Virgin Group's biofuel investment: From palm oil and soya biodiesel in trains to synthetic biology for aviation fuels, 2008
[FAZA11] Fazal, M.A., Haseeb, A.S.M.A., Masjuki, H.H. Biodiesel feasibility study: an evaluation of material compatibility; performance; emission and engine durability, veröffentlicht in Renewable and Sustainable Energy Reviews, Ausgabe/Auflage 15/2, 2011, Online-Referenz doi:10.1016/j.rser.2010.10.004
[GOVI14] o.A. Indian Railways to go for Bio-Diesel in a Big Way - Gowda, 2014/11/05, Online-Referenz http://pib.nic.in/newsite/PrintRelease.aspx?relid=111095
[Kath07] Kathpal, A. K. Use of biodiesel as a Traction fuel for Indian Railways - A Case Study, Paris, 2007/07
[KIR10] Kirchner, Ron Auflistung der wichtigsten Biokraftstoffe der 2. und 3. Generation, 2010/03/11
[KIT15b] Karlsruhe Institute of Technology (Hrsg.) Bioliq, 2015
[LAHA15] Lahane, Subhash, Subramanian, K.A. Effect of different percentages of biodiesel-diesel blends on injection, spray, combustion, performance, and emission characteristics of a diesel engine, veröffentlicht in Fuel, Ausgabe/Auflage 139, 2015, Online-Referenz doi:10.1016/j.fuel.2014.09.036
[UIC07c] Ian Skinner (AEA), Nik Hill (AEA), Sujith Kollamthodi (AEA), John Mayhew (AEA), Bryan Donnelly (ATOC) Railways and Biofuel, 2007/07
[Vant11] Vantuono, William C. The power of GREEN, veröffentlicht in Railway Age, Ausgabe/Auflage 11/2010, Simmons-Boardman Publishing Inc., New York, 2011/11, ISBN/ISSN 0033-8826
Glossar
Biomasse Biomasse umfasst:
  • Reststoffe wie z.B. Restholz, organische Abfälle (Biomüll, Gülle etc.), Stroh sowie
  • Energiepflanzen wie z.B. Raps, schnell wachsende Baumarten, Energiegetreide, Miscanthus.
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).
ITS Intelligent Transportation Systems (ITS) ist der Oberbegriff für Transportsysteme, die Informations- und Kommunikationstechnologie zur Unterstützung des Betriebes einsetzen. ITS-Funktionen unterstützen den Fahrer eines Transportmittels, sie sind damit deutlich von automatischen Transportsystemen zu differenzieren, die auf einen fahrerlosen Betrieb abstellen. Die wichtigsten neuen und zum Teil noch in Entwicklung befindlichen Anwendungsfelder zielen auf (1) Verkehrs- und Transportmanagement (Verkehrsinformationen, Verkehrslenkung, Verkehrs- und Parkleitsysteme, automatische Unfallmeldungen, Meldesysteme zum Gefahrgutmonitoring); (2) Elektronische Systeme zur Gebührenerhebung; (3) Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel (dynamische Fahrgastinformationen, Reservierung, spezifische Informationssysteme für Fahrradfahrer und Fußgänger, Steuerung individueller öffentlicher Verkehrsmittel); (4) Systeme zur Unterstützung der Fahrzeugsicherheit (Kollisionsdetektoren, Sektorisierung von Verkehrswegen).
NOx = Stickoxide. Ist die Sammelbezeichnung für die Oxide des Stickstoffs. Die wichtigsten Stickoxide sind Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid. Es sind gasförmige Verbindungen, die sich nur wenig in Wasser lösen. Die wichtigsten Stickoxid-Quellen sind natürliche Vorgänge, wie z. B. mikrobiologische Umsetzungen im Boden, sowie Verbrennungsvorgänge bei Kraftwerken, Kraftfahrzeugen und industrielle Hochtemperaturprozesse, bei denen aus dem Sauerstoff und Stickstoff der Luft Stickoxide entstehen. Stickstoffdioxid ist ein Reizstoff, der die Schleimhäute von Augen, Nase, Rachen und des Atmungstraktes beeinträchtigt.
City Der in der Stadtforschung und im allgemeinen Sprachgebrauch für die Kennzeichnung des Stadtzentrums meist größerer Städte verwendete Begriff City ist nicht eindeutig, da er im Englischen eine völlig andere Bedeutung hat. Im englischen Sprachgebrauch kann der Begriff City für drei verschiedene Varianten stehen:
  1. allgemein für eine Großstadt,
  2. für eine historische Stadt mit Bischofssitz und Kathedrale,
  3. für eine Stadt mit königlicher Urkunde und zeremoniellen Privilegien.
Der deutsch Begriff der City leitet sich aus der frühen Konzentration von Bürofunktionen in der historischen City of London ab, da sich dort bereits im 18. Jahrhundert mit dem aufkommenden und rasch entfaltenden Banken- und Versicherungswesen der neue Typ des Bürohauses herausbildete, der den Prozess der Citybildung enorm beschleunigte. In erster Linie ist City ein Funktionsbegriff. Die City ist der zentralst gelegene Teilraum einer größeren Stadt mit einer räumlichen Konzentration hochrangiger zentraler Funktionen des tertiären und quartären Sektors.
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.
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/?343542

Gedruckt am Dienstag, 16. August 2022 18:50:49