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Maßnahmen zur Fahrwiderstandsreduktion im Schienenverkehr

Erstellt am: 03.03.2011 | Stand des Wissens: 08.03.2017
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Der Energieverbrauch, der zur Überwindung des Fahrwiderstands anfällt, kann gesenkt werden, wenn der Roll- und Luftwiderstand reduziert werden. Ansatzpunkte bieten die Verringerung des Fahrzeuggewichts durch Leichtbau, Maßnahmen am Fahrwerk (Drehgestelle) sowie die Optimierung des aerodynamischen Designs, vor allem bei schnell fahrenden Zügen. Die Leichtbauweise birgt besonders im Schienenpersonennahverkehr (SPNV) mit seinen häufigen Beschleunigungs- und Bremsvorgängen relevantes Einsparpotenzial. [Grün06]

Leichtbau

Herkömmliche Personenzüge weisen eine spezifische Fahrzeugmasse von 400 bis 800 kg pro Sitzplatz auf, auch wenn einige Modelle deutlich höhere Werte erreichen. Obwohl es eisenbahnspezifische Begrenzungen hinsichtlich einer Gewichtsreduzierung gibt, können sowohl der japanische Hochgeschwindigkeitszug Shinkansen (537 kg/Sitz) als auch die Kopenhagener Regionalbahn (342 kg/Sitz) als Beispiele für konsequenten Leichtbau bei Nah- und Fernverkehrsfahrzeugen angesehen werden [HaPr09a]. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass die entsprechenden Werte nicht nur eine abhängige Größe der jeweiligen Wagenkonstruktion repräsentieren, sondern ebenfalls von der vorgesehenen Raumnutzung abhängen, d. h. durch größere Fahrgastkapazitäten kann das spezifische Gewicht pro Sitzplatz weiter reduziert werden. Der spanische Fahrzeughersteller Patentes Talgo S.L. nennt für sein neues Hochgeschwindigkeitskonzept "Avril" eine Leermasse von 297 t bei einer Gesamtzuglänge von 200 m. Werden die betreffenden Züge mit der maximalen Anzahl an Sitzplätzen bestückt (rund 780), resultiert daraus ein ausgesprochen geringes spezifisches Fahrzeuggewicht von 381 kg/Sitz [RAIT09]. Speziell im Hochgeschwindigkeitsverkehr kann jedoch nicht beliebig viel Gewicht eingespart werden, da ungünstige Seitenwindverhältnisse die Entgleisungsgefahr erhöhen können. Die Potenziale zur Gewichtsreduktion von Schienenfahrzeugen verdeutlicht die in Abbildung 1 dargestellte typische Aufteilung des Fahrzeuggewichts auf einzelne Komponenten.


Anteile_FZmasse.jpgAbb. 1: Anteile einzelner Komponenten an der Gesamtfahrzeugmasse (eigene Darstellung nach [UIC02e])


Generell sind durch Leichtbaumaßnahmen bei Elektrotriebzügen Antriebsenergieeinsparungen von bis zu 30 % realisierbar. Auch für dieselbetriebene Fahrzeuge ergeben sich nennenswerte Energieeffizienzpotenziale (Abbildung 2). So könne laut dem Verband der Bahnindustrie in Deutschland e.V. der Energieverbrauch konventioneller Dieselregionaltriebzüge durch eine zehnprozentige Massenreduktion jährlich um 70 Megawattstunden reduziert werden, was eine Vermeidung von CO2-Emissionen in Höhe von ungefähr 46 t CO2 pro Fahrzeug zur Folge hätte. [; DiPa13]



Energieeinsparungen.JPGAbb. 2: Simulationsergebnisse zur Energieeinsparung bei Nahverkehrsfahrzeugen durch Leichtbaukonstruktion (links: Gesamt-Energiebedarf, rechts: Energieeinsparung bezogen auf prozentuale Gewichtsreduktion, BR 611: Dieseltriebzug, BR 423: Elektrotriebzug) [DiPa13] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)



Grundsätzlich lassen sich zwei Massenreduktionsansätze unterscheiden [UIC02e]:

komponentenbasierte Leichtbauweise: einzelne Elemente werden durch den Einsatz neuer Fertigungsweisen und Materialien gewichtsoptimiert (komplettes Zugkonzept wird nicht beeinflusst)
  • systembasierte Leichtbauweise: zur Gewichtsreduktion erfährt das komplette System "Zug" eine Modifizierung


Ein Beispiel für die komponentenbasierte Leichtbauweise ist insbesondere die Verwendung von Aluminium oder Verbundmaterialien, durch die das Fahrzeuggewicht um bis zu 30 % gesenkt werden kann [Smax08]. Eine Bauweise unter Verwendung von Aluminium-Strangpressprofilen etwa vermindert den Energieverbrauch des leichten Regionaltriebwagens FLIRT von Stadler. Eine Aluminiumkonstruktion kam auch beim ICE 3 zum Einsatz, wurde jedoch im ICE 4 wieder durch Stahlbau ersetzt, da sich dieser bei Beschädigungen leichter ausbessern lässt (Neue Quelle [Welt11]. Im Falle des siebenteiligen Neigezuges ICE-T wurde anders als bei älteren ICE-Baureihen die Optik des durchgehenden Fensterbandes durch eine Lackierung nachgeahmt und dadurch Masse eingespart. Die FICAS-Technologie (Fully Integrated Carbody Assembly System) ermöglicht ferner eine modulare Sandwich-Bauweise, bei der Edelstahlbleche mit einem mittigen starren Schaumkern verklebt werden. Diese Vorgehensweise basiert auf Konstruktionstechniken, die bisher im Schiffs- und Flugzeugbau erfolgreich eingesetzt worden sind. Mit Hilfe der neuen Konstruktionsmethode lassen sich Seitenwände um bis zu 12 cm dünner gestalten, wodurch einerseits mehr Nutzfläche geschaffen und zugleich das Fahrzeuggewicht um mehrere Tonnen reduziert werden kann. Diese Maßnahmen beschränken sich allerdings auf Neufahrzeuge. Bei bestehenden Fahrzeugflotten sind Gewichtsreduktionspotenziale insbesondere durch eine Erneuerung der Innenausstattung zu erschließen (wie z. B. dem ICE 1- und ICE 2-Redesign). Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht ebenfalls an der Leichtbauweise für den Zugverkehr. Durch die Multi-Material-Bauweise wird angestrebt, für jedes einzelne Zugelement das Gewicht durch Leichtbauweise möglichst gering zu halten. Dieses Baukastenprinzip besteht, wie in Abbildung 3 dargestellt, aus tragenden Elementen und daran aufgehängten Zwischenelementen in Rippenstruktur und in Leichtbauweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff [WINT12a].



Leichtbauweise.PNGAbb. 3: Konstruktionsmodel eines Zugelements [WINT12a]. (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)


Die systembasierte Leichtbauweise fokussiert in erster Linie die Anordnung der Drehgestelle, da die betreffenden Komponenten normalerweise für ein Drittel der Fahrzeugmasse verantwortlich sind. Bei sog. Jacobs-Drehgestellen sind im Gegensatz zu konventionellen Zügen je zwei Wagen auf einem Drehgestell gelagert, sodass die Anzahl der benötigten Baugruppen gesenkt und dadurch ebenfalls das Fahrzeuggesamtgewicht reduziert werden kann. Fahrzeugspezifische Energieverbräuche lassen sich durch diese Maßnahme um 2 bis 5 % verringern. Unter Annahme einer 5- bis 20-prozentigen Flottendurchdringung wird das fahrzeugparkübergreifende Einsparpotenzial auf 1 bis 2 % geschätzt [Grün06]. Zum Einsatz kommt ein entsprechendes Konstruktionsprinzip wie zum Beispiel bei den spanischen TALGO-Zügen.


Für Fahrzeuge des SPNV (bspw. Regional- und S-Bahn) werden heutzutage nahezu ausschließlich Triebzüge mit Jakobs-Drehgestellen konzipiert. Im Vergleich der Baureihen ET 420 und 423 konnte so - trotz Doppelverglasung und Klimaanlagensysteme der Nachfolgebaureihe 423 - eine Gewichtsersparnis von 23 % realisiert werden. Eine weitere Massenreduktion von 10 bis 20 % lässt sich durch den Übergang auf Einzelfahrwerke erzielen, wie sie bspw. beim - kapazitiv mit dem ET 423 vergleichbaren - S-Tog-Zug der S-Bahn Kopenhagen realisiert wurde (Abbildung 4). [Schi06, UIC02e]



Einsparpotenziale_Leichtbau.jpgAbb. 4: Massereduktion durch Leichtbaukonzept, Beispiel Elektrotriebwagenbaureihen 420, 423 und S-Bahn Kopenhagen (eigene Darstellung nach [Schi06])



Drehgestell

Den Dregestellen kommt eine zentrale Bedeutung bei der Reduktion des Fahrwiderstands zu. Sei es, wie bereits geschildert, aufgrund ihres Anteils am Fahrzeuggewicht oder ihrer Auswirkungen auf die Aerodynamik des Zuges (s. u.). Darüber hinaus bestimmt sich der jeweilige Fahrwiderstandswert jedoch auch aus den gegebenen Radlaufeigenschaften auf der Schiene, die maßgeblich durch die eingesetzten Drehgestelle beeinflusst werden.

Ein deutsch-schweizerisches Konsortium unter Beteiligung der Technischen Universität Berlin und der Josef Meyer Waggon AG (Rheinfelden) entwickelte und erprobte vor diesem Hintergrund z. B. das "Leichte und lärmarme Drehgestell" (LEILA-DG). Durch die über Kreuzanker vermittelte Radialeinstellung der Achsen im Bogen können Lärmemissionen, Energieverbrauch und Verschleiß bei Bogenfahrt verringert werden. Der fahrwiderstandsinduzierte Energieverbrauch verringert sich pro Wagen je nach Streckenführung um 3 bis 25 % (Luft- und Steigungswiderstand bleiben bei dieser Berechnung unberücksichtigt) [HeKe06]. Zusätzliche energetische Vorteile ergeben sich aus der realisierten baugruppenspezifischen Gewichtsreduktion. Im Rahmen der Konstruktion wurden geeignete Möglichkeiten berücksichtigt, um vorhandene Wagenparks nachträglich mit LEILA-DG ausrüsten zu können.

Der Hersteller Bombardier Transportation hat im Rahmen seines Umweltprogramms ECO4 ebenfalls Fahrwerke entwickelt, die einen nennenswerten Gewichtsvorteil von ca. 30 % gegenüber konventionellen Drehgestellen aufweisen (Abbildung 5). Zudem ist es hier gelungen, aufgrund einer kompakteren Bauform auftretende aerodynamische Widerstände zu verringern. [Bomb09a, Sief10]



flexx.JPGAbb. 5: Gewichtsreduziertes Drehgestell der Firma Bombardier Transportation GmbH [Bomb09a]



Aerodynamik

Die Aerodynamik eines Zuges wird von mehreren Faktoren beeinflusst wie z.B. Luftwiderstand, Seitenwindstabilität und Windschatten. Außerdem muss zwischen der Aerodynamik innerhalb und außerhalb von Tunneln unterschieden werden. Moderne Tunneldesigns können durch optimierte Luftströme Luftwiderstände reduzieren [WINT12] und [HERB14]. Außerhalb der Tunne erhöht sich mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit der korrespondierende Luftwiderstand quadratisch. Daher kommt Aspekten der Aerodynamik insbesondere im stark wachsenden Hochgeschwindigkeitssegment eine entscheidende Rolle bei der Energieeffizienzsteigerung von Schienenfahrzeugen zu. Ein Problem bei der Optimierung der Aerodynamik ist, dass Abweichungen zwischen den Ergebnissen der verfügbaren mathematischen Methoden und den Tests der Modelle im Windtunnel bestehen. Demnach besteht die Herausforderung darin, beide Analysewerkzeuge anzugleichen [WINT12a].

Der Luftwiderstand wird von zwei wesentlichen Faktoren bestimmt: der Fahrzeuggeometrie und dessen Oberflächenbeschaffenheit. Mit Blick auf den Luftwiderstand lässt sich eine differenzierte Beitragsbetrachtung verschiedener Fahrzeugelemente vornehmen (Abbildung 6).



aerodynamik.jpgAbb. 6: Anteile verschiedener Fahrzeugbestandteile am Luftwiderstand (Fallbeispiel eines vierzehnteiligen Hochgeschwindigkeitszuges, eigene Darstellung nach [UIC02e])


Daraus wird ersichtlich, dass die Frontpartie einen geringeren Widerstandseffekt verursacht als häufig angenommen (bei kurzen Zügen mit einem bis drei Wagen nimmt ihr Einfluss allerdings deutlich zu). Stattdessen verursachen die Drehgestelle einen erheblichen Anteil des Luftwiderstands. Allein durch eine seitliche Abschirmung können Energieeinspareffekte von rund 10 % erzielt werden. Sogenannte „bogie skirts“, die um die Fahrgestelle angebracht werden, reduzieren den Windschatteneffekt signifikant, wenn diese am hinteren Teil des Zuges angebracht erden, nicht jedoch am vorderen [HERB14]. Scharfe Übergänge in der Fahrzeugoberflächengeometrie sind hingegen zu vermeiden und Wagenübergänge entsprechend zu gestalten. Weitere Handlungsansätze ergeben sich aus der aerodynamischen Optimierung des Unterflurbereichs sowie der Türen und Fenster [UIC02e].
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
[Bomb09a] o. A. Aktive Umwelttechnologien - FLEXX Eco Drehgestell, 2009
[DiPa13] Dittus, Holger, Pagenkopf, Johannes, Friedrich, Horst E., Energiebedarfs- und Kostenreduktion durch Leichtbau bei Schienenfahrzeugen, veröffentlicht in ZEVrail, Ausgabe/Auflage 11-12/2013, Georg Siemens Verlag, Berlin, 2013/11, ISBN/ISSN 1618-8330
[Grün06] Grünwald, Reinhard Perspektiven eines CO2- und emissionsarmen Verkehrs - Kraftstoffe und Antriebe im Überblick, 2006/07
[HaPr09a] Hazeldine, Tom, Pridmore, Alison, Nelissen, Dagmar, Hulskotte, Jan EU Transport GHG: Routes to 2050 - Technical Options to reduce GHG for non-Road Transport Modes (Paper 3), 2009/10/30
[HeKe06] Hecht, Markus, Keudel, Johannes Verbesserte Energieeffizienz durch radialeinstellendes Fahrwerk, veröffentlicht in Eisenbahningenieur, Ausgabe/Auflage 05, 2006/05
[HERB14] Herbst, A.H., Muld, T.W., Efraimsson, G. Aerodynamic prediction tools for high-speed trains, veröffentlicht in International Journal of Rail Transportation, Ausgabe/Auflage 2/1, 2014, Online-Referenz doi:10.1080/23248378.2013.878295
[RAIT09] o.A. Talgo Avril very high speed train, Spain, 2009
[Schi06] Schnidler, Christian Leichtbau im SPNV aus Sicht der Konstruktionsmethodik, veröffentlicht in ZEVrail, Ausgabe/Auflage 04, 2006/04
[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
[Smax08] Smaxwil, Friedrich Innovative Bahntechnologie schützt Klima und Umwelt, veröffentlicht in Internationales Verkehrswesen, Ausgabe/Auflage 05, DVV Media Group, 2008/05
[UIC02e] o.A. Energy efficiency strategies for rolling stock and train operation, 2002
[Welt11] Doll, Nikolaus Deutsche Bahn erntet für den "ICEng" Hohn und Spott, 2011/07/24
[WINT12a] Winter, Joachim Novel Rail Vehicle Concepts for a High Speed Train: The Next Generation Train, 2012, Online-Referenz doi:10.4203/ccp.98.22
Glossar
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.
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.
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.
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/?343671

Gedruckt am Montag, 26. August 2019 01:08:13