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Energiemanagement im Schienenfahrzeugbau
Von Herbert Zimmermann,
Geschäftsführer des ZVEI-Fachverbandes Elektrobahnen und -fahrzeuge, Frankfurt am Main
Energieverbrauch von Schienenfahrzeugen ist ein wesentlicher Kostenfaktor. Nahezu 1/3 der Betriebskosten entfallen
hierauf. Deswegen sind schon frühzeitig in der Entwicklung von Schienenfahrzeugen Konzepte entwickelt worden,
den Energieverbrauch möglichst gering zu halten. Die elektrische Bahnindustrie im ZVEI-Zentralverband Elektrotechnik-
und Elektronikindustrie e.V. blickt hier auf eine erfolgreiche technologische Entwicklung mit bemerkenswerten
Energieeinsparerfolgen zurück. Beispielsweise die Drehstromtechnik, die bereits seit über 20 Jahren betriebsreif ist,
hat sich heute bei den elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen durchgesetzt. Sie bietet den Vorteil, dass die während
des Bremsvorganges freiwerdende Energie nicht mehr in ungenutzte Wärme verpufft. Beim Bremsen wird der
Drehstromfahrmotor zum Generator, erzeugt damit erneut Energie und speist diese über einen Frequenzumrichter
wieder zurück in die Oberleitung oder in einen mobilen Akku im Schienenfahrzeug oder in einen stationären Energiespeicher
entlang der Fahrstrecke. Auf diese Weise wird der Energiebedarf von Schienenfahrzeugen und damit die
CO2-Emission des Schienenverkehrs signifikant gesenkt.
Mittlerweile verfügt fast jedes neue
elektrische Schienenfahrzeug über
eine nahezu verlustfreie Leistungssteuerung
und bietet technisch die Möglichkeit,
Bremsenergie zu nutzen oder in
Fahrleitungen zurückzuspeisen. Wechselspannungsnetze
sind heutzutage
überwiegend so hart, dass die zurückgespeiste
Bremsenergie auch tatsächlich
vom Fahrleitungsnetz wieder aufgenommen
werden kann. Gleichspannungsnetze
sind hingegen in der Regel sehr
viel weicher. Wenn nicht in der Nähe
des bremsenden Fahrzeuges ein Abnehmer
für diese Energie vorhanden ist,
kann die Fahrleitung die Bremsenergie
nicht aufnehmen. Sie muss statt dessen
in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt
werden. Verschiedene Untersuchungen
und Messungen belegen, dass in
einem typischen Nahverkehrsnetz ca. 20
bis 30 % der eingespeisten Energie nutzlos
in Wärme umgewandelt werden.
Die Schiene ist aktuell der sauberste Verkehrsträger,
aber er kann sich auf dem
Erreichten nicht ausruhen. Das technische
Innovationspotential der Wettbewerber
bei der Energieeffizienz 2000 bis
2020 ist mit über 20 % höher als bei der
Bahn mit ca. 5 %. Hohe technische Innovationsgeschwindigkeit
der Wettbewerber
könnten den Umweltvorsprung des
Systems Schiene gefährden. Zur Verteidigung
des Umweltvorteils der Schiene
ist eine signifikante Beschleunigung der
technologischen Innovationen erforderlich.
Dazu bieten sich die technischen
Lösungsansätze an: neue Konzepte für
Hilfs- und Nebenbetriebe, Integration
Start-Stop-Automatik, Kaskadierung
von Hilfsbetrieben, neue Konzepte zur
Abstellung und Vorwärmung.
Kernfragen für die nähere Zukunft sind
der Gesamtwirkungsgrad des
Fahrzeugantriebes und seine
Wirtschaftlichkeit. Hierbei
haben Hybridkonzepte als
Übergangslösungen, bis eine
ausgereifte Brennstoffzellentechnologie
zur Verfügung
steht, einiges Potential zu bieten.
Bei dieselelektrischen Fahrzeugen
gibt es systembedingt überhaupt
kein Speisenetz an das
Energie zurückgegeben werden
kann. Technisch gibt es jetzt die
Möglichkeit, einen grundsätzlichen
neuen Freiheitsgrad in
die Systemgestaltung einzubringen.
Die Entwicklung auf
dem Gebiet der Hochleistungskondensatoren
(Supercaps) erlaubt mittlerweile
die Realisierung von Energiespeichern,
die auf dem Fahrweg mitgeführt
werden können. So kann beim Bremsen
zurückgewonnene Energie im Speicher
zwischengelagert und bei der nächsten
Anfahrt wieder verbraucht werden. Neben
Hochleistungskondensatoren kommen
auch Schwungräder und Druckluftspeicher
als mögliche Energiespeicher
in Frage. Alternativ zu diesen Speichern
auf Fahrzeugen werden auch stationäre
Energiespeicher untersucht, die in Unterwerken
von Bahnnetzen eingesetzt
werden.
Die mit Energiespeichern ausgerüsteten
Fahrzeuge benötigen jährlich bis zu 30
% weniger Energie und verursachen bis
zu 80 Tonnen weniger CO2-Emissionen
als Fahrzeuge ohne Energiespeicher. Auf
diese Weise können bis zu 2,5 km ohne
Energieversorgung durch die Oberleitung
gefahren werden, wodurch zugleich
Energie gespart wird. Die Energiespei-
cher laden sich durch das Bremsen während
der Fahrt auf. Die Energiespeicher
können auch durch die Oberleitung
oder durch stationäre Ladestationen
an den Haltestellen aufgeladen werden.
Dadurch wird der Betrieb einer Straßenbahn
auch bei Ausfall- oder Wartungsarbeiten
an der Oberleitung sowie
bei anderen Störungen möglich.
Neben der Ausschöpfung des immer
noch erheblichen Einsparpotentials
durch die Weiterentwicklung des konventionellen
Verbrennungsmotors ermöglicht
die Kombination mit einem
Elektromotor und einem Hochleistungsenergiespeicher
die optimale Wahl des
Betriebspunktes und jeder Fahrsituation
und trägt letztendlich zu einem höheren
Wirkungsgrad bei. Zu innovativen Hybridkonzepten
gehört in erster Linie
die Elektrifizierung und Elektronisierung
von Antriebsstrang und Fahrzeug. Neben
einer modernen Leistungs- und Steuerelektronik
für den Antriebsstrang sind
ebenso leistungsfähige Energiespeicher
Nahverkehr 2010 11