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Neue Technologien und betriebliche Innovationen zu einer Reduktion des Energieverbrauchs im Schienenverkehr

Erstellt am: 03.03.2011 | Stand des Wissens: 27.02.2017
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Vor dem Hintergrund steigender Energiepreise steigt die Notwendigkeit für die Eisenbahnverkehrsunternehmen, ihren spezifischen Energiebedarf zu senken. Insbesondere reisezeitverkürzende Hochgeschwindigkeitsverkehre operieren sehr energieintensiv. So verkürzt bspw. eine Temposteigerung von 225 auf 350 km/h die Reisezeit zwischen London und Edinburgh zwar um 45 Minuten, gleichzeitig bringt dies für betreffende Zugfahrten jedoch auch nahezu eine Verdoppelung des Energieverbrauchs mit sich [EEA08].

Die Bahnindustrie zählt jedoch mittlerweile als Pionier für nachhaltige Mobilitätsangebote: Der Schienenpersonenverkehr hat im Zeitraum von 2000 bis 2012 sowohl den Energieverbrauch als auch den Ausstoß des Treibhausgases CO2 (bezogen auf die Verkehrsleistung) wesentlich stärker reduziert als Pkw und Flugzeuge [IFEU13e; IFEU13i; IFEU13]. Ihr Ziel, die spezifischen CO2-Emissionen 2020 gegenüber 2006 um 20 % zu senken, wurde bereits 2014 erreicht. Im Jahr 2015 beläuft sich der Anteil erneuerbarer Energien im Bahnstrommix auf 42%. Um weiterihn als Umweltvorreiter zu gelten, plant die Deutsche Bahn, den Anteil erneuerbarer Energien in ihrem Bahnstrommix weiter zu erhöhen sowie alle spezifischen CO2-Emissionen in Betrieb und Produktion zu senken, u.a. durch kontinuierliche Erneuerung der Fahrzeugflotte [DBAG15b].

Bedeutende Stellschrauben für Energieverbrauchssenkungen

Über die letzten Jahre wurde vermehrt die Entwicklung emissionsarmer Antriebstechnologien vorangetrieben. Dabei wurden Fortschritte bei der Entwicklung des Hybrid- und Brennstoffzellenantriebs erzielt. Mit einer Modernisierung der Antriebsflotte sollen nicht nur emissionsarme Dieselantriebe mit neuwertigen Partikelfiltern eingesetzt werden, sondern auch energieeffiziente Brennstoffzellen. Mit den Brennstoffzellen können Geschwindigkeiten bis zu 140 km/h erreicht werden. Demnach ist die Planung solche Antriebe vor allem im Schienennahverkehr einzusetzen [WILK16] . Auch Hybridkonzepte könnten im Schienenverkehr zukünftig ebenso wie alternative Kraftstoffe eine Rolle spielen.

Als weitere Innovation in der Automobilindustrie wurde die Technologie der Abwärmenutzung in die Verkehrsmittel integriert. Bei der elektrischen Traktion kann während des Bremsvorgangs Energierückgewinnung (Rekuperation) betrieben werden. Diese Technik kommt schon umfassend zum Einsatz, sodass die Deutsche Bahn im Jahre 2013 bereits 14 % des Stromverbrauchs im Nahverkehr und 11 % im Fernverkehr rückspeisen konnte [DBNB13].

Auch durch betriebliche Innovationen kann eine weitere Reduktion des Energieverbrauchs erreicht werden. Intelligente Systeme können helfen, energiesparende Fahrweisen zu unterstützen. Über die letzten Jahre wurden zunehmend Photovoltaikanlagen auf Flächen der Deutschen Bahn installiert. Im Jahre 2013 wurde die bislang leistungsstärkste Anlage in Güsten in Sachsenanhalt in Betrieb genommen [DBNB13]. Auch der Primärenergieverbrauch der Personenbahnhöfe wurde bis 2015 im Vergleich zu 2010 um 17 % gesenkt. Diese Verbesserung wurde vor allem durch die Umrüstung auf LED-Beleuchtung und die Verbesserung der Anlagenfahrweise von Raumluft-, Kälte- und Heizkesselanlagen erreicht [DBAG15b]

Weitere Energiesparpotenziale bieten sich in der Fahrzeugkonstruktion (Reduktion des Fahrwiderstands und Dimensionierung) an [Grün06]. Zwischen den Jahren 2002 und 2005 in Schweden durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass moderne Triebzugangebote trotz höherer Geschwindigkeiten Energieeinsparungen von 25 bis 30 % pro Sitzplatz- oder Passagierkilometer im Vergleich zu lokbespannten Zügen des Jahres 1994 erzielten. Das Gleiche gilt für die Fahrzeugkonstruktion im Güterverkehr. In dieser Kategorie spielen vor allem die Platzierung der Ladung sowie die Abstände zwischen den Waggons eine Rolle [LAI08] _Zu der höheren Energieeffizienz tragen folgende Faktoren bei:

• Verringerung des Fahrwiderstandes
• Implementierung von Systemen zur Energierückgewinnung während eines Bremsvorgangs
• Verringerung der Zugmassen pro Sitzplatz
• Verbesserte Stromversorgungseffizienz
• Ladungsplatzierungs- und Wagonabstandsoptimierung


Diese Ergebnisse erweisen sich als annähernd deckungsgleich mit herstellerseitigen Erfahrungen (vgl. hierzu [Sief10]). Llaut der Bombardier Transportation sind für einen verminderten bzw. steigenden Energieverbrauch neue Fahrzeugkonzepte wie Zugbreite, verbesserte Arodynamik, Energierückgewinnung und verbesserte Energieeffizienz verantwortlich. Generell erhöht sich der Energieverbrauch mit steigender Geschwindigkeit durch den erhöhten Fahrzeugwiderstand [ROCH00]

Die General Electric Company als bedeutender Schienenfahrzeughersteller auf dem von dieselbetriebenen Güterverkehren dominierten US-Markt zeigt für die Zukunft folgende Einsparpotenziale auf:



energy saving potential.jpgAbb. 1: Energieeinsparungspotenzial im System Bahn und damit verbundene Kosten. [DOUG15]



Letztendlich bleibt somit festzuhalten, dass vielfältige Ansatzpunkte zu einer weitergehenden spezifischen Energieverbrauchssenkung bestehen. Neben technischen Maßnahmen, welche sich auf die Optimierung einzelner Fahrzeugkomponenten fokussieren, gewinnen darüber hinaus auch neue ganzheitliche Zugkonzepte sowie innovative Zusatzsysteme verstärkt an Bedeutung. Wie in Abbildung 2 dargestellt, bieten sowohl Diesel- als auch elektrische Traktionssysteme vielerlei Optionen zur Effizienzsteigerung [DOUG15].


Energieeinsparoptionen.PNGAbb. 2: Traktionsenergiefluss für Diesel und Elektrozüge [DOUG15] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)



2016 wurde die 2020 EU Strategie festgelegt, die darauf abzielt u.a. umwelttechnische Leistungen im Transportsektor zu verbessern. Durch Forschungsförderung, vor allem im Bereich Digitalisierung, sollen die Ziele für die Redkution der THG Emissionen, den Ausbau erneuerbarer Energien und der Steigerung der Energieeffizienz erreicht werden. Innerhalb des klima- und energiepolitischen Rahmens der EU soll nach dem Jahr 2020 die Energieeffizienz im Transportsektor um weitere 27 % verbessert werden [MRC16].

Durch die Aufschlüsselung des Energieflusses können besonders energieintensive Systeme ermittelt werden und durch zielgerichtete Maßnahmen effizienter gestaltet werden. Durch die Kombination von vielen Energieeffizienzsteigerungen wie in Abbildung 2 dargestellt, erhält man eine generell verbesserte Energieeffizienz des Gesamtsystems. Das Diagramm stellt hierbei die Kombinationsmöglichkeiten von Energiesystemen und deren Möglichkeiten zur Energieeffizienzsteigerung dar [DOUG15].


Energieeffizienzkombi.PNGAbb. 3: Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen -Optionen zur Gesamtenergieeffizienzsteigerung [DOUG15]. (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)


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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
[AnLu06] Evert Andersson, Piotr Lukaszewicz, Energy consumption and related air pollution for Scandinavian electric passenger trains, 2006, ISBN/ISSN 1650-7660
[DBAG15b] o.A. Deutsche Bahn Integrierter Bericht, Berlin, 2015
[DBNB13] o.A. Kennzahlen und Fakten zur Nachhaltigkeit 2013, 2013
[DOUG15] Douglas, Heather, Roberts, Clive, Hillmansen, Stuart, Schmid, Felix An assessment of available measures to reduce traction energy use in
railway networks, veröffentlicht in Energy and Conversion Management, Ausgabe/Auflage 106, 2015
[EEA08] o.A. Climate for a transport change - TERM 2007: indicators tracking transport and environment in the European Union, Kopenhagen, 2008/01, ISBN/ISSN 9789291671175
[Grün06] Grünwald, Reinhard Perspektiven eines CO2- und emissionsarmen Verkehrs - Kraftstoffe und Antriebe im Überblick, 2006/07
[IFEU13] Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Datenbank Umwelt & Verkehr
2012 - Deutschland - Personenverkehr - Emissionskategorie: WTW - Komponente: Energie (kWh), 2013/11/19
[IFEU13e] Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Datenbank Umwelt & Verkehr
2000/2012 - Deutschland - Personenverkehr - Emissionskategorie: WTW - Komponente: CO2, 2013/11/19
[IFEU13i] Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Datenbank Umwelt & Verkehr
2000/2012 - Deutschland - Personenverkehr - Emissionskategorie: WTW - Komponente: Energie (MJ bzw. kWh) - Verkehrsträger: Schiene, 2013/11/19
[LAI08] Lai, Y.C., Ouyang, Y., Barkan, C.P. A rolling horizon model to optimize aerodynamic efficiency of intermodal freight trains with uncertainty, veröffentlicht in Transportation Science, Ausgabe/Auflage 42/4, 2008, Online-Referenz doi:10.1287/trsc.1080.024
[MRC16] Mekong River Commission (Hrsg.) Strategic Plan 2016-2020, 2016, Online-Referenz doi:10.1017/CBO9781107415324.004
[ROCH00] Rochard, B.P., Schmid, F. A review of methods to measure and calculate train resistances, veröffentlicht in Journal of Rail and Rapid Transit, Ausgabe/Auflage 214/4, 2000, Online-Referenz doi:10.1243/0954409001531306
[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
[WILK16] Wilkens, Andreas Brennstoffzellen-Züge sollen im deutschen Nahverkehr fahren, 2016/09/20
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).
Erneuerung Im Kontext der Straßenerhaltung bezeichnet der Begriff "Erneuerung" die vollständige Wiederherstellung einer Verkehrsflächenbefestigung oder von Teilen davon, sofern mehr als die Deckschicht betroffen ist. Bei der Bauwerkserhaltung beschreibt der Begriff den Ersatz von Bauteilen oder Bauteilgruppen.
Hybrid
Der Ausdruck Hybrid bedeutet "etwas Gebündeltes, Gekreuztes oder Gemischtes". Es stammt ab von dem lateinischen Fremdwort griechischen Ursprunges Hybrida. In der Technik wird ein hybrides System, aus zwei unterschiedlichen Technologien miteinander kombiniert.
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.
Pkw
Personenkraftwagen (Pkw): Pkw sind nach der Richtlinie 70/156/EWG Fahrzeuge mit mindestens vier Rädern und dienen der Beförderung von maximal 9 Personen (inklusive Fahrzeugführer). Pkw dürfen nur auf den dafür vorgesehenen Verkehrsflächen geführt werden.
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.
Verkehrsleistung Die Verkehrsleistung gibt Auskunft über die Inanspruchnahme von Ressourcen. Als Verkehrsleistung wird die auf eine Zeiteinheit t (zum Beispiel ein Jahr) bezogene Verkehrsarbeit definiert und als Quotient dargestellt. Die Verkehrsarbeit wird dabei als Produkt von Verkehrseinheiten (zum Beispiel Güter, Personen) und der durch diese zurückgelegten Strecke gebildet. In der Verkehrswissenschaft sind die Einheiten Personenkilometer pro Jahr [Pkm/a] bzw. Tonnenkilometer pro Jahr [tkm/a] gebräuchlich.
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.
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/?343667

Gedruckt am Freitag, 18. Oktober 2019 10:37:53