Drahtlose Energie-Übertragung in großem Stil

Die drahtlose Energie-Übertragung wird im Verkehr für stationäre und mobile Systeme bereits eingesetzt, geplant oder zumindest erwogen. Bei den mobilen Anwendungen ist zudem ein monovalentes von einem Hybridsystem zu unterscheiden. Hybrid ist ein System dann, wenn es aus zwei oder mehr Teilsystemen aufgebaut ist, die parallel oder alternativ arbeiten, von denen jedes jedoch die gestellte Aufgabe auch allein bewältigen könnte. Die scheinbar ähnlichen Systeme unterscheiden sich aber vom Konzept her erheblich.

Ortsfeste Systeme

Wie erwähnt, stellt ein gewöhnlicher Transformator auch schon eine Form der »leitungsungebundenen« Übertragung elektrischer Energie dar. Schließlich gibt es auch »Trenntransformatoren«, deren Aufgabe nicht der Übergang auf eine andere Spannungsebene, sondern die Schaffung einer galvanischen Trennung (bei gleicher Nennspannung ein- wie ausgangsseitig) ist. Sich dabei auf die vorhandene Netzfrequenz zu beschränken führt jedoch – räumlich – nicht weit. Um überhaupt irgendetwas zu erreichen, muss man die elektrische Energie in aller Regel auf eine höhere Frequenz umrichten.

Daneben gibt es aber auch – und zwar schon seit langer Zeit – Fälle, in denen sich eine jeweils passende Frequenz so zu sagen »von selbst« heraus bildet. Die zu überbrückende Entfernung mag dabei weniger als 1 mm betragen, aber die Angelegenheit hat ihren Sinn und Zweck darin, dass die Verbindung zwischen einem fest stehenden Bauteil (»Stator«) und einem rotierenden (»Rotor«) berührungsfrei bewerkstelligt werden kann:

Alt: Erregerleisung

Bild 17: Vermeidet man gern, wenn es geht: Schleifkontakte, hier aus C-Cu-Sinterwerkstoff

In Kommutatormotoren und Drehstrom-Schleifringmaschinen stellen die Kommutatoren bzw. Schleifringe bekanntlich die Achillesfersen dar. Die Welle ist in der Regel mit Wälzlagern ausgestattet, und so ist der Kommutator bzw. Schleifring das einzig gleitende Teil des Systems, also das einzige, das starkem Verschleiß unterliegt. Irgendwie muss man aber auch bei einer Synchronmaschine die Erregerleistung in die Läuferwicklung bringen. Schleifringe sind hierfür eine nahe liegende, aber nachteilhafte Lösung. Aufwändiger, aber wesentlich besser ist eine induktive Übertragung. Selbst wenn die Erregerleistung z. B. bei einem großen Kraftwerksgenerator nur 1 ‰ der Nennleistung beträgt, so ist das immer noch 1 MW! Eine permanentmagnetische Erregung, sofern überhaupt machbar, könnte man im Netzbetrieb nicht gebrauchen, weil die Erregung variabel sein muss, um die Generatorspannung regeln zu können. Eine permanentmagnetische Unterstützung wäre denkbar, würde aber die Erregerwicklung nicht erübrigen.

Nun benötigt man zur Bereitstellung von 1nbsp;MW Erregerleistung ohnehin schon wieder einen Generator für sich, und dieser hat wiederum seine eigene Erregerwicklung (so genannte RG-Sätze). Man geht nun den umgekehrten Weg wie bei der Hauptmaschine, führt die Erregerwicklung als Stator aus und ordnet die Hauptwicklung ebenso wie einen nachgeschalteten Gleichrichter auf der Welle der Hauptmaschine an. Nun kann über den Erregerstrom des Erreger-Generators der Erregerstrom der Hauptmaschine eingestellt und somit eine bemerkenswerte elektrische Leistung kontaktlos übertragen werden.

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Neu: Aufladen von Elektroautos

Obwohl der Stecker für das Elektroauto – so es denn käme – gegenüber dem Tankrüssel schon einen deutlichen Fortschritt darstellen würde, sahen einige Damen, die sich die Hände am liebsten gar nicht schmutzig machen, in der kontaktlosen Aufladung des E-Mobils noch einmal einen großen zusätzlichen Vorteil. U. a. von der Firma SEW wurden solche Systeme auf der Hannover Messe 2011 ausgestellt – zunächst nur für E-Fahrräder, Roller, Rollstühle und ähnliche Fahrzeuge erhältlich, doch mit der erklärten Zielrichtung hin zum E-Auto. Von Wirkungsgraden um 90% bis 95% war dort die Rede. Ein 2011 durchgeführter Praxistest zum kabellosen Laden von Elektrofahrzeugen ergab ähnliche Resultate: »Zwar liegt der Wirkungsgrad des Systems noch nicht auf dem Niveau des kabelgebundenen Ladens, ist aber mit 90% bereits sehr vielversprechend und nur geringfügig schlechter als bei steckergebundenen Ladelösungen – und zwar unter Berücksichtigung aller Komponenten von der Steckdose bis zur Batterie.« Das klingt zumindest für den Laien erst einmal gut, doch damit fallen auf diesem letzten Meter Übertragungsweg mehr Verluste an als im gesamten restlichen Stromnetz vom Kraftwerk bis zur Steckdose. Diese fallen weiterhin an, ebenso wie die Lade-Entlade-Verluste des Akkumulators und die Verluste im Gleichrichter / Laderegler.

Entsprechend äußern sich andere Quellen auch zurückhaltender: »Heutige Ladestationen von Fahrzeugen haben eine Gesamt-Effizienz zwischen Steckdose und Batterie von ungefähr 70%.«2 In einem Versuch aus der Bahntechnik3 heißt es: »Bei 50 kW Leistung der Quelle nahm das stehende Fahrzeug 39 kW auf«. Das lässt sich auch so formulieren: »Die induktive Ladung verursacht über nur 1/100 der Entfernung die 100-fache Verlustleistung wie eine herkömmliche Anschlussleitung.« Und beim Rückspeisen (»V2G«) fallen diese Verluste, zusammen mit allen anderen, zwei Mal an – ergibt einen Gesamt-Wirkungsgrad von 49%.

Dies verschärft die Frage, ob Aufwand und Erfolg hier noch in einem angemessenen Verhältnis zueinander stehen und das E-Auto am Ende überhaupt noch Primärenergie einspart, zumal das Elektroauto doch zur Rettung der Umwelt antritt. Da droht ein Zielkonflikt. Welcher Nutzer nähme es denn heute in Kauf, für den Komfort, den Tankrüssel vielleicht gar nicht mehr anfassen zu müssen und zum Tanken nicht einmal mehr aussteigen zu müssen, wenn dafür jedes Mal 5 Liter daneben gingen? Vermutlich kaum mehr als jene, die sich auch einen Chauffeur leisten können.

Natürlich gilt hier noch mehr als dort das schon zu den kleinen und mittleren Leistungen Gesagte: Wirklich funktionieren tut das System nur, wenn die Spulen ziemlich genau übereinander positioniert werden und der Abstand nur einen Bruchteil des Durchmessers beträgt. Alles andere treibt die erforderliche Baugröße (Blindleistung) ins Unermessliche und drückt den Wirkungsgrad, denn je geringer der Teil des Flusses in der Primärwicklung, der auch wirklich die Sekundärwicklung durchsetzt, desto weniger arbeitet die Anordnung bestimmungsgemäß als Transformator, sondern desto mehr als zwei unabhängig voneinander angeordnete Drosselspulen.

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Monovalentes mobiles System: Der Transrapid

Seit Jahrzehnten kreiste er im Emsland und wartete auf Kunden. In Europa hat sich niemand zum kommerziellen Einsatz dieses Zuges entschließen können. Warum denn auch? Dieser hatte das gleiche Pech wie die Induktionslampe: Vom Konzept her der Konkurrenz in der Leistungsfähigkeit zur Zeit des Aufkommens der Idee haushoch überlegen, hat die konventionelle Bahn während der Jahre der Entwicklungszeit auf einmal unerwartet viel an Boden gewonnen. Plötzlich tauchten »Hochgeschwindigkeitszüge« mit fahrplanmäßigen Geschwindigkeiten von 200 km/h auf, und relativ kurz darauf waren es schon 300 km/h. Rekordfahrten steigerten sich von 525 km/h auf 575 km/h und ließen den Vorteil des Transrapid recht rapid ins Marginale abgleiten. Der Vorsprung war über Nacht des Aufwandes und des Geldes nicht mehr wert – wenn er es denn jemals gewesen ist. Dies zu analysieren soll nachfolgend versucht werden.

Das Konzept

Die Sinnhaftigkeit, das Rad in der Form neu zu erfinden, dass schon seine pure Existenz ständig Energie verbraucht, darf zunächst angezweifelt werden. Eine anonyme, aber offensichtlich aus den Reihen der DB stammende und schon etwas betagte Berechnung sagt, wenn auch ohne dies zu beziffern, der Transrapid brauche allein zum Schweben mit seinen Trag- und Führungsmagneten so viel Energie wie ein ICE bei 120 km/h für das Fahren. Es handelt sich hierbei um Gleichstrom-Elektromagnete mit leistungselektronischen Reglern, die die Magnetkraft so regeln, dass das »Fahrzeug« (Flugzeug? Schwebezeug?) in etwa 10 mm Abstand von den Führungsschienen aus massivem Stahl gehalten wird. Die Supraleiter des Fahrzeugs von 1972 (so lange fahren solche Fahrzeuge schon über Versuchsstrecken) hat man wieder fallen gelassen. Die am Magneten eingesparte Energie hätte man dann zu deren permanenter Kühlung auf -170°C, vor 1986 sogar noch auf -270°C, aufwenden müssen – wie immer, wenn Supraleiter in den Zusammenhang mit Energie-Ersparnis gezwängt werden, und diesen nicht vorhandenen Vorteil hätte man mit neuen Abhängigkeiten erkauft: Das Fahrzeug hätte entweder mit weiter laufender Kühlung abgestellt werden müssen (und das, um Energie zu sparen?), oder es hätte eine ganze Weile gedauert, ehe es wieder betriebsbereit gewesen wäre.

Der Langstator des Linear-Antriebsmotors besteht so zu sagen aus dem »aufgeschnittenen« und »gerade gebogenen« Ständer eines (eisenlosen) Drehstrom-Asynchronmotors und ist im Fahrweg, nicht im Fahrzeug untergebracht. Der Fahrweg ist also in eine Aneinanderreihung solcher Statoren unterteilt, von denen jeweils dasjenige Segment unter Spannung gesetzt wird, über dem der Zug gerade schwebt. Anders als damals beispielsweise an einem Modell der FH Hannover dargestellt, das mittlerweile in Zhejiang in China steht und gemäß welchem eine Segmentlänge von 1,6 km vorgesehen war, sind die Segmente in den gegenwärtigen Darstellungen nur unwesentlich länger als der Zug. Eine andere Quelle gibt für den Transrapid07 von 1988 noch zwischen 300 m und 2080 m variierende Segmentlängen an. Für die Generationen Transrapid08 und Transrapid09 werden die Angaben in jeder Hinsicht äußerst dürftig, als gäbe es dort etwas zu verbergen. Die »magnetisierte« Länge ist jedoch stets länger als der Zug, so dass die restliche Länge nur Blindleistung in die Gegend streut – und das mit Luftdrosseln, die also insgesamt über weitaus mehr Leiterquerschnitt verfügen müssen als solche mit Eisenkern bei gleicher Scheinleistung. Dabei kommt hier keine höhere Frequenz zur Ermöglichung einer geringeren Baugröße in Betracht, denn die Frequenz muss sich nach der gefahrenen Geschwindigkeit richten – abgesehen von der Polzahl und der Länge (dem ehemaligen Durchmesser) des Langstators – und endet bei 230 Hz.

Das früher einmal propagierte Konzept des kombinierten Trag- und Antriebsmagnets wurde nicht verwirklicht. Die Trag- und Führungsmagnete wurden mechanisch und elektrisch getrennt vom Langstator des Linear-Antriebsmotors angebracht. Es hatte sich wohl doch als zu kompliziert erwiesen, gleichzeitig die variable waagerechte Antriebs- und Bremskraft und die mehr oder weniger konstante, sehr genau zu regelnde senkrechte Tragkraft gemeinsam in einer Spule zu regeln – zumal offensichtlich auch das Konzept des Synchron-Antriebs mit Permanentmagneten am Fahrzeug aufgegeben worden war. Das erforderliche Gegenmoment, um beim Vortrieb nicht nur anziehende, sondern auch abstoßende Kräfte nutzen zu können, muss dann durch die Gegenfelder im »Kurzschlussläufer« erzeugt werden, der, ebenso »aufgeschnitten«, unter dem Fahrzeug angebracht ist (und sich daher wohl noch als »Läufer«, aber kaum noch als »Rotor« bezeichnen lässt). Dies ist regelungstechnisch noch schwieriger zu beherrschen als das konstante Gegenfeld eines Permanentmagnet-Läufers.

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Fahrleistungen

In Hinsicht auf seinen Leistungsumfang ist das Konzept des Transrapid dem bestehenden Bahnverkehr auf Schienen haushoch überlegen. Die Reisegeschwindigkeit wird inzwischen schon mit 500 km/h und die Steigfähigkeit mit »bis zu 10%« angegeben – was immer »bis zu« hier nun wieder heißen mag, aber bei der Bahn misst man Steigungen in Promille. Nach nur 5 km Beschleunigungsstrecke könne der Transrapid eine Geschwindigkeit von 300 km/h erreichen, sagt der Hersteller, und dazu brauche eine »moderne Hochgeschwindigkeits-Eisenbahn schon 20 km.« Ein Quervergleich mit früheren Berechnungen kann Letzteres, was einer mittleren Beschleunigung von 0,175 m/s² entspricht, bestätigen. Der ICE3 bringt es beim Anfahren auf 0,67 m/s² und in 42 s von 0 auf 100 km/h. Für den Transrapid08 werden 34 s angegeben. Darüber hinaus lässt die Beschleunigung des ICE3 deutlich nach, während für den Transrapid08 merkwürdigerweise von 100 km/h auf 200 km/h eine kürzere Zeit angegeben wird als aus dem Stand auf 100 km/h! Entscheidend für das schnelle Fortkommen ist jedoch gerade die Beschleunigung am Anfang. Für den Transrapid09 fehlt wieder jede Angabe. Mit der Bewegungsgleichung

ergibt sich für die Beschleunigung a zum Weg s und der Geschwindigkeit v, wenn man konstante Beschleunigung annimmt, die Beziehung

Dies übersteigt natürlich den ICE gleich um mehrere Klassen, hat aber seinen Preis. Die hierfür erforderliche Kraft F ist

F = m*a = 200.000 kg * 1,92 m/s² = 385 kN.

Die Leistung P am Ende des Beschleunigungs-Vorgangs beträgt damit also

P = v*F = 139 m/s * 385 kN = 53,6 MW.

Das entspricht 10 Lokomotiven oder 7 ICE3-Triebzügen. Elektrische Leistung scheint für den Transrapid schier unbegrenzt verfügbar zu sein. Ist die Beschleunigung nicht konstant, wovon schon deshalb auszugehen ist, weil gegen Ende erhebliche Teile der Leistung zur Überwindung des Luftwiderstands aufzuwenden sind, so muss sie am Anfang entsprechend höher sein. Das, was man bei der Bahn »Komfortgrenze« nennt, ist aber auch ohne dies schon lange überschritten. Doch wie gesagt, die Angabe der tatsächlichen Leistung der aktuellen Generation Transrapid09 fehlt. Für den Transrapid07 wird ein Leistungsbedarf von lediglich 6 MW bei 400 km/h angegeben. Bei 3,7 m Breite und 4,7 m Höhe darf man an dieser Angabe aber auch zweifeln, selbst wenn die Länge nur 1/4 ICE3 beträgt (und die Anzahl der Sitzplätze wieder nicht angegeben wird).

Nichts wird darüber ausgesagt, bis zu welcher Steigung die Höchstgeschwindigkeit noch gefahren werden kann, sonst könnte man von dieser Angabe auf die ungefähre Leistung zurück rechnen. Der ICE (8 MW) kann seine zulässige Höchstgeschwindigkeit von 330 km/h nur bis 2 ‰ Steigung fahren. Bei den fahrplanmäßigen 300 km/h schafft er noch 6,5 ‰. Sollte ein Transrapid-Zug mit der entsprechenden Kapazität von etwa 410 Sitzplätzen und der entsprechenden Masse von 200 t eine Steigung von 10 % immer noch mit 500 km/h hinauf fahren können, so wäre hierfür – allein für die Hubarbeit – eine Leistung von etwa 27 MW erforderlich. Zur Überwindung des Luftwiderstandes sind mindestens noch einmal so viel aufzubringen. Zur Energie-Effizienz kommen wir noch, aber auch der Aufwand für die Infrastruktur – Zuleitungen, Transformatoren, Umrichter und den Langstator im Fahrweg – ist entsprechend. Wie viel kostet ein Umrichter dieser Leistungsklasse? Wie viele Segmente kann ein Umrichter speisen? Eine Obergrenze bildet die Zugfolge, da jeder Zug mit seiner eigenen Frequenz fahren muss, sonst kann es einen ganz üblen Ruck geben, wenn der schnelle Zug in das Segment eines langsameren einfährt. Zwar macht dies Auffahr-Unfälle schon vom Prinzip her unmöglich, doch so kann der reguläre Betrieb nicht gedacht sein. Anzunehmen ist ohnehin, dass es eine noch niedrigere Obergrenze gibt. Bei stationären Anwendungen strebt man, schon zu Gunsten der EMV, immer eine möglichst kurze Verbindung vom Umrichter zum Motor an. Das sollte hier auch gelten. Die FH Hannover glaubt allerdings nach wie vor, dass die Segmente länger sind als in den Grafiken des Herstellers dargestellt, da sonst – über Stationen am Fahrweg – zu häufig umgeschaltet werden müsste. Dies aber würde bedeuten, dass, auf den »runden« Drehstrommotor übertragen, auf jeden antreibenden Motor umso mehr Motoren parallel hierzu im Leerlauf betrieben würden.

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Praxistauglichkeit

Die Kurvenradien müssen viele Kilometer lang sein, denn an eine Neigetechnik ist bislang nicht gedacht. Der Anspruch lautet dagegen, ganz im Gegenteil, die Kurvenradien seien geringer. Dies wiederum erzwingt – ohne Neigetechnik – die unbedingte Notwendigkeit, die Kurve immer mit hoher Geschwindigkeit zu durchfahren; dann kann man sie als entsprechende Steilkurve ausbauen. Wie sehr den Fahrgästen dies behagt, ist Geschmackssache. Einigen wird in den bestehenden Neigetechnik-Zügen schon schlecht. Gut, die Ausgaben für die Achterbahnfahrt hat man schon mal gespart; die sind im Fahrpreis inbegriffen. Möglicherweise aber muss man während der Fahrt angeschnallt sitzen bleiben wie im Flugzeug statt nach Belieben das Bord-Bistro oder die Toilette aufsuchen zu können.

Praktikabel ist dies natürlich – solange die Transrapid-Strecke für sich allein in der Landschaft steht und kein vernetztes System darstellt wie die Bahn es (noch zu wenig) ist und der Transrapid doch wohl werden soll – sonst hat er sich als »Verkehrsmittel der Zukunft« von vornherein disqualifiziert. Schon allein die Weichen sind monströse Bauwerke, die an ein Schleusentor erinnern. Daraus ein Flächen deckendes Netz aufzubauen erscheint völlig undenkbar.

Die Eisenbahn könnte im »Inselbetrieb« auch mit Steilkurven ausgestattet werden. Solange aber durch Vorkommnisse im Verkehrsnetz damit gerechnet werden muss, dass der Zug auf offener Strecke außerplanmäßig zum Stehen kommt, ist eine »Überhöhung« der kurvenäußeren Schiene von mehr als 10% nicht diskutabel – oder die Neigetechnik muss eingebaut werden. Der zusätzliche Aufwand für ein so breites Fahrzeug wie den Transrapid wäre beträchtlich. Auch in Kurven gelegene Haltepunkte scheiden aus.

Wegen seiner hohen Beschleunigung und Bremsverzögerung, heißt es weiter, sei der Transrapid nicht nur für den Fern-, sondern auch für den Regionalverkehr geeignet. Bei immerhin noch 5 km Beschleunigungsweg reicht eine Verbindung von der Innenstadt zum jeweiligen Flughafen, ob in München oder in Shanghai, aber gerade eben aus, um die Höchstgeschwindigkeit zu erreichen, ehe schon wieder die Bremsung eingeleitet werden muss. Der Zeitgewinn kann dabei leicht vom Minuten- in den Sekunden-Bereich abrutschen. Ein »Metrorapid« durch das Ruhrgebiet wäre erst recht eine auf einen Spatz abgefeuerte Kanone gewesen.

Statt in einen ICE3-Triebwagenzug 16 Fahrmotoren mit annähernd 3000 Betriebsstunden im Jahr in eine einzige Fernverbindung mehrere 100 Linearmotoren einzubauen, die jeweils gerade mal 12 Sekunden je Zugdurchfahrt in Betrieb sind, kann beim besten Willen nicht sinnvoll sein, weder ökonomisch noch ökologisch. Dies ist der Grund, warum diese Kanone bisher nur auf Spatzen abgefeuert wurde: Zur Profilierung ostasiatischer Länder als Hochtechnologie-Standorte reicht eine zweistellige Streckenlänge; der praktische Nutzen dagegen steht in keinem Verhältnis zum Aufwand. Deutschland hat solcherlei Profilierung nicht mehr nötig und weist zudem eine eher ungünstige Struktur für die sinnvolle Anwendung von Hochgeschwindigkeitsbahnen auf: Nur allzu bald nähern sich diese der nächsten Stadt, die groß genug ist, um eines Halts wert zu sein. Andere Länder sind schon im Durchschnitt dünner besiedelt, und diese Besiedlung konzentriert sich oftmals auf wenige Ballungszentren oder gar eine einzige Hauptstadt. Dazwischen ist nicht viel mehr als »plattes Land«. Dies sind passende Gegebenheiten für Hochgeschwindigkeitsverkehre.

Doch selbst hier ist zu beachten, dass eine entsprechende Nachkalkulation zur damaligen Planung der Transrapid-Strecke Hamburg - Berlin zu dem Schluss kommt: »Grundsätzlich muss bezweifelt werden, ob das magnetische Schweben im Fernverkehr überhaupt sinnvoll ist. Denn die geplante Transrapid-Trasse mit ihren hohen Investitionskosten ist auf hohe Erlöse und somit auf große Fahrgastströme angewiesen, die jedoch nur auf kurzen Entfernungen vorhanden sind und gerade nicht über Hunderte von Kilometern. Andererseits lässt sich die hohe Auslegungsgeschwindigkeit dieses Verkehrsmittels nur über große Distanzen sinnvoll nutzen. Hier zeigt sich ein systemimmanenter, unlösbarer Widerspruch.« Und: »Nach den empirischen Erkenntnissen der Verkehrswissenschaft nimmt der Fahrgaststrom zwischen Quelle und Ziel mit dem Quadrat der Entfernung ab (Lillesches Gesetz).«

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Kosten

Das muss man nur auch bezahlen können. Die Errichtungskosten für einen Meter Strecke werden in einem Fachmagazin15 mit 30.000 € angegeben. Eine einzige Fernstrecke von 350 km kommt somit schon auf über 10 Milliarden. So viel kostet allerdings eine Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnstrecke auch – kein Problem, sollte man meinen, für ein Europa, das zur Rettung irgendwelcher Banken spontan eine halbe Billion locker machen kann. Nur muss dieses Geld wirklich vorhanden sein (»Wirkgeld«) und ausgegeben werden können, denn es muss wirklich etwas physisch Vorhandenes davon gekauft werden. Im Zusammenhang mit der Schuldenkrise haben Techniker manchmal den Eindruck, hier werde nur »Blindgeld« hin und her geschoben: »Gibst du mir einen Kredit, gebe ich dir auch einen«. Man könnte die Kapazität mit einem Kreditgeber (»Bereitsteller« von Blindleistung) und die Induktivität mit einem Kreditnehmer (»Bezieher« von Blindleistung) vergleichen. Zwischen den beiden geht etwas hin und her, was eigentlich gar nicht da ist, oder zumindest etwas, das sich Leistung nennt, aber nichts leistet. Verfahren zur Umwandlung von Blind- in Wirkleistung kann man zwar patentieren lassen, aber nicht bauen.

Weiterhin wird berichtet,15 dass die Betreiber der bereits seit 2004 verkehrenden Magnetschnellbahn in Shanghai in finanzielle Schwierigkeiten gerieten, weil ihr die Kunden wieder davon liefen, als parallel zur Magnetbahn eine ganz gewöhnliche U-Bahn-Strecke gebaut wurde.

So kommt auch die erwähnte Studie14 zu dem Schluss, dass die ursprüngliche Berechnung zahlreiche Fehler enthält – seltsamerweise alle in dieselbe Richtung: »Die Kosten der reinen Transrapid-Fahrbahn wurden stark unterschätzt – diese Fahrbahn lässt sich durchaus mit üblichen Brückenbauwerken vergleichen«, heißt es dort, sowie: »Im Unterschied zur Eisenbahn, deren Brücken gegenüber der ebenerdigen Streckenführung zu deutlichen Mehrkosten führen, sind beim Transrapid keine derart großen Mehrkosten zu berücksichtigen. Schließlich stellt schon der ebenerdige Transrapid-Fahrweg eine Brücke mit Pfeilerhöhen von 0,1 bis 2 Meter dar.«

Auch wurde die Zahl der Fahrgäste ursprünglich so gerechnet, als gebe es fortan keinen konkurrierenden Spur gebundenen Verkehr mehr parallel zum Transrapid. Tatsächlich aber hätte die damalige Deutsche Bundesbahn weiterhin parallel ihre Dienste angeboten – zu etwa 15 Pfennigen pro Personenkilometer, während von Erlösen in Höhe von 28 Pfennigen für den Transrapid ausgegangen worden war. Die Zahl der Fahrgäste, die bereit gewesen wären, diesen Aufpreis zu bezahlen, wäre mit Sicherheit eine Minderheit geblieben, selbst wenn der Zeitgewinn groß gewesen wäre, was sich ausschließen ließ, da die ICE-Strecke bereits bestand. Die ursprünglich mit 9 Millionen DM veranschlagten Instandhaltungskosten der Anlage beliefen sich nun plötzlich auf 131 Millionen DM. Es ist also kein Wunder, aber ein Segen, dass der Bau nie begonnen wurde.

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Sicherheit

»Der Transrapid ist leiser, energiesparender, … entgleisungssicher und komfortabel in allen Geschwindigkeitsbereichen«, sagt eine der Werbeschriften. Das gilt so lange wie niemand einen Bauwagen auf der Strecke vergisst. Offenbar wurde diese Schrift noch vor dem tragischen Unfall vom 22. September 2006 mit 23 Todesopfern verfasst. Die Erstellung einer Statistik, wie viele Verkehrstote je gefahrene Kilometer der Transrapid gegenüber der Eisenbahn bislang gekostet hat, verbietet sich hier allerdings. Ein Einzelfall ist keine Statistik, und aller Anfang ist schwer. Wenn man die Anfangszeit der Eisenbahn isoliert betrachtet, sieht die Bilanz noch deutlich trauriger aus.

Dass eine isoliert betriebene Strecke, die nicht Teil eines irgendwie gearteten Netzes ist, immer ein sehr sicheres System darstellt, ist banal. So lassen sich z. B. die Unfälle der Wuppertaler Schwebebahn in über 100 Jahren Betrieb an den Fingern einer Hand abzählen. Das Geheimnis ist: Es gibt nur eine einzige Linie.

Und was passiert bei einem Strom-Ausfall? Selbstverständlich sind die Tragmagnete durch USV-Anlagen geschützt, so dass ein sicheres Anhalten des Zuges möglich ist. Das Bordnetz wird natürlich ebenfalls drahtlos durch induktive Kopplung gespeist. Wie das genau geht, wird in der Dokumentation nicht gesagt. »Das Trag- und Führsystem wird berührungsfrei über die in den Tragmagneten integrierten Lineargeneratoren mit Energie versorgt«, heißt es dort. Diese Erklärung muss jedoch unvollständig sein. Mit einer weichmagnetischen Stahlschiene und Gleichstrommagneten geht dies nicht. Es fehlt der periodische Wechsel des magnetischen Flusses in der den Strom erzeugenden Spule. Aber die FH Hannover kennt sich auch hier aus: »Der Generator nutzt die Nutwelligkeit des Ständerfeldes, also eine periodische Inhomogenität, die an den Generatorspulen vorbei huscht«.

Vom Prinzip her ist das System sehr sicher; nur gibt es leider keine absolute Sicherheit, und die etwaige Evakuierung eines Fahrzeugs auf aufgeständerter Fahrbahn ist auch mit einem gewissen Aufwand verbunden. Die dafür vorgesehenen Vorrichtungen sind entsprechend aufwändig.

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Reichweite der Umwelt-Vorteile

»Der Transrapid-Fahrweg verbraucht weniger Landschaft und ist flexibel zu trassieren«, wird mehrfach argumentiert, doch wer sagt denn, dass immer der Transrapid und nur der Transrapid aufgeständert ist und nie der ICE? Wenn man das (bezahlen) will und kann, kann man auch genau umgekehrt vorgehen. Doch ist es mit der Flächen-Einsparung durch Aufständerung auch nicht so weit her wie gern behauptet wird. Der Raum unter der Fahrbahn ist wegen Nachteilen wie Verschattung und Eisfall für viele Nutzungen, etwa als Baugrundstücke, nicht besonders attraktiv. »Unter der Brücke« leben in der Stadt nur Leute, mit denen die anderen Einwohner nicht so gern zu tun haben.

»Der Transrapid ist leiser als ein auf Rädern rollender Zug«, wird zu Recht ins Feld geführt, doch das kommt auch wieder auf die Trassenführung an. Würde man nicht den Transrapid, sondern den ICE aufständern, so stiege dessen Lärm nahezu ausschließlich himmelwärts, während der Transrapid deutlich zu hören wäre. Auch dringt wenig Lärm aus dem geschmähten Tunnel.

Bei einer Steigfähigkeit von bis zu 10% und extrem engen Kurvenradien könne oft auf umfangreiche Sonderbauwerke wie Tunnel und Brücken verzichtet werden, heißt es einerseits. Wo ist denn der Unterschied zwischen einer dem ICE als Nachteil ausgelegten Brücke und der als Vorteil des Transrapid angeführten Aufständerung des Fahrwegs? Und wenn man untertunnelt, wie es ggf. für den ICE notwendig und für den Transrapid vermeidbar ist, ist der Flächenverbrauch gleich null, die Lärmbelästigung gleich null, die ästhetische Beeinträchtigung gleich null, und auch das Wild kann weiterhin wechseln, wo es will. Solcherlei Vermeidung von Beeinträchtigungen wird also durch den Transrapid wirkungsvoll vermieden. So wird als Vorteil des Transrapid ein Mal die Aufständerung, ein anderes Mal die Vermeidung der Aufständerung angeführt – immer ganz, wie es gerade passt. Das eine Mal wird mit den geringeren Kosten argumentiert und ein anderes Mal der Transrapid als zwangsläufig immer mit der besten, fortschrittlichsten – und natürlich auch teuersten – Technik verknüpft dargestellt. Diese Spieße kann man auch alle der Reihe nach umdrehen.

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Energie-Verbrauch

Bild 18: Die Stirnfläche des Transrapid übersteigt das Profil der Eisenbahn deutlich

»Der Transrapid braucht weniger Energie als ein ICE«, behauptet der Hersteller. »Ein ICE braucht weniger Energie als der Transrapid«, kontert die DB. Beide aber beziffern den Verbrauch nicht und entziehen ihre Behauptungen daher der Überprüfbarkeit. Wer Recht hat, lässt sich nicht schlüssig feststellen. Was sich jedoch durchführen lässt, ist eine Plausibilitäts-Analyse. Hierfür reichen die verfügbaren Daten aus, und dabei tauchen auf einer Seite vor allem drei Ungereimtheiten auf:

  • Die Frontmaße des Transrapid werden mit 3,7 m *4,2 m = 15,5 m² angegeben (Bild 18). Davon darf man noch etwas abziehen, weil es sich um die Maße über alles handelt, doch beim ICE hatten wir es mit nur 9,5 m² zu tun. Der Transrapid wird mal mit 5, mal mit 6 Sitzen nebeneinander dargestellt (Bild 18). Die Bahn ist in der zweiten Klasse 4, in der ersten Wagenklasse 3 Sitze breit. Damit hat der ICE immer noch die kleinere Stirnfläche, und der cw-Wert dürfte bei beiden Fahrzeugen ähnlich sein. Also hat der Transrapid schon bei gleicher Geschwindigkeit einen höheren Luftwiderstand, und bei 500 km/h steigt dieser ins Unermessliche, da er im Quadrat zur Geschwindigkeit zunimmt. Leistung ist Kraft mal Geschwindigkeit, und so steigt die Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit. Ein Leistungsbedarf in der Größenordnung von 27 MW wurde bereits in Abschnitt 4.2.2 ermittelt; das ergibt einen Energie-Verbrauch von deutlich über 50 kWh/km, also etwa 100 Wh/km bis 200 Wh/km je Person – allein für die Luftreibung. Das ist das 3- bis 5-Fache dessen, was der ICE3 bei 330 km/h (insgesamt – einschließlich Rollreibung) verbraucht. Dies stellt gleichzeitig die bessere Effizienz des Transrapid ebenso wie die Sinnhaftigkeit noch höherer Geschwindigkeiten jenseits des ICE3 in Frage.

 

 

 

Bild 19: Der Magnet rutscht auf der leitfähigen Unterlage nur langsam herunter – umso langsamer, je leitfähiger, denn je schneller er rutscht, desto höher die »Wirbelspannung«, und so steigt die Wirbelstrom-Verlustleistung proportional zur Leitfähigkeit und im Quadrat zur Geschwindigkeit
  • Dennoch wird bei der Magnetschwebebahn mit dem Wegfall der Rollreibung argumentiert, obwohl diese bei der Eisenbahn nur 1,7 ‰ beträgt11 (d. h. die Reibungskraft beträgt 1,7 ‰ des Gewichts). Dabei aber gibt zu denken, dass es bei der Bahn eine aus einer Reihe von Magneten bestehende Einrichtung gibt, die etwa 10 mm über der massiven Eisenschiene schwebt. Zum Bremsen werden diese Magnete (Bild 21, Bild 22) mit Gleichstrom erregt und erzeugen dann durch die schnelle Magnetisierung und Entmagnetisierung beim Vorbeiziehen an der Schiene hierin einen »wandernden« Wirbelstrom. Diese Einrichtung nennt sich bei der Bahn »Wirbelstrombremse«.
Bild 20: Eine Reihe Elektromagnete unterhalb der Fahrschiene aus Stahl dient beim Transrapid der Vermeidung aller Rollreibungsverluste …
  • Auch beim Transrapid gibt es eine Einrichtung, die aus einer Reihe von etwa 10 mm unter bzw. neben den massiven Eisenträgern schwebenden Magneten besteht. Hier aber nennen sie sich Trag- bzw. Führungsmagnete und sind während der Fahrt ständig mit Gleichstrom erregt (Bild 20). Der Transrapid fährt also dauerhaft mit angezogener Wirbelstrombremse – um die Rollreibung einzusparen?
  • Nun muss man dem Transrapid zu Gute halten, dass er u. a. auch den Bahntransformator erübrigt, den die Triebfahrzeuge von Wechselstrombahnen stets mit sich herum schleppen. Ist der zusätzliche Ballast in einer Lokomotive der Gleitreibung wegen nützlich und fast schon erforderlich, so ist er in Triebwagenzügen nur eine Erhöhung der Fahrzeugmasse mit den entsprechenden Folgen für den Energie-Verbrauch. Außerdem ist er ein Verlustfaktor: Der Transformator in einer Lokomotive hat eine Nennleistung von etwa 5 MVA, eine Masse von 10 t und einen Wirkungsgrad von 95%. Ein stationärer Transformator dieser Bauleistung hat aber 99% Wirkungsgrad. Der Haken dabei: Er wiegt rund 20 t, und sein fortwährender Transport würde gerade so viel Energie kosten wie er über den besseren Wirkungsgrad einsparen könnte. Der Transrapid aber verlagert diesen Trafo an den Rand der Strecke – dann also (hoffentlich) mit 99% Wirkungsgrad. Leider wird die Auslegungs-Philosophie des Bahntrafos statt dessen aus zwingenden Gründen auf den überlangen Langstator angewendet, denn der Aufwand ist, wie ausgeführt, immens und muss folglich auf das technisch mögliche Minimum begrenzt werden: Die Kühlungsbedingungen sind optimal, da die Statorwicklungen sich im Freien befinden, wobei eine optimierte Kühlung immer mit größtmöglicher Energie-Verschwendung gleichzusetzen ist. Zudem kann – und wird also, wenn dem Stadium von Versuchs- und Demonstrationsprojekten jemals Strecken über hunderte von Kilometern folgen sollten – die Auslegung der einzelnen Langstatoren für Kurzbetrieb erfolgen. Diese dürfen sich dann im Extremfall innerhalb von nur 12 s von Umgebungs- auf Maximaltemperatur erwärmen. Zeit zum Abkühlen ist hinterher genug. Der Transrapid muss also zwangsläufig eine heiße Spur hinter sich lassen, sonst ist die Menge an Leiterwerkstoff für den Fahrweg, auch wenn es sich um Aluminium handelt, schlichtweg nicht zu bezahlen – wenn überhaupt.
Bild 21: … jedoch eine ähnliche Reihe Elektromagnete oberhalb einer ähnlichen Fahrschiene aus Stahl …

Der sparsamere Umgang der Magnetschwebebahn mit Energie bleibt also unerklärt und erscheint nicht entfernt plausibel. Die Betrachtung der physikalischen und wirtschaftlichen Verhältnisse lässt nichts Anderes als den gegenteiligen Schluss zu.

Entsprechend kommt auch die genannte Studie14 zu dem Schluss: »Für den Energie aufwändigen Transrapid mit seinen extrem hohen Lastspitzen muss etwa die doppelte elektrische Leistung wie bei einer ICE-Strecke bereit gestellt werden. Außerdem ist der Schaltungsaufbau in den Transrapid-Unterwerken ungleich komplizierter als bei vergleichbaren Unterwerken der Eisenbahn.«

Bild 22: … dient der Bahn erstaunlicherweise als so genannte »Wirbelstrombremse«!

Hier schließt sich nahtlos die Frage an, was wohl die magnetischen Wechselfelder in der Armierung des Stahlbetons anrichten. Vom Themenkreis der Erdung und des Potenzialausgleichs her ist bekannt, dass die Bewehrung möglichst stark vermascht ausgeführt sein sollte. Von seiner eigentlichen mechanischen Funktion her bietet sich dies ohnehin an. Sollen hier aber nicht massenhaft Kreis-, Schleifen-, Wirbel- und Maschenströme erzeugt werden, so müssten die mechanischen Verbindungen (Kreuzungen usw.) elektrisch isoliert ausgeführt werden, um die Stromschleifen zu öffnen, da es ansonsten zu stark beschleunigter Korrosion kommen kann. Oder werden die Moniereisen durch die induzierten Ströme so warm, dass der Beton bei Regenwetter vielleicht außen nass wird, in seinem Inneren in der näheren Umgebung der Armierung aber stets trocken bleibt? Dann wäre es allerdings relativ kleinkariert, sich um das Fahren mit ständig angezogener Wirbelstrombremse noch Gedanken zu machen.

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Das Ende

All dies führte letztlich zu der Entscheidung, das Projekt mit dem Ende des Jahres 2011 einzustellen, nachdem der deutsche Staat 1,5 Milliarden Euro dafür ausgegeben hatte. Dabei hätte es nur der Kenntnis der Dreisatzrechnung aus der Grundschule und einiger physikalischer Zusammenhänge bedurft um zu erkennen, dass in dem Ersatz des Rades durch einen Magneten kein praktischer Nutzen, sondern nur Technik steckt, die begeistert, doch dies allein macht eben keinen Wirtschaftszweig aus.

Der Transrapid ist tot – es lebe der Transrapid!

Wie zerronnen, so aber auch gleich wieder gewonnen. Hatte man die Magnetschwebebahn »Transrapid« nach über vier Jahrzehnten Existenz als chronisches Milliardengrab – selbstverständlich öffentlicher Milliarden – Ende 2011 endlich beerdigt, ersteht sie ein Jahr später – natürlich wieder öffentlich finanziert – erneut! In allen Einzelheiten wird das neue Spielzeug der Forscher, Entwickler, Tüftler und Bastler in der Fachpresse 9 Seiten lang beschrieben – nachdem man das Prinzip der supraleitenden Magnete nach der ersten Auflage des Transrapid für diesen verworfen hatte. Nur eines fehlt: Wozu dient es? Warum wurde es gebaut? Keine Silbe verlautet zum Sinn und Zweck des Projekts. Auch im »Ausblick« werden lediglich die geplanten Ausbauten der Demonstrationsanlage beschrieben, nicht jedoch mögliche Anwendungen in der Praxis erwähnt. Ebenso wenig wird die Rückkehr zum Supraleiter in irgendeiner Weise begründet.

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Bivalente mobile Systeme: Straßenbahnen ohne Oberleitung

Die andere Art spurgeführter Verkehrsmittel, denen man die Energie heute auch schon kontaktlos zuführen kann, sind Fahrzeuge, die auf konventionellen, vorhandenen Strecken oder auf solchen verkehren, die mit konventionellen, vorhandenen Strecken kompatibel sind. Dieses System konkurriert mit einem aus Energiespeichern im Fahrzeug gespeisten. Zur Überbrückung nur kurzer Streckenabschnitte können hierbei ebenso gut wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren auch Supercaps (spezielle Kondensatoren mit besonders großer Kapazität) eingesetzt werden. Auch hier wieder gibt es eine realistische und daher bereits bestehende Variante und ein Luftschloss.

Realistisch – aber nicht drahtlos

Die »Variobahn« des Schweizer Herstellers Stadler Rail hilft dann aus, wenn eine Straßenbahn mit einem Regionalzug kombiniert werden soll. Die Bahn kann in der Stadt mit Gleichspannung, aber auch auf den »Hauptbahngleisen« der DB mit Wechselstrom fahren. Mitunter ist aber an bestimmten Stellen eine Oberleitung unerwünscht oder kann nicht aufgehängt werden, etwa auf Streckenabschnitten durch Parks oder historische Gebäude. Für solche Zwecke hat man eine »Variobahn« zusätzlich mit Energiespeichern ausgestattet. Nach Jahren der Verzögerung durch bürokratische Hürden wurde jetzt z. B. in München einer solchen Bahn die Genehmigung erteilt, durch den Englischen Garten zu fahren. Oberleitungen wollte man dort nicht sehen. Gewählt wurde hier ein Kombinationsspeicher aus Lithium-Ionen-Akkumulatoren und Superkondensatoren. Das allein reichte aber schon aus. Die Bahn verfügt also nicht über irgendwelche drahtlose Energie-Übertragung und gehört damit hier gar nicht zum Thema. Bemerkenswert ist nur, dass sie in einer Pressemitteilung als in das bekannte Guinness-Buch eingetragener Weltrekord gefeiert wurde. 19 km mit reinem Akku-Betrieb – welch ein Weltrekord aber auch! Wie war das doch gleich mit der BR 515, die von 1955 bis 1995 bei der Deutschen Bundesbahn allein mit Blei-Säure-Akkumulatoren 300 km weit fahren konnte? Die Pressemitteilung ist entweder falsch oder hinsichtlich der Bedingungen unvollständig. Womöglich bezog sie sich ausschließlich auf Straßenbahnen. So stand es dort aber nicht, und welchen Sinn hätte eine solche »Rekordmeldung« auch ergeben, wenn ein ganz ähnliches Fahrzeug, das auf ganz ähnlichen Gleisen – sogar der gleichen Spurweite – fährt, schon vor so langer Zeit im ganz normalen Fahrplan-Betrieb das 15-Fache dieses »Rekords« fuhr? Nichtsdestoweniger haben sie das alle kritiklos abgedruckt, auch und insbesondere die Eisenbahn-Zeitschriften. Dabei lassen sich die eingrenzenden Bedingungen fast immer so wählen, dass ein Rekord dabei heraus kommt. Der größte Zwerg oder der kleinste Riese zu sein ist ein Rekord von fragwürdigem Wert. In Kiel z. B. gab es in den Siebzigern die »höchste Seilbahn Schleswig-Holsteins«. Es war dort die einzige. Heute – wen hätte es gewundert? – weist das Bundesland gar keine mehr auf.

Drahtlos – aber unrealistisch

Bild 23: Straßenbahn ohne Oberleitung: »Primove« von Bombardier

Dagegen möchte Bombardier Transportation den Stromabnehmer abschaffen. Ihre »Primove« genannte Straßenbahn kommt ganz ohne ihn aus (Bild 23). Die Stromversorgung erfolgt durch Induktionsschleifen im Fahrweg (Bild 24). Der Superkondensator ist aber (auf dem Dach des Fahrzeugs) außerdem vorhanden. So wird das System »Energie sparend«, wie es heißt.

Positioniert wird diese Information innerhalb der Beschreibung wiederum so, dass man beim nicht gar so kritischen Lesen meint, die Straßenbahn ohne Oberleitung verbrauche weniger Energie als die konventionelle. Selbstverständlich ist das Gegenteil der Fall. Alle traurigen Erkenntnisse über drahtlose Energie-Übertragungssysteme von der Zahnbürste bis zum Transrapid kommen auch hier zum Tragen, obwohl es sich hierbei nicht um einen Linear-Antrieb mit Langstator handelt. Darüber hinaus wird gegenüber einer konventionellen Gleichstrombahn noch nicht einmal ein Bahntransformator eingespart oder durch einen verlustarmen stationären Transformator ersetzt, auch nicht die Umwandlung von Drehstrom aus dem öffentlichen Netz in Gleichstrom für die Oberleitung. Diese wird lediglich durch die Umwandlung des Netz-Drehstroms in Hochfrequenz ersetzt. Die Superkondensatoren zeichnen sich durch eine hohe Aufnahme-/Abgabeleistung über kurze Zeit hinweg aus, doch ihre Energiekapazität ist deutlich geringer als die der hier fehlenden Akkumulatoren. Es muss also für solche Straßenbahnen ohne Stromabnehmer nahezu das gesamte Netz mit Induktionsspulen ausgestattet sein. Verwirrend ist in diesem Zusammenhang ein vom Hersteller zitierter Plan eines Versuchs auf einem 0,8 km langen Abschnitt einer bestehenden Strecke . Auch diese Meldung wirft wieder mehr Fragen auf als sie beantwortet.

Der hochfrequente Wechselstrom speist die Spulen im Fahrweg. Die so erzeugten magnetischen Wechselfelder werden von den Spulen an der Unterseite des Fahrzeugs aufgefangen, so gut das eben geht. Ein Bisschen Schwund ist immer – und zwar mehr als wenn die Spulen ruhend konzentrisch übereinander angeordnet werden könnten wie bei der Zahnbürste und bei der Ladestation für Elektrofahrzeuge.

Bild 24: Induktionsschleifen im Fahrweg

Eine Gleichrichtung erfolgt danach zusätzlich im Fahrzeug zur Speisung des Gleichstrom-Zwischenkreises des Fahrstrom-Umrichters und dann erst die Umrichtung in die Traktionsfrequenz der Fahrmotoren – als habe ein Umrichter keine Verluste und koste nichts. Zum »Energie sparen« muss nun noch ein Speicher hinzu treten, der die Bremsenergie aufnimmt, denn die ganze Umwandlungskette bidirektional auszulegen (»Vier-Quadranten-Betrieb«) hätte noch einmal viel gekostet und wegen des zweimaligen Durchlaufens der Energie durch die lange Umwandlungskette wenig gebracht.

Dies lässt viele Fragezeichen über der beträchtlichen Investition der Firma Bombardier erwachsen. Es erscheint alles andere als realistisch, dass sich ein derart teurer Stromabnehmer jemals wird verkaufen lassen. Wohl gemerkt muss das System aus Induktionsschleifen, die die Energie aus dem Fahrweg aussenden, mit unzähligen Umrichterstationen am Wegesrand im gesamten Streckennetz vorhanden sein – bis auf die offenbar sehr kleinen Lücken, die sich mit dem Energiespeicher schließen lassen, weswegen aber das System der »Variotram« mehr oder weniger zwangsläufig mit eingebaut werden muss. So verhasst kann keine Oberleitung sein – und wenn, dann wird wohl keine Kommune die Kosten für einen solchen Aufwand auf sich nehmen, sondern eher eine Buslinie einsetzen. Aber das wollen wir doch nicht hoffen. Dann doch lieber eine »Variotram« für die Fahrt durch »Feindesland« und danach wieder Stromabnehmer hoch. An der Reichweite des Akkus lässt sich noch arbeiten; der wurde recht klein gewählt. Darin steckt noch Potenzial; in der Drahtlos-Technik eher nicht.

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