Zur Öko-Bahn gehört noch mehr

Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass die elektrische Zugförderung dem Diesel-Antrieb sowohl von der Leistungsfähigkeit her als auch ökonomisch und ökologisch überlegen ist – von den alten Dampflokomotiven ganz zu schweigen, die es auf 7%, bestenfalls 10% Wirkungsgrad brachten und Staub, Ruß und Asche völlig ungefiltert ausbliesen. Das stärkste Modell, die schwere Güterzuglok BR 044, brachte es auf rund 1500 kW. Dabei krankten bis auf einige kleine Tenderloks alle Dampflokomotiven daran, dass nur ein Teil der gesamten Masse auf Antriebsrädern ruhte und daher das Schleudern beim Anfahren an der Tagesordnung war. Die Anfahrzugkraft und das Beschleunigungsvermögen waren entsprechend sehr bescheiden. Der Lokführer navigierte stets hart am »Schleudertrauma«, und der Heizer hätte eigentlich hellseherische Fähigkeiten haben müssen; musste doch stets gemäß der erwarteten Anforderungen zumindest der nächsten paar Minuten gefeuert werden. Ging das schief, so war entweder der nötige Druck nicht da, oder der gerade erzeugte Dampf musste ungenutzt und unter donnerndem Getöse abgeblasen werden, und Lärm ist auch eine Umwelt-Belastung. Daran konnten auch die Rettungsversuche der letzten Zeit nichts mehr ändern: Die Dampflok mit Dampfturbinen-Antrieb, die Dampflok mit Einzelachs-Antrieb, die Dampflok mit Stromlinien-Verkleidung, der Kondensationstender, der die Mitnahme mehrerer Tonnen Wasser erübrigte, und die viel besser regelbare ölbefeuerte Dampflok kamen zu spät und konnten sich nicht mehr durchsetzen. Zudem hätte die Ölbefeuerung auch den Nachteil der Abhängigkeit vom Erdöl mit der Diesellok gemeinsam gehabt, ohne diesen durch angemessene Vorteile hinreichend auszugleichen. Die mit Kohle befeuerte Dampflok hätte man immerhin notfalls auch mit Holz oder Abfällen befeuern können, die Diesellok nicht einmal mit ranziger Butter.

Der Antrieb

An eben dieser Stelle aber erweist sich der elektrische Antrieb wieder als überlegen, denn bei der elektrischen Energie kann man im Prinzip vollkommen frei wählen, aus welcher Primärenergie man sie erzeugen möchte. Der Kraftwerksmix ist je nach den Erfordernissen der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes wandelbar. In dem Ausmaß, wie regenerative Energie in das Bahnstromnetz gelangt, werden auch E-Loks mit regenerativer Energie fahren – Dieselfahrzeuge natürlich nicht. Petrochemischen Erzeugnissen einen grünen Anstrich zu verleihen ist sehr schwierig. Ist das Problem der Unkalkulierbarkeit der Windkraft auch noch nicht gelöst, so lässt sich dennoch sagen, dass zumeist am Tage mehr Wind weht als nachts, während am Tage auch mehr Züge fahren. Das separate Stromsystem mit seiner eigenen Betriebs-Frequenz von 16,7 Hz bietet sogar die Möglichkeit, unabhängig von der öffentlichen Versorgung z. B. einen höheren Anteil aus regenerativer Herkunft oder Kraft-Wärme-Kopplung einzusetzen, wie es z. B. in Deutschland der Fall ist, denn Strom ist immer genau so »grün« oder so nachhaltig wie seine Erzeugung.

Der zweite große Vorteil ist, wie aufgezeigt, die im Prinzip recht weit reichende Möglichkeit, Bremsenergie zurück zu gewinnen. Praktisch ist hieran noch zu arbeiten. Die bislang entstandenen, auf die hierauf verkehrenden Fahrzeuge optimal abgestimmten Strecken mit der richtigen Signaltechnik zeigen, dass es geht – und dass es sich ökonomisch und ökologisch gleichermaßen lohnt.

Der dritte Vorteil der elektrischen Energie ist ihre unbegrenzte Vielseitigkeit. Die mühelose, verlustarme Umkehrbarkeit des Umwandlungs-Prozesses von elektrischer in mechanische Energie ist nur das Eine. Zugleich aber lässt sich elektrische Energie in jede andere Energie umwandeln, und dabei sind die Umwandlungs-Wirkungsgrade meist bedeutend besser als die der konkurrierenden Technologien, sofern überhaupt vorhanden. Die Beleuchtung ist neben der mechanischen Energie das beste Beispiel: Die Erfindung der Glühbirne hat den Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Licht gegenüber der Wachskerze um den Faktor 100 verbessert, die Leuchtstofflampe hat diese Verbesserung noch einmal vervierfacht. Elektrizität ist also eine sehr wertvolle Form von Energie. Während allgemein davor gewarnt werden muss, Wert mit Preis und Preise mit Kosten zu verwechseln, darf »wertvoll« in diesem Zusammenhang als »teuer« verstanden werden, weil bei der Erzeugung im thermischen Kraftwerk mindestens die Hälfte, meist eher zwei Drittel der Wärme weggeworfen statt in Strom verwandelt wird. Der obige Verbesserungsfaktor von 4 * 100 muss also ehrlicherweise noch einmal durch 3 geteilt werden. Dennoch – und das ist der Punkt – bietet sich die elektrische Energie zum Antrieb von Bahnen auch deshalb an, weil es die gleiche Energieart ist, die im Zug zugleich für ausnahmslos alle anderen Zwecke eingesetzt wird:

Sonstiger Energie-Verbrauch

Bild 30
Bild 30: Überbleibsel aus der Dampflokzeit:

Rund 80% seiner Energie verbraucht ein ICE-Zug zum Fahren. Dummerweise verbrauchen Personenzüge nämlich auch eine Menge Energie für die Heizung. Nicht nur, dass von außen im ganz normalen Betrieb eine Luftkühlung erfolgt, wie sie ein Wohnhaus noch nicht einmal während eines Orkans erfährt, während alte, klapprige Reisezugwagen des Nah- und Regionalverkehrs schlecht isoliert sind und die »Zug-Luft« durch alle Ritzen dringt – nein, dann bleibt auch noch allzu gern der Heizungsregler hängen und verwandelt den Fahrgastraum all dessen zum Trotz in einen Backofen. Die Fahrgäste können sich dessen nur noch erwehren, indem sie die Fenster öffnen. Für jede teuer erzeugte Kilowattstunde Wärme, die so nutzlos ins Freie entweicht, sind im Kraftwerk bereits zwei Kilowattstunden Wärme nutzlos ins Freie entwichen. Dabei erfordert eine solch starke Elektroheizung eine gewaltige Anschlussleistung. Die für die Heizanlage gewählte Nennspannung von 1000 V legt beredtes Zeugnis davon ab, wie viel Leistung und Energie für die Beheizung einzurechnen ist, während für die Beleuchtung und alle anderen Hilfsbetriebe – außer der Klimaanlage, aber die gibt es in alten Wagen nicht – eine Spannung von 24 V aus dem in jedem Wagen untergebrachten Akkumulator genügt.

Tabelle 6: Zug-Energie 80%
Tabelle 6
Tabelle 6: Der Zug benötigt Energie hauptsächlich – aber nicht nur – zum Ziehen

Wenn die Diesellok der BR 218 aus dem Abschnitt »Wandlerkonzepte« anfährt, wird die elektrische Zugheizung vorüber gehend abgeschaltet, da sonst zu wenig Traktionsleistung übrig bliebe. Die Anstrengung im Stillstand bleibt ihr erspart, wenn die alte ZVA (Bilder 30 bis 32) noch in Betrieb ist. Die war zur Dampflokzeit eingeführt worden, denn Dampflokomotiven konnten nicht elektrisch heizen. Sie besaßen nicht viel mehr als einen »Fahrrad-Dynamo«, der beim Fahren angetrieben wurde und einen Akkumulator auflud, der gerade einmal für die 3 Stirnlampen, 2 Schlusslichter und ein paar Glühlampen im Führerstand ausreichte. Strom-Erzeugung im Stillstand war nicht möglich, wohl aber das Heizen mit Dampf über eine durch den Zug geführte Dampfleitung. Kühlwasser von einem Dieselmotor war leider nicht vorgesehen. Eine Umrüstung erschien unter den damaligen Energiepreisen – 1977, als die letzte Dampflok aus dem fahrplanmäßigen Verkehr der Deutschen Bundesbahn ausgemustert wurde – nicht als lohnend, ebenso wenig wie heute der Gebrauch der ZVA, die von Hand angeschlossen und vor der Abfahrt wieder abgezogen werden muss. Gespeist wurde die ZVA aus dem öffentlichen Mittelspannungsnetz über einen besonderen Transformator, der die Unsymmetrie dieser zweiphasigen Last in Grenzen halten sollte – die dennoch zu Problemen oder zumindest Bedenken bei Praktikern führen konnte. So groß immerhin war die hier verheizte Leistung. »Eine Reisezuggarnitur von heute, die über Nacht aufgebügelt ist, verbraucht rund 250 kW – das ist zu viel, meine ich«, sagte auch Dr. Johann Pluy, Geschäftsbereichsleiter Energie bei der ÖBB Infrastruktur AG (»eb« Elektrische Bahnen – Elektrotechnik im Verkehrswesen 8/2011, S. 380)Im Sommer kann diese Leistung zum Teil von der Klimaanlage aufgenommen werden. Bemerkenswert ist hier die Erkenntnis, dass moderne Elektrozüge mit Klimaanlage weniger Strom verbrauchen als alte ohne! Die Fachleute wunderten sich und vermuten, dass der erhöhte Luftwiderstand beim Fahren mit offenen Fenstern den Verbrauch stärker erhöht als die Klimaanlage.1 Sollte sich dies als richtig herausstellen, ist der Verbrauch der Klimatisierung tatsächlich als negativ anzusehen.

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Bild 31
Bild 31: Mittels einer Zugvorheiz-Anlage (ZVA) wird der bereit stehende Zug über eine flexible Leitung…

Natürlich sind neuere Personen-Fahrzeuge besser isoliert. In Hochgeschwindigkeitszügen lässt sich gar kein Fenster mehr öffnen. Entsprechend dicht sind diese ausgeführt. Dennoch stellt man fest, wenn man die technischen Unterlagen eines Bahntransformators der ICE1- und ICE2-Triebzüge studiert, dass die Gesamt-Nennleistung gut 5 MVA beträgt und die Heizwicklung – allein der Begriff erinnert an alte »Dampfradios« – davon schon 500 kVA für sich allein beansprucht. Dabei wird kein einziger Verbraucher an Bord direkt mit der Fahrdrahtspannung von 15 kV versorgt, sondern ausnahmslos sämtliche elektrische Energie passiert diesen Transformator. 10% der Leistungs-Aufnahme des Zuges und somit der Nennleistung des Transformators sind also der Heizung zugedacht. Immerhin aber wird der Trafo auch dann noch die Bremsenergie wenigstens auf die Heizwicklung übertragen, wenn ein Rückspeisen in die Fahrleitung nicht möglich ist, weil z. B. im Moment in der näheren Umgebung zu viele Züge bremsen und die Spannung schon bis zur zulässigen Obergrenze angestiegen ist.

Bild 32
Bild 32: …und einen Steckverbinder mit Strom aus dem öffentlichen Netz vorgeheizt, bis die Lok kommt – teilweise auch heute noch dort, wo Diesellok bespannte Personenzüge verkehren oder die E-Lok in der Zwischenzeit Sinnvolleres leisten kann, z. B. einen Zug gleichzeitig ziehen und heizen statt ihn lediglich zu beheizen

Im Sommer kann diese Leistung zum Teil von der Klimaanlage aufgenommen werden. Bemerkenswert ist hier die Erkenntnis, dass moderne Elektrozüge mit Klimaanlage weniger Strom verbrauchen als alte ohne! Die Fachleute wunderten sich und vermuten, dass der erhöhte Luftwiderstand beim Fahren mit offenen Fenstern den Verbrauch stärker erhöht als die Klimaanlage.1 Sollte sich dies als richtig herausstellen, ist der Verbrauch der Klimatisierung tatsächlich als negativ anzusehen.

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Leichtmetall statt Schwermetall?

Dabei darf man sich nicht vom schlechten Wirkungsgrad eines solchen Transformators täuschen lassen. Etwa 95% werden angegeben, während von einem stationären Transformator gleicher Nennleistung ein Wirkungsgrad von gut 99% erwartet werden darf. Die Wirkungsgrade elektrischer Maschinen, zu denen auch Transformatoren gerechnet werden, lassen sich nahezu grenzenlos verbessern, indem man die eingesetzte Menge aktiven Materials (Eisen und Kupfer bzw. Aluminium) erhöht oder indem man die Aluminiumleiter durch Kupferleiter (mit der 1,5-fachen Leitfähigkeit, leider aber auch der 3-fachen Masse – und bezahlt wird nach Masse) ersetzt. In ortsfesten Maschinen und Anlagen ist also eine Investition in voluminösere bzw. schwerere Einheiten gleicher Bemessungsleistung in sehr weiten Grenzen sinnvoll und nützlich. In Fahrzeugen jedoch wirkt jede Erhöhung des Gewichts bzw. der Masse kontraproduktiv. Ein solcher Bahntransformator bringt 10 t auf die Waage, während ein Transformator gleicher Leistung im öffentlichen Stromnetz auf gut und gerne 30 t käme. Würde er einphasig und vor allem auf die niedrigere Bahnfrequenz von nur 16,7 Hz ausgelegt, käme er auf etwa 50 t. Beim mobilen Trafo muss man also Folgendes gegeneinander aufrechnen:

  • Wird der Fahrzeugtrafo im Laufe eines 30 Jahre währenden Lebens mit umgerechnet 3200 Volllast-Betriebsstunden jährlich belastet, so entstehen darin Verluste in Höhe von 1,2 GWh. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades von 95% auf 99% könnte somit 1 GWh einsparen.
  • Die hierfür aufzuwendenden zusätzlichen 40 t Aktivmaterial müssen jedoch während dieser 30 Jahre etwa 15.000 Mal auf die Höchstgeschwindigkeit von 250 km/h beschleunigt werden. Das kostet näherungsweise 2 GWh, wovon bei heutiger Betriebsweise höchstens die Hälfte beim Bremsen zurück gewonnen wird – macht netto 1 GWh zusätzlichen Verbrauch.

Der Trafo ist also gemäß dieser sehr groben Schätzung richtig ausgelegt: Der Einsatz wesentlich mehr aktiven Materials brächte erhebliche Mehrkosten, aber die Gesamt-Effizienz des Fahrzeugs bliebe ungefähr gleich. Die gewählte Auslegung befindet sich offensichtlich gerade am energetischen Optimum, das allerdings sehr flach zu verlaufen scheint, so dass eine genauere Schätzung oder Berechnung zu einem ganz ähnlichen Ergebnis führen würde.

Bild 33
Bild 33: Stromschienen innerhalb der Lok – in »West-Loks«, wie hier in der BR 111, trotz doppelten Gewichts immer aus Kupfer

Entsprechendes gilt tendenziell für die Fahrmotoren und alle anderen elektrischen Betriebsmittel an Bord – wie gesagt ganz im Gegensatz zu stationären Anwendungen, wo die »dickere« Lösung mit mehr Eisen und Kupfer immer die effizientere darstellt. Beim Fahrzeug jedoch steht stets die Einsparung an Masse bzw. Gewicht an oberster Stelle. Ein weiterer Ersatz von Stahl durch Aluminium und bestimmte Kunststoffe kann hier sicher, wie schon bisher, noch weitere gute Dienste leisten. Auch ermöglichen verbesserte Werkstoff-Eigenschaften und optimierte Gestaltung dank moderner EDV-Technologien die Fertigung von Stahlteilen gleicher Beanspruchbarkeit aus weniger Stahl.

Da läge der Gedanke nahe, das Kupfer im Bahntrafo und in den Traktionsmotoren durch Aluminium zu ersetzen, denn Aluminium hat nur 1/3 der Dichte von Kupfer, aber immerhin 2/3 der elektrischen Leitfähigkeit, also sollten 3/2 des Volumens und somit die Hälfte an Masse ausreichen, um in einer elektrischen Maschine die gleiche Funktion zu erfüllen. Diese Rechnung geht jedoch nicht auf, da dieses Mehr an Volumen, das vom leichten Aluminium eingesetzt werden müsste, eine größere Baugröße, also auch den Einsatz von mehr Dynamoblech, erfordern würde, und Eisen ist fast so schwer wie Kupfer. So werden auch die Läuferkäfige der Traktionsmotoren aus Kupferprofilen zusammengeschweißt, statt gegossene Läuferkäfige aus Aluminium zu verwenden. Hierdurch lässt sich entweder bei sonst gleichem Aufbau des Motors ein noch besserer Wirkungsgrad erzielen, oder man kann bei gleichem Wirkungsgrad die Leistungsdichte erhöhen, also den ganzen Motor kleiner und somit insgesamt, trotz der Verwendung des wesentlich schwereren Leiterwerkstoffs, leichter bauen.

Doch auch dort, wo der zusätzliche Platz-Bedarf für Aluminium nicht die Ausschlag gebende Rolle spielt, weil dies nicht zum Einsatz von mehr Eisen oder anderer Werkstoffe führen würde (Bild 33), hat man mit Aluminium wegen seiner technologischen Eigenschaften sehr schlechte Erfahrungen gemacht, wie ein Mitarbeiter der DB AG, vormals bei der DR beschäftigt, berichtet: »Bei der BR 143 wurden zu DDR-Zeiten Alu-Stromschienen eingebaut. Dies war für die Instandhaltung ein Desaster. Erstens wies das Material an den Verschraubungen ein Fließverhalten auf. Verschraubungen mussten ständig bezüglich des Drehmomentes geprüft werden. Weiterhin hat man höhere Übergangswiderstände und einen geringeren Leitwert. Korrosion an den Kontakten verschlechterte den Zustand weiter. Aber was macht man nicht alles, wenn man kein Kupfer hat?«

Entsorgung

Wenn die geplanten 30, praktisch eher 40, manchmal 50 Betriebsjahre nun doch einmal verstrichen sind, muss auch ein vormals moderner Zug verschrottet werden. Eine alte Elektrolokomotive besteht zum größten Teil aus Eisen. Außerdem enthält sie etwa 5 t Kupfer. Sie stellt somit keinen Problemmüll, sondern vielmehr eine Quelle begehrter Rohstoffe zur Erschaffung neuer, zeitgemäßer Triebfahrzeuge dar. Da stehen sie dann auf dem Abstellgleis und warten auf den Tag, an dem ihr Schrottwert vielleicht vom fünf- in den sechsstelligen Bereich vorrückt, so dass sich die sorgsame Demontage lohnt. Die traumhaft hohen Preise für Kupfer- und Eisenschrott der Jahre 2006 bis 2008 hätte man zudem nutzen sollen, um die alten Umformersätze östlicher Prägung (»Kupferbergwerke«) durch moderne Anlagen zu ersetzen. Das Kupfer hätte man hier gleich wieder einsetzen können, um die Effizienz zu optimieren, indem man die Umformer durch verlustarme leistungselektronische Umrichter oder durch neue zeitgemäße Bahnkraftwerke ersetzt.

In den modernen Zügen findet sich außerdem noch viel Aluminium und Kunststoff. Während bei den Kunststoffen zumeist »Hopfen und Malz verloren« ist und eine Wiederverwertung, wenn überhaupt, nur unter erheblichem Wertverlust möglich ist, trägt das Aluminium noch seinen Teil zum Schrottwert bei, und mit dem Verlust des Kunststoffs kann man nach 30 Jahren und 12 »Gigametern« ununterbrochenen Dienstes leben. Außerdem wird es in 30 Jahren bessere Aufbereitungstechniken für die heute eingesetzten Kunststoffe geben, und neue Kunststoffe werden sich wieder besser verwerten lassen. So kommt die Bahn dem nachhaltigen Verkehr der Zukunft schon jetzt ziemlich nahe. Nun fehlt nur noch ein Elektrofahrzeug für nicht elektrifizierte Strecken.

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