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Einfluss einer angepassten telematikgestützten Fahrverhaltensstrategie auf die Energieeffizienz im Schienenverkehr

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

Der Energieverbrauch eines Schienenfahrzeugs ist nicht nur abhängig von seinen technischen Merkmalen, sondern wird - wie etwa bei Kraftfahrzeugen - entscheidend durch das Fahrverhalten des Triebfahrzeugführers beeinflusst. Nur so können die energiegünstigen Eigenschaften, infrastrukturellen Gegebenheiten und die Nutzung der jeweiligen Betriebssituation in einem energiesparsamen Betrieb zusammengeführt werden. Durch Schulungen in Kombination mit Verbrauchsanzeigen und elektronischen Fahrempfehlungen versucht bspw. der Deutsche Bahn AG Konzern (DB AG), im Rahmen des Projekts "EnergieSparen" den Energieverbrauch seiner Züge zu senken [DBAG07aj, S. 41]. In das Programm sind 14.000 Triebfahrzeugführer des Personenverkehrs und 5.600 des Güterverkehrs eingebunden [STRO04].


Energiesparende Fahrweise

Grundidee einer energiesparenden Fahrweise (ESF) ist die wirtschaftliche Ausnutzung in den Fahrplan integrierter Fahrzeitreserven. Betreffende Fahrstrategien haben nach Ansicht der Union Internationale des Chemins de fer (UIC, dt. Internationaler Eisenbahnverband) das höchste Potenzial aller im Rahmen einer Studie untersuchter Einzelmaßnahmen zur Energieersparnis [UIC03b, S. 90].

Fahrzeitreserven in Form von Zuschlägen auf die technisch mögliche Fahrzeit werden in den Fahrplan eingebaut, um Unregelmäßigkeiten sowie Geschwindigkeitsdrosselungen infolge von Baustellenarbeiten auszugleichen und somit einen hohen Pünktlichkeitsgrad zu erreichen. Treten derartige Störungen bei einer Zugfahrt nicht auf, so würde der nächste Haltepunkt unter Geschwindigkeitsbeibehaltung vorzeitig erreicht, was aus betrieblichen Gründen ein Anhalten des Zuges am Einfahrsignal erzwingen könnte. Der zusätzliche Brems- und Anfahrvorgang führt zu einem suboptimalen Energieverbrauch. Erfahrene bzw. geschulte Triebfahrzeugführer nutzen nicht beanspruchte Reservezeiten, indem sie ihre Fahrt vor dem Bahnhof verlangsamen, um möglichst exakt zur ausgewiesenen Ankunftszeit einzutreffen. Abbildung 1 zeigt zwei verschiedene ESF-Strategien im Vergleich mit dem zeitoptimalen Fahrtverlauf zwischen zwei Halten. Den Einfluss derartiger ESF auf den Energieverbrauch illustriert die DB AG mit dem Beispiel einer ICE-Fahrt von München nach Hamburg. Hiernach kann unter optimalen Bedingungen 4.000 kWh Strom eingespart werden. Dies entspricht dem durchschnittlichen Jahresverbrauch einer vierköpfigen Familie. [DBAG07h; DBAG10x]



Abb. 1: Energieoptimale Fahrtverläufe bei unterschiedlichen FahrtzeitenAbb. 1: Energieoptimale Fahrtverläufe bei unterschiedlichen Fahrtzeiten [AlBi11, S. 40] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Nachdem sich das 2002 gestartete Projekt "EnergieSparen" der DB AG zunächst auf den Schienenpersonenverkehr beschränkte, fand im Jahr 2005 eine entsprechende Ausweitung auf den Schienengüterverkehr statt. Laut der DB AG ist bei einer Fahrzeitreserve von einem Prozent eine Einsparung von 6 % möglich [DBAG10x]. Als Zielwert des Projekts wurden für den Personenverkehr jedoch gar 10-prozentige Effizienzsteigerungen definiert; im Güterverkehr sollen 45 % der elektrischen Energie und 4 % Dieselkraftstoff eingespart werden [Pelc07, S. 25].


Assistenz- und Steuerungssysteme

Neben einer Vermittlung wirtschaftlicher Fahrstrategien im Rahmen der Ausbildung und dem Angebot von Energiespartrainings auf Triebfahrzeug-Fahrsimulatoren bilden rechnergestützte Assistenz- sowie automatisierte Steuerungssysteme wichtige Bausteine des DB-konzerneigenen Effizienzoptimierungsprogramms. Hierbei muss man zwischen zugbasierte und netzbasierte Assistenzsystemen unterscheiden [Pelc07, S. 25 f. und KRIM09].

Zugbasierte Assistenzsysteme wurden zunächst bei Stadtschnellbahnen erprobt, da hier besonders hohe Einsparpotenziale aufgrund der großen Verkehrsdichte vorzuliegen schienen. Das Fahrerassistenzsystem der Hamburger Hochbahn AG zeigt dem Fahrpersonal bei der Abfahrt an der Haltestelle die optimale Abschaltgeschwindigkeit für den nächsten Streckenabschnitt. Diese wird dynamisch laut der aktuellen Fahrplanlage ermittelt und ermöglicht somit auch die sekundengenaue Pünktlichkeit. Diese muss jedoch nicht notwendigerweise eingehalten werden, da erst größere Abweichungen vom Fahrplan in die abrechnungsrelevante Pünktlichkeit einfließen. Eine Flexibilisierung der Ankunftszeiten kann hingegen zu zusätzlichen Energieeinsparungen führen. [BiAl13, S. 25 f.]

In einer zweiten Testphase kamen Systeme zur ESF im Hochgeschwindigkeitsverkehr (ICE-Triebzügen) zum Einsatz. Das ESF-Modul des Systems "Elektronischer Buchfahrplan und Langsamfahrstellen" (EBuLa) berechnet und empfiehlt optimale Abschaltpunkte, sodass der jeweilige Zug ohne weitere Antriebsleistung pünktlich bis zum nächsten planmäßigen Halt (Signal, Bahnhof) rollen kann. Hierbei werden Informationen über die aktuelle Position, die Solldaten gemäß Fahrplan und die Topografie verarbeitet [Scha10, S. 14]. Versuche ergaben eine durchschnittliche Energieverbrauchssenkung durch ESF-Bordgeräte um 8,4 %. Daraufhin wurde eine vollständige Ausrüstung der bestehenden ICE-Flotte beschlossen. Bis Anfang 2005 erhielten sämtliche Hochgeschwindigkeitstriebköpfe der Baureihen 401 und 402 ein entsprechendes Assistenzsystem [Lehm07, S. 400]. Weiterführend wurden ESF-Systeme für lokomotivbespannte Züge entwickelt, da Berechnungen nahegelegt hatten, dass allein eine Aufrüstung der Lokbaureihe 101 jährliche Einsparvolumina von etwa 35 Mio. kWh birgt. Aufgrund der variablen Wagenzugzusammenstellung und der Notwendigkeit einer satellitengestützten Ortung konnte das System nicht analog vom ICE übernommen werden [Lehm07, S. 399 ff.]. Gegenwärtig gehört das EBuLa-System zum Standard bei den Fahrzeugen der DB AG und die DB Fernverkehr AG hat alle Bordgeräte mit einem ESF-Modul ausgerüstet [Habe11, S. 23]. Abbildung 2 zeigt die grundlegenden, für eine zielgenaue Fahrempfehlungsberechnung erforderlichen Eingangsgrößen.



Abb. 2: Grundprinzip der ESF-UnterstützungAbb. 2: Grundprinzip der ESF-Unterstützung [Lehm07, S. 401]

Seit 2008 findet das System EBuLa zusätzlich im Schienenpersonennahverkehr (SPNV) Verwendung. Dabei wurden 231 für diesen Einsatzzweck bestimmte Lokomotiven innerhalb von zwei Jahren mit dem Assistenzcomputer ausgestattet. Die Auswertung der Fahrdaten ergab, dass sich dadurch eine Reduktion des Energieverbrauchs in Höhe von 2-4 % realisieren lässt [Scha10, S. 14].

Zusätzlich zu den EBuLa-Geräten informiert das System "Traktions-Energie Messung und Abrechnung" (TEMA-Box) das Fahrpersonal über den aktuellen Stromverbrauch und sendet entsprechende Werte per GSM an die DB Energie GmbH [DBAG07aj, S. 41].

Als Beispiele für weitere, vergleichbare Assistenzsysteme für SPNV-Fahrzeuge können das System „Ecotrainbook FASSI“ oder das 2011 in einem Pilotprojekt erprobte Fahrerassistenzsystem "InLineFAS" genannt werden. Letzteres System zeichnet sich durch die Unabhängigkeit der technischen Lösung von den Fahrzeugschnittstellen aus. Zur GPS-Ortung sowie der Anzeige der Fahrempfehlungen an den Fahrer wurde hier ein handelsübliches Smartphone verwendet. Während des Testbetriebs im Diesel-Regionalnetz der Transdev Sachsen-Anhalt GmbH konnten auch mit diesem technisch vergleichsweise einfachen System absolute Kraftstoffeinsparungen von etwa 5 % erreicht werden. [AlPa12, S. 66 ff.; KuGe10]. Weitere europäische Entwicklungen im Bereich der Optimierung von Fahrregimen sind der “Driving Style Manager“ von Bombardier, der „GE Tripoptimizer“ von General Electric und „Gekko“, ein System aus Dänemark [KRIM09].

Neben den dynamisch zugbasierten Assistenzsystemen gibt es noch dynamisch netzbasierte Einsparsysteme. Diese beziehen sich vor allem auf die Gleisbelegung und werden vom Netzbetreiber kontrolliert. Dabei wird ermittelt, wie häufig Konfliktsituationen auftreten, z.B. Haltesignale aufgrund von Verkehrsdichte, um diese für eine Progronose zu nutzen, in welchem Zeitraum die Strecke frei ist. Anhand der Prognose wird die optimale und energieeffizienteste Geschwindigkeit bis zum nächsten Halt zu ermitteln. Die Prognose ist eine Wahrscheinlichkeitsberechnung zu einer potenziellen Gleisbelegung aus zuvor ermittelten Gleisbelegungsdaten des Netzbetreibers. Damit werden unnötige Bremsvorgänge reduziert [KRIM09].



Einsparungsergebnisse

Allein im Personenverkehr konnte die DB AG nach eigenen Angaben seit 2002 rund 270 Gigawattstunden Strom einsparen, sodass bis 2008 eine CO2-Emissionssenkung von ca. 200.000 Tonnen realisiert werden konnte [Scha10, S. 16]. Ergänzt um den Minderverbrauch an Diesel und darüber hinausgehend erzielte Effizienzgewinne der Güterverkehrstochter DB Schenker Rail Deutschland AG, welche besagtes Energiesparprogramm im Jahr 2005 ebenfalls implementierte, gibt das Unternehmen an, dass die Atmosphäre insgesamt um mehr als eine Viertelmillion Tonnen Kohlendioxid entlastet wurde.

Die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) verfolgen vergleichbare personalschulungsbezogene und technische Ansätze mit dem Ziel, 10 % ihrer bislang jährlich benötigten Traktionsenergie bis 2015 einzusparen (Bezugsjahr 2008). Dabei unterscheiden sich hier verwendete Fahrstrategien allerdings von denen des deutschen Wettbewerbers. Die SBB legt verstärkt Wert auf ein optimiertes Bremsverhalten. Dabei wird ein gleichmäßiger Traktionsleistungseinsatz unter Beibehaltung der gegenwärtigen Geschwindigkeit (sog. verlängerter Cruising-Abschnitt) favorisiert, an welchen sich ein zunächst ausschließlich mittels elektrischer Bremssysteme eingeleiteter Verzögerungsprozess zwecks Energierückgewinnung anschließt. Erst unterhalb einer Geschwindigkeit von 40 km/h erfolgt die Zuschaltung mechanischer Bremsen. Die SBB erhofften sich anfangs aufgrund des angepassten Triebfahrzeugführerverhaltens Einsparungen beim Traktionsenergieverbrauch in Höhe von rund 3 %. Mittelfristig sollten Einsparungen um weitere 5 % durch eine durch die Betriebsführung garantierte, möglichst flüssige Verkehrsabwicklung erreicht werden. Nach einem Jahr Laufzeit des Lokführertrainings wurden die Projektziele bereits mit doppelt so hohen Einsparungen deutlich übertroffen. [Eich09, S. 4 f.; LeMe09, S. 88]. Allgemein versprechen Optimierungsansätze, welche die Prozesse von “cruising” und “coasting” kombinieren und auf einem Algorithmus automatischer Zugsteuerung basieren, eine Effizienzsteigerung von bis zu 14,5 % [OZHI16].


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
[AlBi11] Albrecht, Thomas, Binder, Anne, Gassel, Christian Energie- und betriebseffiziente Fahrweisen im Eisenbahnverkehr, veröffentlicht in Der Eisenbahningenieur, Ausgabe/Auflage 02/2011, DVV Media Group GmbH, Hamburg, 2011/02, ISBN/ISSN 0013-2810
[AlPa12] Albrecht, Thomas, Pathe, Matthias Pilotierung eines Assistenzsystems zur kraftstoffsparenden Fahrweise im SPNV, veröffentlicht in Eisenbahningenieur, Ausgabe/Auflage 09/2012, DVV Media Group GmbH, Hamburg, 2012/09, ISBN/ISSN 0013-2810
[BiAl13] Binder, Anne, Albrecht, Thomas, Bergner, Ulrich Energieeffiziente Fahrweise bei der Hamburger U-Bahn, veröffentlicht in Der Nahverkehr, Ausgabe/Auflage 09/2013, Alba Fachverlag, Düsseldorf, 2013/09, ISBN/ISSN 0722-8287
[DBAG07aj] Weiß, Alexandra, Westenberger, Peter, Krohn, Olaf Nachhaltigkeitsbericht 2007, Berlin, 2007/07
[DBAG07h] o.A. Energiesparsame Fahrweise - Lokführer werden für den Energieverbrauch sensibilisiert, 2007/04
[DBAG10x] o. A. Klimaschutz in Fahrt - Energiespartraining mit der Deutschen Bahn, Berlin, 2010/12
[Eich09] Eichenberger, Ruedi "Ecodrive" fährt Sparerfolge ein, veröffentlicht in SBB-Zeitung, Ausgabe/Auflage Heft Nr. 10/2009, Bern, 2009/05/20
[Habe11] Habermann, Volker Effiziente Energieverwendung bei DB Fernverkehr, veröffentlicht in Deine Bahn, Ausgabe/Auflage 08/2011, Bahn Fachverlag GmbH, Berlin, 2011/08, ISBN/ISSN 0948-7263
[KRIM09] Krimmling, Jürgen Energieoptimierte Fahrweisen im schienengebundenen (Nah)Verkehr, 2009, Online-Referenz http://www.dlr.de/ts/Portaldata/16/Resources/dokumente/vk/Vortrag_Krimmling_090702.pdf
[KuGe10] Kusche, Manuela, Geipert, Steffen Ecotrainbook - Driver assistance system, Frankfurt, 2010/04/28
[Lehm07] Lehmann, Helmut, Dipl.-Ing. Energiesparende Fahrweise bei der Deutschen Bahn, veröffentlicht in Elektrische Bahnen, Ausgabe/Auflage 07/2007, Oldenbourg Industrieverlag/München , 2007/09, ISBN/ISSN 0013-5437
[LeMe09] Lerjen, Markus, Meyer, Markus Energie sparende und pünktliche Fahrweise bei den SBB, veröffentlicht in eb - elektrische Bahnen, Ausgabe/Auflage 01/09, Oldenbourg Industrieverlag / München , 2009/02, ISBN/ISSN 0013-5437
[OZHI16] Ozhigin, Artem , Prunev, Pavel , Sverdlin, Victor , Vikulina, Yulia Development of an algorithm for energy efficient automated train driving, Proceedings of the 8th European Congress on Embedded Real Time Software and Systems, TOULOUSE, France., 2016
[Pelc07] von Pelchrzim, Heike EnergieSparen in der Bahnpraxis, veröffentlicht in Deine Bahn, Ausgabe/Auflage 01, 2007/01, ISBN/ISSN 0948-7263
[Scha10] Schaal, Virginia Lokführer sorgen für gutes Klima - Energiesparmaßnahmen im Personenverkehr, veröffentlicht in Deine Bahn, Ausgabe/Auflage 02/10, Bahn-Fachverlag GmbH / Berlin, 2010/02, ISBN/ISSN 0948-7263
[STRO04] Deutsche Bahn Personenverkehr GmbH (Hrsg.) Keep Kyoto on track - The EnergieSparen Projekt, 2004
[UIC03b] Dr. Roland Nolte (IZT), , Felix Würtenberger (IZT) EVENT - Evaluation of Energy Efficiency Technologies for Rolling Stock and Train Operation of Railways, 2003/03
Glossar
Schienengüterverkehr
Unter Schienengüterverkehr (SGV) wird der Transport von Gütern mit der Eisenbahn verstanden. Diese werden in Güterzügen unter Verwendung (spezieller) Güterwagen befördert. Diese Verkehre können entweder auf gesonderten Güterverkehrsstrecken oder im Mischverkehr, auf gemeinsam durch den Güter- und Personenverkehr genutzten Strecken, realisiert werden. Leistungen des Schienengüterverkehrs werden häufig als Teil einer Logistikkette in logistische Gesamtkonzepte eingebunden.
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.
Global System for Mobile Communication
Der GSM-Standard (Global System for Mobile Communication) - ursprünglich ein rein europäisches Mobilfunkkonzept - hat inzwischen weltweite Verbreitung gefunden. In Deutschland nutzen die Mobilfunknetzanbieter Deutsche Telekom, Vodafone und Telefonica mit ihren Mobilfunknetzen gegenwärtig die Frequenzbereiche GSM 900 und GSM 1800.
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.
Coasting Coasting beschreibt den Zustand, wenn Traktions- und Bremskraft gleich null sind und nur die Gravitationskraft auf den Zug einwirkt.
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.
kWh
= Kilowattstunde. Die Wattstunde (Einheitenzeichen: Wh) ist eine Maßeinheit der Arbeit und damit eine Energieeinheit. Eine Wattstunde entspricht der Energie, welche eine Maschine mit einer Leistung von einem Watt in einer Stunde aufnimmt oder abgibt.

Im Alltag gebräuchlich und verbreitet ist die Kilowattstunde, das Tausendfache der Wattstunde. In ihr werden vor allem Strom-, aber auch Heizwärmekosten abgerechnet.
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.
Global Positioning System Global Positioning System (GPS), offiziell NAVSTAR GPS, ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung und Zeitmessung. GPS basiert auf Satelliten, die mit kodierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können GPS-Empfänger dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen.
Intercity-Express Intercity-Express (ICE; alte Schreibweise: InterCityExpress) ist eine Zuggattung im deutschen Schienenpersonenfernverkehr und zugleich die Bezeichnung mehrerer Triebfahrzeug-Baureihen der Deutschen Bahn. ICE-Züge werden mit Triebkopf- bzw. Triebzügen bedient, wobei Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 300 km/h erreicht werden. ICE-Verbindungen gehören somit zum Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV) und verkehren in Deutschland sowie grenzüberschreitend nach Österreich, in die Schweiz, nach Frankreich, Belgien, in die Niederlande sowie nach Dänemark.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?343663

Gedruckt am Montag, 20. Mai 2019 00:34:15