Forschungsinformationssystem des BMVI

zurück Zur Startseite FIS

Abwärmenutzung zur Senkung des Energiebedarfs bei Schienenfahrzeugen

Erstellt am: 03.03.2011 | Stand des Wissens: 09.03.2017
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Dieselmotoren wandeln aufgrund ihres Wirkprinzips ca. 30 % der ihnen über den Kraftstoff zugeführten Energie in mechanische Antriebsleistung um. Der übrige Energieanteil wird nahezu ungenutzt zu fast gleichen Teilen mit den Abgasen und der Kühlflüssigkeit abgeleitet (Abbildung 1) [LöKa10, S. 28 f.]. Steigende Anforderungen bei den Eisenbahnverkehrsunternehmen sowie sich weiterhin verschärfende Emissionsgrenzwerte für Luftschadstoffe führen die Fahrzeughersteller in einen Zielkonflikt, der den Aggregaten eine höhere Energieeffizienz bei gleichzeitig sinkendem Schadstoffausstoß abverlangt. Vor diesem Hintergrund werden spezielle Konzepte entwickelt, die den energetischen Wirkungsgrad von Motoren verbessern sollen [SaZi10, S. 17].

Abb. 1: Energiefluss eines Dieselmotors Abb. 1: Energiefluss eines Dieselmotors [LöKa10, S. 29]

Wie im Falle einiger weiterer Energiespartechniken wurde auch das in Schienenfahrzeugen zum Einsatz kommende Verfahren einer Abgaswärmenutzung aus dem Automobilbereich übernommen [TALB02]. Das bei Diesellokomotiven und -triebwagen vorliegende Betriebsprofil erweist sich im Vergleich zu Straßenfahrzeugen nach Experteneinschätzung sogar als geeigneter, um dem hochtemperierten Abgasstrom auf effiziente Weise Nutzenergie zu entziehen. Das Grundprinzip einer entsprechenden Energie(rück)gewinnung besteht darin, im Zuge des Verbrennungsprozesses entstandene Wärme nicht, wie bei konventionellen Triebfahrzeugen üblich, ungenutzt in die Umgebung abzuleiten, sondern für die Erhitzung eines Verdampfermediums einzusetzen. Letztgenanntes wird daraufhin in einer sog. Steamcell entspannt, die wiederum als direkte Antriebsunterstützung fungieren oder elektrische Energie erzeugen kann (Abbildung 2). Darüber hinaus bestehen weitere Abgasverwertungsmöglichkeiten darin, vorhandene thermische Energie über einfache technische Wärmetauscher in Fahrzeuginnenraumheizsystemen oder Abgasturboladern zu verwerten.

Abb. 2: Abwärmenutzungssystem Steamcell (Voith Turbo GmbH)Abb. 2: Abwärmenutzungssystem Steamcell (Voith Turbo GmbH) [Lerc07, S. 26]

Die Motorenindustrie hat im Bereich der Abwärmenutzung von Schienenfahrzeugmotoren verschiedene Lösungsansätze entwickelt. Die Lösungen können in Systeme eingeteilt werden, die die Abwärme zugunsten des Antriebs verwerten und solche, die sie für die Energieerzeugung für die Hilfsbetriebe verwenden. Abbildung 3 stellt die Funktionsprinzipien beider beschriebener Abwärmenutzungssysteme einander gegenüber und verdeutlicht, dass im Sinne eines modularen Aufbaus lediglich die an der Expanderwelle angeflanschte Verbraucherkomponente über die Art der Energieverwertung entscheidet. Davon abgesehen verfügen beide Systeme über einen identischen Aufbau.



Abb. 3: Funktionsprinzip Abgaswärmenutzung für Antrieb (links) und Elektrogenerator für Hilfsbetriebe (rechts)Abb. 3: Funktionsprinzip Abgaswärmenutzung für Antrieb (links) und Elektrogenerator für Hilfsbetriebe (rechts) [Bart09, S. 23] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Nachfolgend wird beispielhaft das Wirkungprinzips eines Systems der ersten Gruppe an dem von der der Firma Voith Turbo GmbH & Co. KG angebotenen Produkt SteamTrac erläutert. Ein Hubkolbenexpander wandelt hierbei aus dem Abgasstrom gewonnene Energie in mechanische Arbeit um und führt sie dem Antriebsstrang zu. Die hinsichtlich Gewichts- und Raumanforderungen auf mobile Anwendungsspektren ausgelegte Systemlösung ist laut Hersteller in der Lage, den Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß eines Dieseltriebfahrzeuges abhängig vom jeweils vorliegenden Einsatzprofil um 3 bis 7 % zu reduzieren bzw. dessen Traktionsleistung ohne Steigerungen des Kraftstoffverbrauchs entsprechend anzuheben [VOITH10]. Ein Prototyp des StreamTrac-Systems wurde im Sommer 2011 in einen NE81-Triebwagen der Südwestdeutschen Verkehrs-Aktiengesellschaft (SWEG) eingebaut und soll zusammen mit einer weiteren Anlage Daten über die tatsächlich realisierten Kosten- und Kraftstoffeinsparungen liefern [Müll11b].

Alternativ lässt sich aus der Energie der Abwärme mithilfe eines Elektrogenerators Bordstrom erzeugen [Kett11]. Dadurch können Hilfsaggregate wie z. B. Kühlerlüfter, Hydrostatikpumpen, Klima- und Bremsluftkompressoren bedarfsgerecht versorgt werden, ohne dem Traktionsmotor entsprechende Leistungsanteile zulasten des Antriebsstrangs entziehen zu müssen. 

Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Energieeffizienz und Schadstoffemissionen im Schienenverkehr (Stand des Wissens: 05.05.2017)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?344430
Literatur
[Bart09] Bartosch, Stephan Umweltfreundlich auf der Schiene - Voith Powerpacks mit EcoKomponenten, Heidenheim, 2009
[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
[Lerc07] Lerch, Manfred Regionalverkehr aus Sicht der Technik, veröffentlicht in ZEVrail, Ausgabe/Auflage 1-2, Georg Siemens Verlag, 2007/01, ISBN/ISSN 1618-8330
[LöKa10] Löffler, Günter , Kache, Martin , Steglich, Uwe , Vogler, Christian Steigerung der Energieeffizienz dieselhydraulischer Triebwagen, veröffentlicht in Eisenbahn-Ingenieur, Ausgabe/Auflage 03/10, DVV Media Group GmbH / Hamburg , 2010/03, ISBN/ISSN 0013-2810
[Müll11b] Müller, Christoph Diesel-Regionaltriebwagen mit Hybridtechnik, veröffentlicht in Eisenbahntechnische Rundschau, Ausgabe/Auflage 12/2011, DVV Media Group GmbH, Hamburg, 2011/12, ISBN/ISSN 0013-2845
[SaZi10] Sandig, Rainer, Zikoridse, Gennadi Sinkende Grenzwerte treiben Entwicklung voran, veröffentlicht in Internationales Verkehrswesen - Spezial September 2010 GreenTech: Energieeffiziente Fahrzeugtechnik, Ausgabe/Auflage 09/10, DVV Media Group GmbH / Hamburg, 2010/09
[TALB02] Talbi, M., Agnew, B. Energy recovery from diesel engine exhaust gases for performance enhancement and air conditioning, veröffentlicht in Applied Thermal Engineering, Ausgabe/Auflage 22/6, 2002, Online-Referenz doi:10.1016/S1359-4311(01)00120-X
[VOITH10] o. A. SteamTrac-System - Abwärmenutzungssystem für Schienenfahrzeuge, Heidenheim, 2010
Glossar
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.
CO
= Kohlenstoffmonoxid. Eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffdioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Es ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Kohlenstoffmonoxid beeinträchtigt die Sauerstoffaufnahme von Menschen und Tieren. Schon kleine Mengen dieses Atemgiftes haben Auswirkungen auf das Zentralnervensystem.
Es entsteht bei der unvollständigen Oxidation von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Dies erfolgt zum Beispiel beim Verbrennen dieser Stoffe, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht oder die Verbrennung bei hohen Temperaturen stattfindet. Kohlenstoffmonoxid selbst ist brennbar und verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Hauptquelle für die CO-Belastung der Luft ist der Kfz-Verkehr.
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/?343647

Gedruckt am Mittwoch, 22. Mai 2019 20:41:53