Konzepte für die Zukunft

Die Strecken, deren Elektrifizierung sich zur Zeit nicht lohnt, werden nicht nur schwach, sondern in aller Regel auch verhältnismäßig langsam befahren. Die Luftreibung als einer der Fahrwiderstände und somit der physikalischen Gründe für den Energie-Bedarf ist dann sehr gering. Die Rollreibung ist immer gering. Was bleibt, ist der erhebliche Energie-Aufwand für die Beschleunigung und die Steigungsstrecken. Hier gilt es, den Verbrauch beim Bremsen umkehrbar zu machen, denn was heißt schon die Aussage »Strecken, deren Elektrifizierung sich zur Zeit nicht lohnt« bei einer Lebenserwartung von 30 Jahren? Die Betriebskosten auf der Basis gegenwärtiger Energiepreise zu optimieren ist nicht zukunftsfähig. Um im Mittel auf ein realistisches Ergebnis zu kommen, müssten die in 15 Jahren zu erwartenden Energiekosten zu Grunde gelegt werden, die zwar heute noch niemand kennt, die aber auf jeden Fall schon wieder um Einiges höher liegen werden als die gegenwärtigen.

Diesellok bleibt Diesellok

Nachdem der Einzelachs-Antrieb schon die Dampflok nicht retten konnte, versucht man es nun mit entsprechenden Mitteln bei der Diesellok. Bei der neuen BR 246 sollen 4 einzeln zu- und abschaltbare Motoren eine bessere Anpassung an den Bedarf ermöglichen und so den Verbrauch senken. Gesenkt wird in der Tat der Leerlauf-Verbrauch, wenn die einzelnen Motoren entsprechend dynamisch gesteuert werden. Es bleibt aber dabei, dass der RE von Aachen nach Dortmund nur 1/3 seines Energie-Verbrauchs zur Überwindung der Reibungs-Widerstände, aber 2/3 für die Beschleunigungs-Vorgänge aufwenden muss. Von diesen 2/3 könnte eine E-Lok 3/4, also die Hälfte des gesamten Energie-Verbrauchs, beim Bremsen zurück gewinnen. Die Diesellok verbraucht also allein deswegen, weil sie dies nicht kann, systembedingt schon doppelt so viel Primärenergie wie die E-Lok. Der viele Leerlauf, der durch das neue Konzept auch nicht ganz vermieden, sondern lediglich reduziert werden kann, kommt dann noch hinzu. Die Beheizung des Zuges mit »Abfallwärme« entfällt bei dieser dem Personenverkehr zugedachten Maschine – ein weiterer Grund, warum ursprünglich aus Kreisen der DB AG verlautete, der Personenverkehr solle auf lange Sicht gänzlich auf Triebwagen umgestellt werden. Warum hiervon bei der DB ebenso wie bei mehreren Privatbahnen nun wieder abgewichen wird, ist unerklärlich.

Dabei gibt es doch den 4-motorigen Dieseltriebwagenzug schon. Eine automatische Zu- und Abschaltung von Motoren nach Bedarf ließe sich hier also einbauen; das Heizen mit Abwärme würde aber auch hier aufwändiger. Selbst wenn ein Verbrauch von 2,1 l/km rund 7 kWh mechanischer Energie und 14 kWh Wärme auf jedem Kilometer entspricht, was unter dem Strich für die Heizung mehr als ausreicht, wird die gleichmäßige Verteilung zum Problem.

Außerdem wird die gesamte Nennleistung der neuen Baureihe mit 2252 kW angegeben. Dies sind nun mal nur 2/5 der elektrischen Konkurrenz – bei rund 5/2 des Verbrauchs. Dabei muss noch beachtet werden, dass beim Vergleich nicht Leistung gleich Leistung ist. Die Nenn-Motorleistung elektrischer Triebfahrzeuge entspricht der Netto-Antriebsleistung, von der nur noch die Getriebe-Verluste abzuziehen sind. Der Stromverbrauch an Bord wird anderweitig – direkt vom Bahntransformator – gedeckt. Wird aber bei Diesellokomotiven die »Motorleistung« angegeben, so bezieht sich diese auf den Dieselmotor, der gleichzeitig auch noch alle Hilfsbetriebe, vor allem etwaige elektrische Heizung, im Schlepp hat. So werden z. B. in einer Berechnung für eine Fahrt des Diesel-ICE der BR 605 von Berlin nach Hamburg mindestens 1767 kWh, höchstens 1973 kWh elektrischer Traktionsenergie für die elektrischen Fahrmotoren, zusätzlich aber 353 kWh Strombedarf für Hilfsbetriebe errechnet. Es landen also rund 20% des an Bord erzeugten Stroms nicht in den Fahrmotoren, sondern anderswo im Zug.

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Die eingebaute Rangierlok

Eine weitere neue Meldung kündet so zu sagen von einer »E-Lok mit eingebauter Rangierlok«. Die »letzte Meile«, wie es dort heißt, könne die neue Bombardier Traxx Elektro-Lokomotive der BR 187 durch einen kleinen Dieselmotor überwinden, der »am Rad noch 180 kW leistet«. Zwar soll immer noch die volle Zugkraft von 300 kN erreicht werden, doch Leistung ist Kraft mal Geschwindigkeit, und wenn man die Leistung von 180 kW durch diese Zugkraft teilt, dann ergibt sich, dass diese Zugkraft nur bis zu einer Geschwindigkeit von 0,6 m/s oder gut 2 km/h gehalten werden kann. Das ist selbst für eine Rangierlok recht mager und erlaubt wirklich keine großen Sprünge. Die »letzte Meile« ohne Oberleitung muss man hier wohl mehr oder weniger wörtlich nehmen; nimmt sie doch allein schon 45 Minuten für sich in Anspruch! Dafür kauft man sich den hohen Wartungsaufwand für eine Diesellok ein, und dieser Dieselmotor ist den gleichen betrieblichen Nachteilen unterworfen wie der im Auto – wird unter Umständen über lange Zeit nie richtig warm. Das soll für einen Verbrennungsmotor gar nicht gut sein. Einem Elektromotor macht dies vergleichsweise wenig aus – im Gegenteil: Je kälter, desto besser.

Der Aufpreis des neuen Ausstattungsmerkmals wird mit etwa 10% angegeben. Dafür hätte man auch etwa 300 kWh Lithium-Ionen-Speicherkapazität bekommen. Dann wären mit entsprechenden Hochleistungszellen auch wesentlich mehr als 180 kW machbar gewesen, und diese wären völlig wartungsfrei und garantiert immer taufrisch randvoll geladen, wenn die Lok dort ankommt, wo der Akku gebraucht wird. Beim Tank hingegen muss »irgendjemand« daran denken, dass dieser bisweilen auch mal wieder befüllt werden muss. Hoffentlich klappt das! Und wenn, dann haben die Kosten – nicht für den nur selten und in geringem Umfang anfallenden Verbrauch, sondern für eine funktionierende Wartung und entsprechende Logistik – diejenigen für den teuren Akkumulator sicher bald überholt.

Vielleicht hat man beim Entwurf der neuen Lokomotive in erster Linie an Container-Verladestationen gedacht, denn »Fahrdraht und Containerkräne passen nicht zusammen«. Gerade hier böte sich der Akkumulator eher an, so wie man ihn bei der Straßenbahn zur Überbrückung kaum oder gar nicht elektrifizierbarer kurzer Strecken schon mehrfach einsetzt

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Optimal: Akkumulator getriebene Nahverkehrs-Triebwagen

Aus den genannten physikalischen Gegebenheiten folgt, dass ein Schienenfahrzeug weitaus näher an der – auch kommerziellen – Realisierbarkeit eines Akkumulator betriebenen Antriebs liegen müsste als das neuerdings so hoch gelobte, viel besungene, aus nachvollziehbaren Gründen aber kaum jemals verkaufte Elektroauto. Dabei gab es doch bei der Bahn schon seit 1907 aus Bleiakkumulatoren gespeiste Elektro-Triebwagen. Von 1955 bis 1995 war bei der Deutschen Bundesbahn die BR 515 im Einsatz, ohne dass dies jemals viel Aufsehen erregt hätte. Die Bahn hat nichts, aber auch gar nichts unternommen, um sich an Hand dieses Fahrzeugs in der öffentlichen Wahrnehmung als Innovationsmotor und Vertreterin fortschrittlichen Denkens darzustellen. Dies ist indes kein Wunder, denn 1955 waren solche Themen nicht aktuell. Da hatte man noch andere Sorgen. 1995 dann war das Thema zwar aktuell, dieses Fahrzeug aber schon von vorgestern. Zu jener Zeit gehörte es schon zum alten Eisen (bzw. zum alten Blei). Dabei brachte es dieser Triebwagen damals immerhin schon auf ein Tempo von 100 km/h und fuhr mit einer Aufladung der Pb-Akkus mit einer Kapazität von – je nach Serie – 350 kWh bis 550 kWh rund 300 km weit, natürlich noch ohne stufenlose Stromrichter-Regelung und ohne Rückspeise-Fähigkeit. Die 2 Fahrmotörchen zu je 150 kW Stundenleistung verliehen dem bleischweren Gefährt natürlich nicht die Fahrdynamik, die man mit Strom aus dem Netz auch damals schon gewöhnt war. Der Energie-Verbrauch dagegen errechnet sich hieraus zu sehr bescheidenen 1,2 kWh/km bis 1,8 kWh/km. Wiederum mit einem pauschalen Erzeugungs- und Verteilungs-Wirkungsgrad des Stroms von 33% gerechnet, entspräche dies 0,5 l bis 0,75 l Dieselkraftstoff (oder Heizöl) je Kilometer, die z. B. ein Blockheizkraftwerk zur Erzeugung des Stroms verbräuchte, mit dem das Elektrofahrzeug einen Kilometer weit führe. Das ist also knapp die Hälfte dessen, was die im Abschnitt »Dieselmotoren« betrachteten Dieselfahrzeuge zu sich nehmen – bei gleicher Sitzplatz-Kapazität, wenn man der BR 515 den zugehörigen Beiwagen BR 815 anhängt.

Bauen wir doch jetzt einmal auf diesem Wissen auf und entwerfen in Gedanken einen neuen Akku-Triebwagen nach modernsten Erkenntnissen. Als Referenz diene das echte Paradepferd des elektrischen Straßenverkehrs, der imposante zweisitzige Elektro-Sportwagen Tesla Roadste

  • Mit 55 kWh aus Lithium-Ionen-Akkumulatoren fährt dieser Wagen zwischen 90 km und 500 km weit. Die Werksangabe beträgt 350 km. Damit liegt der Verbrauch zwischen 0,1 kWh/km und 0,6 kWh/km. Das ist sehr wenig, aber pro Sitzplatz immer noch das 5- bis 50-Fache des Doppel-Triebwagens BR 515 / 815.
  • Diesen statten wir nun mit doppelt so viel Li-Akku-Kapazität aus wie seinerzeit an Pb-Akkus höchstenfalls im Einsatz waren, also mit 1100 kWh. Dadurch verdoppelt sich die Reichweite des Schienenfahrzeugs auf 600 km. Das reicht für eine 16-Stunden-Schicht im Nahverkehr.
  • Dank der vierfachen Energiedichte der Li-Akkus kann das Akku-Gewicht gleichzeitig halbiert werden. In »Tesla«-Akkus gerechnet wären es 20 Stück zu je 450 kg, also etwa 9 t.
  • Es lässt sich auch wie folgt rechnen: Die Masse des Motorwagens BR 515 wird mit 49 t … 56 t, die Akku-Kapazität mit 352 kWh … 602 kWh angegeben. Mit der Annahme, der Unterschied in den Bauformen erschöpfe sich in der unterschiedlichen Kapazität, lässt sich hieraus die mutmaßliche Energiedichte der damals verwendeten Akkumulatoren zu (602 kWh - 352 kWh) / (56 t - 49 t) ≈ 35,7 kWh/t errechnen. Dies entspricht grob einem Viertel der 55 kWh aus 0,45 t Akkus im Tesla und bestätigt hiermit die vierfache Energiedichte.
  • Diese Einsparung beim Gewicht und die optimierte Antriebssteuerung mit Rückspeisung dürfte näherungsweise den Brutto-Mehrverbrauch kompensieren, den ein modernes Fahrzeug durch zeitgemäß erhöhte Fahrdynamik – mindestens 140 km/h, besser 160 km/h Höchstgeschwindigkeit – und durch verbesserten Komfort (z. B. Klimaanlage) zwangsläufig mit sich brächte.
  • Der Akkumulator des »Tesla« soll sich angeblich mit 10.000 $ im Preis des Fahrzeugs niederschlagen. Dies kann indes nicht stimmen – und muss es auch nicht, denn der Preis des gesamten Fahrzeugs wird mit über 100.000 $ genannt, und in einer Studie des VDE werden für Lithium-Ionen-Akkus Kosten von 1000 €/kWh Speicherkapazität angegeben. Man meint und hofft, in den kommenden 5 Jahren bei Etablierung einer Massenfertigung, so es denn dazu käme, auf Preise im Bereich von 300 €/kWh für Hochenergiebatterien und 500 €/kWh für Hochleistungsbatterien zu kommen. Im Jahr 2015 wird immer noch mit etwa 380 €/kWh gerechnet und ein Potenzial zu weiterer Kostensenkung von nur 20% bis 30% gesehen, denn diese Kosten bestünden (bei 18 Millionen Zellen im Jahr) zu 2/3 aus Materialkosten (und nur 10% Lohnkosten).
  • Rechnen wir also einmal mit 750 €/kWh, so müsste man für 20 »Tesla«-Akkus einen Preis von etwa 800.000 € rechnen. Die Lebensdauer gibt der VDE mit 3000 Ladezyklen an. So würde sich der Kaufpreis der Zellen, auf die im Laufe ihres Lebens gespeicherte Energie (3000 * 1100 kWh) umgerechnet, also mit einem Zuschlag von mindestens 24 Cent auf die Kilowattstunde Strom bemerkbar machen.

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Akku-Strom 3 Mal so teuer – und doch billiger als Diesel!

Der Strom aus dem Akku ist also mit 36 Cent mindestens 3 Mal so teuer wie »gewöhnlicher« Bahnstrom. Da das Fahrzeug aber mindestens so effizient wie der alte Akku-Triebwagen sein und also mit etwa 1,5 kWh/km auskommen dürfte, lägen die Energiekosten – wie gesagt, einschließlich Abnutzung des Akkus! – nur bei ≈ 54 Cent je Kilometer. Ein Dieseltriebwagen, der 1,7 l/km schluckt, bringt es auf fast 2 Euro je Kilometer, da die »Schienensteuer« für Dieselkraftstoff bei der Bahn offenbar um nichts niedriger liegt als die Straßensteuer, die der PKW-Nutzer an der Tankstelle entrichten muss. Nebenbei bemerkt werden damit die Schienen zwei Mal bezahlt, weil die Bahn sie selbst legen und pflegen muss, doch auch ohne diese Schieflage, etwa zum Preis von Heizöl, sähe die Bilanz für den Dieseltriebwagen sehr schlecht aus. Die Energiekosten wären noch immer doppelt so hoch wie bei unserem Akku-Fahrzeug.

Aufgeladen würde dieses zum günstigen Nachttarif, denn am Tage ist das Fahrzeug im Dienst. So trüge es auch noch zur Lastgang-Regulierung bei, statt die Lastgang-Problematik zu verschärfen, wie die konventionellen E-Fahrzeuge es natürlich tun.

Ökologisch ginge die Rechnung ohnehin auf, denn selbst wenn rein fossil erzeugter Strom eingesetzt wird, reduziert sich der Brennstoff-Bedarf auf ein Drittel. In Ländern, deren Stromversorgung in erster Linie auf Wasserkraft beruht (Schweiz 50%, Österreich 60%, Brasilien 85%, Norwegen 99%), zieht das ökologische Argument entsprechend stärker. Eigentlich sollten die Bahnen Europas ganz schnell solche Fahrzeuge auf die Schiene bringen, ehe die derzeit verfügbaren Vorräte an Lithium für weniger sinnvolle Anwendungen vergriffen sind. Weitere Argumente ergäben sich auf Nebenstrecken – alle anderen sind ohnehin elektrifiziert – für leise und abgasfreie Fahrten durch Wohngebiete, Naturschutzgebiete, Tunnel und andere Problemfelder.

Die Schwachpunkte der alten BR 515, derentwegen sie nach 40 Dienstjahren und weit über 200 gebauten Exemplaren ausgemustert wurde, dürften neben den Wartungskosten und der begrenzten Lebensdauer der Pb-Akkumulatoren vor allem die zu geringe Reichweite und Fahrdynamik gewesen sein. 300 km mit höchstens 100 km/h sind für heutige Anforderungen schlichtweg unattraktiv, und 300 kW Stundenleistung bieten nicht die wünschenswerte Spurtfreudigkeit und Steigfähigkeit. Diese Lücken dürfte der Li-Ionen-Akkumulator, wenn nicht beim Automobil, so aber doch beim Schienenfahrzeug zu schließen in der Lage sein. Durch genauere Berechnungen müsste sich dies bestätigen lassen.

Sorgenkind Heizung

Die Frage ist dann noch, wie man das neuartige Fahrzeug beheizt. Das alte Auslaufmodell war mit einer Ölheizung versehen, doch dies kann nicht der Sinn der Sache sein. Eine übliche Bahn-Elektroheizung würde die Reichweite des Akkus zu sehr schmälern. Vielleicht käme für den Akku-Triebwagen der Zukunft nur eine weitere Verbesserung der Wärme-Isolierung des Wagenkastens zusammen mit einer Wärmepumpe in Frage. Diese ist in Form der Klimaanlage – siehe mehr Komfort – ohnehin vorhanden. Man müsste diese nur anders herum arbeiten lassen.

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Optimal: Akkumulator getriebene Rangierloks

Ein weiteres Anwendungs-Gebiet, auf dem sich der reine Akkumulator-Antrieb vielleicht noch eher anbieten würde, zumal noch nicht einmal ein Fahrgastraum beheizt werden müsste, wäre der Verschiebedienst, also Rangierloks. Kaum irgendwo bringen Verbrennungsmotoren einen so großen Teil ihrer Betriebszeit im Leerlauf zu – während die gelegentliche Abforderung großer Zugkräfte über kurze Zeit dem Elektromotor ebenso wie vielen Akkumulatortypen wie auf den Leib geschrieben wäre. Ein DB-Betriebswerk berichtet z. B. im langjährigen Mittel einen Verbrauch von 16 bis 20 Litern Kraftstoff pro Stunde für eine kleine 2-achsige Rangierlok von nur 390 kW. Somit kostet der Betrieb selbst einer solch bescheidenen Rangierlok allein für den Kraftstoff schon etwa 300 € am Tag oder 300.000 € in 3 Jahren. Dafür könnte man etwa 300 kWh Lithium-Ionen-Akkukapazität einkaufen, womit der zuvor skizzierte Akku-Triebwagen schon 150 km weit gekommen wäre und was also locker für einen Tag Rangierdienst reichen müsste. Die Investition hätte sich also bereits nach rund 3 Jahren amortisiert.

In den USA wurde kürzlich eine Lokomotive mit Pb-Akkumulatoren herausgebracht. Die Leistungs-Merkmale sind nicht berauschend, aber das müssen sie auch nicht. Das hohe Gewicht hat gerade für den Verschiebedienst seine Vorteile und beeinträchtigt andererseits die Energiebilanz bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten so gut wie gar nicht.

Kommerziell verfügbar ist der monovalente Batterie-elektrische Antrieb bereits im kleinen Maßstab – für so genannte »Rangiergeräte«. Dies sind unbemannte »Lokomotivchen« für den Bereich bis zur Schrittgeschwindigkeit, im Einsatz zur Einfahrt in bzw. Ausfahrt aus Hallen, wo keine Oberleitung betrieben werden kann, zur sequentiellen Entladung von Güterwagen und dergleichen, oft als Zwei-Wege-Fahrzeug ausgeführt. Dies bedeutet, dass es beliebig zwischen Gleisen und asphaltierten Flächen wechseln kann. Der Antrieb, der in beiden Fällen über Gummireifen erfolgt, erhöht die Zugkraft dieser wegen der geringen Leistung nicht gerade besonders schweren Fahrzeuge deutlich. Ein solches Gefährt wurde vor kurzem vorgestellt. Eine Akkuladung (von etwa 20 kWh – wie bei derzeit üblichen Elektro-PKW, so man denn bei diesen von »üblich« überhaupt sprechen könnte) soll für eine Schicht ausreichen. Bleiakkumulatoren sorgen hier für das erforderliche Gewicht.

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Auch kombinierbar mit Stromabnehmer

Die meisten Nahverkehrslinien führen aus den Ballungsräumen heraus »aufs platte Land«. Die Dieseltriebzüge fahren längere oder kürzere Streckenabschnitte unter einem Fahrdraht, den sie zwar nicht benutzen, dafür aber beschmutzen (was auch ein Problem ist), ehe sie auf die nicht elektrifizierten Nebenstrecken abbiegen (Bild 35). Hier könnte ein Akku-Fahrzeug, das zusätzlich mit einem Bahntransformator und Stromabnehmer ausgestattet ist, wie ein konventionelles Elektrofahrzeug fahren und zugleich die Akkumulatoren aufladen.

Auch während des Aufenthalts am stadtnahen Endbahnhof der Linie könnte nachgeladen und elektrisch geheizt werden. Die teure und schwere Akku-Kapazität ließe sich auf einen Bruchteil vermindern. Auch der Trafo müsste nicht notwendigerweise für die Spitzenleistung des Fahrzeugs ausgelegt werden – je nach dem, wie die Strecke sich aufteilt. Zumindest ein Anfang in die elektrische Zugförderung auf nicht elektrifizierten Strecken wäre damit gemacht.

Besonders vorteilhaft wäre die Einführung dieser Technik für Flügelzüge. Nur allzu oft ist eine der Strecken vollständig und die andere lückenhaft elektrifiziert, was dazu führt, dass zwei Dieseltriebzüge zum Einsatz kommen, da es zueinander kompatible Diesel- und Elektrozüge nicht gibt.

Bild 35
Bild 35: Der Dieseltriebwagen BR 648 stellt z. B. die Verbindungen vom Ruhrgebiet ins Sauerland her

Ein weiterer Kostenvorteil ergäbe sich bei Einführung dieser Technik so zu sagen von selbst oder zusätzlich, weil auch dann, wenn eine Oberleitung vorhanden ist, die Speicherung der Bremsenergie im Fahrzeug ökonomischer ist als die Rückspeisung in die Oberleitung. Dies liegt daran, dass man den technischen Wirkungsgrad – zwei Mal die Verlustkette vom Stromabnehmer über Transformator, Umrichter, Motoren und zum Teil Akku und wieder zurück (≈ 75%) – mit dem ökonomischen Wirkungsgrad (Rückspeisepreis / Bezugspreis ≈ 69% – Tabelle 3) multiplizieren muss. Bei Speicherung im Fahrzeug verbleibt nur der technische Verlust, was den finanziellen Verlust um mehr als die Hälfte reduziert. Dies ist insbesondere für Privatbahnen interessant; bei DB-Zügen bliebe im Grunde alles »in der Familie«. Durch geschickte Aufteilung der Zuständigkeiten zwischen DB Netze und DB Energie lässt sich nämlich der vom Gesetzgeber geforderte diskriminierungsfreie Zugang zu Bahnstrecken und zum Bahnstrom juristisch wieder aushebeln. Dafür bezieht der DB-Konzern natürlich andererseits wieder moralische Prügel. Tut er es nicht, passt also nicht ordentlich auf das ihm von den Fahrgästen anvertraute Geld auf, bezieht er auch Prügel – unter Umständen sogar von derselben Seite. Ein Akku im Fahrzeug führt auch aus diesem Dilemma wieder heraus und wird so doppelt genutzt – unter der Oberleitung, um aus der finanziellen Situation das Beste zu machen, und fehlt die Oberleitung, dann aus rein technischen Gründen, um das ökonomisch und ökologisch vorteilhafte elektrische Fahren auch hier zu ermöglichen.

In Großbritannien wird derzeit ein Versuch mit einem »echten« Lückenfüller geplant, der ohne Dieselmotor, allein mit Akkumulator, Streckenabschnitte ohne Oberleitung überbrücken soll. In Japan gibt es ihn schon.

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Das Nicht-Hybrid-Fahrzeug auf Schienen

Sofern die Linien aber keine oder zu wenig elektrifizierte Hauptstrecken berühren, könnte, solange der rein elektrische Betrieb sich noch nicht durchsetzen lässt, ein Fahrzeug eine Brücke bilden, das vordergründig wie ein Auto mit Hybrid-Antrieb scheint. Nüchtern betrachtet, also vom Standpunkt der Energie-Versorgung her, verhielte sich ein solches Fahrzeug wie ein reines Dieselfahrzeug, doch könnte hiervon ein wesentlich größeres Sparpotenzial erschlossen werden als auf der Straße. Dies sollte im Abschnitt »Dieselmotoren« deutlich geworden sein, da die Dieselmotoren bei der Bahn grob geschätzt 90% ihres Lebens im Leerlauf zubringen. Statt die Dieselmotoren direkt auf die Antriebsachsen wirken zu lassen, sollte ein ganz »gewöhnlicher« Einzelachs-Antrieb mit Elektromotoren eingesetzt werden, die die volle Leistung entfalten. Hinzu käme ein Dieselgeneratorsatz, der nur für die gemittelte Leistung, einschließlich der negativ gerechneten Rückspeiseleistung, ausgelegt sein müsste. In Wirklichkeit würde es sich dabei um ein Elektrofahrzeug mit eingebauter Stromversorgung handeln, nicht um ein Hybridsystem, denn ohne den Akkumulator könnte ein solches Fahrzeug mit den Dieselmotörchen allein nicht fahren. Vielmehr ginge es hier um ein Elektrofahrzeug mit »Reichweiten-Verlängerung«, zu Deutsch »Range Extender«. Für ein Fahrzeug ähnlich dem »TALENT«-Triebzug der Baureihe 643, das von zwei Dieselmotoren zu je 315 kW angetrieben wird, müsste ein PKW-Motor von 66 kW ausreichen – oder deren zwei, da der Leerlauf-Betrieb oftmals kein reiner Leerlauf ist, insbesondere wenn die Klimaanlage in Betrieb ist. Den zweiten Generatorsatz könnte man dann wahlweise nach Bedarf zu- oder abschalten. Alternativ kämen auch Gasturbinen in Betracht, deren Vorteil in einer hohen Drehzahl liegt, wodurch das gesamte Aggregat kleiner und entsprechend leichter würde. Gerade Turbinen lassen sich dort besonders wirtschaftlich einsetzen, wo sowohl Drehzahl als auch Last konstant bleiben. Eben deswegen trifft man sie bisher nie im Fahrzeug-Antrieb, stets aber in Kraftwerken an. Von ihrer hohen Leistungsdichte zeugt der Einsatz in der Luftfahrt.

Vom dieselelektrischen Antrieb zum Hybrid-Antrieb

Zwischen den Generator und den elektrischen Antrieb setzt man einen Akkumulator, der hier nur einen Bruchteil der Kapazität des voll elektrischen Fahrzeugs haben müsste. Eine Auslegung, die zur Überwindung einer Steigung mit 100 m, 200 m oder 300 m Höhen-Unterschied, je nach Einsatzfall, ausgelegt ist, wäre ausreichend. Ein Beschleunigungs-Vorgang verbraucht weniger als das. Lediglich die gleiche Strom-Belastbarkeit wie beim reinen Akku-Fahrzeug wäre gefordert. Der Dieselmotor liefe ständig mit voller Leistung – und dies bedeutet bei optimaler Drehzahl und bestem Wirkungsgrad – und die Differenz zwischen Angebot und Nachfrage würde der Akku schlucken bzw. bereit stellen. Die Nutzbremsung wäre in vollem Umfang gegeben. Wärme würde kontinuierlich produziert, müsste also nicht bergauf zum größten Teil weggeworfen, bergab zusätzlich im Heizkessel erzeugt werden. Der Dieselmotor könnte automatisch oder ferngesteuert rechtzeitig vor Antritt der Fahrt angelassen werden und eine Zeit lang so zu sagen als Blockheizkraftwerk laufen, damit das Fahrzeug bereits schön warm ist, wenn die ersten Fahrgäste des Tages zusteigen. Das Fahrzeug sollte dazu am Abend zuvor ganz gezielt mit noch nicht ganz vollem Akku abgestellt werden, damit es noch etwas aufzuladen gibt, wenn es etwas zu heizen gibt. Der Heizkessel könnte entfallen und würde die Kostenbilanz weiter entlasten. Ein auf diese Weise von der Netzfrequenz entkoppeltes Blockheizkraftwerk könnte, durch eine Gasturbine angetrieben, beliebig schnell laufen, wodurch auch der Generator kleiner und leichter und die Frequenz höher würde, was die Gleichrichtung und Glättung bei Speisung auf eine Gleichstromlast (Laden eines Akkumulators) erleichtert.

Natürlich ließe sich ein solches Fahrzeug auch zusätzlich mit einer Ladevorrichtung für die Nacht (»Plug-In Hybrid«) oder, falls es unter Fahrdraht übernachtet, mit einem Stromabnehmer (»Pop-Up Hybrid?«) ausstatten, mit billigem Nachtstrom vorheizen und dann das erste Stück ohne Gebrauch des Dieselmotors fahren. Es kommt jedoch darauf an, was der Lokführer daraus macht. Schon jetzt beobachtet man, dass der eine beim Dieselfahrzeug während eines mehrminütigen planmäßigen Aufenthalts die Motoren abschaltet, der andere sie aber laufen lässt.

Überhaupt gilt es zu bedenken, dass der Preis des Akkus im PKW wahrhaft erschreckend wirkt, da er die Hälfte des Kaufpreises ausmacht. Beim Akku-Triebwagen jedoch wäre es nur etwa ein Viertel des Gesamtpreises. Mit dem Diesel-Aggregat wird nur noch ein Bruchteil dieser Speicherkapazität gebraucht, und so bleibt genügend Platz und Geld für den Generator übrig. Der einzig verbliebene, stark geschrumpfte Dieselmotor kostet und wiegt, zumal ohne das komplizierte Getriebe, ebenfalls weit weniger als die beiden Fahrmotoren der BR 643 oder beispielsweise 648, und bei permanentem »Vollgas«-Betrieb verbraucht er etwa 20 Liter Kraftstoff in der Stunde. Damit führen die bestehenden Baureihen 643 und 648 nur etwa 20 km weit. Im fahrplanmäßigen Betrieb sollten sie eigentlich das Doppelte oder Dreifache in einer Stunde schaffen. Entsprechend groß wäre der Einspar-Effekt: Rund einen halben Liter Dieselkraftstoff auf jedem Kilometer. Strom macht’s möglich.

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Hybrid-Antrieb auch im Fernverkehr?

Dabei muss ein solches Fahrzeug nicht notwendigerweise auf den Nahverkehr beschränkt bleiben, denn es gibt bei der DB AG nach langer Zeit nun wieder wenigstens ein einziges Dieselfahrzeug des Fernverkehrs, die BR 605, einen 4-teiligen ICE-Triebzug mit Neigetechnik, angetrieben von 4 Dieselmotoren zu je 560 kW und mit einer zulässigen Höchstgeschwindigkeit von 200 km/h. Seit der Indienststellung der 20 Züge im Jahr 2000 führten auch die 19 verbliebenen – einer wurde bei einem Sturz von einer Hebebühne vollständig zerstört – ein glückloses Dasein. Wegen technischer Probleme durfte u. a. die Neigetechnik auf Geheiß des Eisenbahn-Bundesamtes nicht genutzt werden. Letztendlich wäre die Elektrifizierung der Strecken, für die diese Fahrzeuge vorgesehen waren, kostengünstiger gewesen. Eben deshalb würden sich diese Fahrzeuge für einen Umbau als Versuchszüge geradezu anbieten, denn:

  • Diese Züge sind mit dieselelektrischem Antrieb ausgestattet, verfügen also bereits über elektrische Fahrmotoren und Umrichter.
  • Sie entstanden nach Angaben der DB auf der Plattform des 5-teiligen elektrischen Triebzugs der BR 415.
  • Sie waren über mehrere Jahre außer Dienst gestellt.
  • Sie standen zum Verkauf, aber niemand wollte sie haben.
  • Als Grund für die beiden letztgenannten Punkte werden u. a. hohe Kraftstoffkosten angeführt.

Heute bedient ein Teil dieser Züge die 644 km lange die Strecke von Berlin über Hamburg nach Kopenhagen, während einige von ihnen noch immer im Depot stehen. Die Tour nach Dänemark verläuft zunächst bis Hamburg über 285 km mit hoher Geschwindigkeit, aber ohne Halt, danach mit mehr Halten, aber recht gemächlichem Tempo, was jeweils den Kraftstoff-Verbrauch dämpfen sollte. Dieser wird für diese Strecke mit etwa 1,7 l/km angegeben. Eine als Reaktion auf die vorliegende Veröffentlichung durchgeführte Simulationsrechnung ergab für den Streckenabschnitt von Berlin bis Hamburg einen Verbrauch von 2,1 l/km. Damit verbraucht dieser dieselelektrische Zug mit 4 Wagen und einer höchstzulässigen Geschwindigkeit von 200 km/h nur unwesentlich mehr als die dieselhydraulische BR 612 mit 2 Wagen und einer Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h. Dies zeigt auf bemerkenswert deutliche Weise, warum der dieselelektrischen Kraftübertragung trotz des deutlich höheren Aufwands weltweit der Vorzug gegeben wird.

Getankt werden sollte aus Preisgründen vorzugsweise in Dänemark, doch das haut bei diesem Verbrauch nicht immer hin. Auch ist der größere Teil der Strecke elektrifiziert (Bild 36). Da die sagenhafte Fehmarn-Brücke noch auf sich warten lässt, werden die Züge zwischen Puttgarden und Rødby auf eine Eisenbahnfähre verladen. Beim Einfahren werden 3 der 4 Motoren abgeschaltet, um die Abgas-Belastung im Inneren des Schiffes zu begrenzen. Während der Überfahrt darf dann gar kein Diesel laufen, und der Zug wird über Steckvorrichtungen vom Bordnetz des Schiffes versorgt – sprich letztendlich wieder mit Strom beheizt, der aus Dieselgeneratoren stammt, während sich die Fahrgäste noch nicht einmal im Zug, sondern an Deck des Schiffes aufhalten.

Bild 36
Bild 36: ICE BR 605 ohne Stromabnehmer – aber der Witz der Geschichte ist auch hier, wie so oft: Meistenteils fährt er doch unter Fahrdraht!

Damit liegen die Kraftstoffkosten bei 1500 € für eine einfache Fahrt! Das entspricht rund 12 Vollpreis-Reisenden, 21 Fahrgästen mit BahnCard 50 oder 18 Inhabern von Sparpreis-Fahrkarten auf den insgesamt 195 Sitzplätzen, die laut DB zu 40% besetzt sein müssen, damit sich der Zug wirtschaftlich betreiben lässt. Dies entspräche 78 Fahrgästen, von denen also je nach Tarif 14%, 28% bzw. 22% allein für die Kraftstoffkosten zahlen. Wenn also Energiekosten bei der DB AG nur 3% ausmachen, so ist das dem hohen Grad der Elektrifizierung zu verdanken. Es darf wohl angenommen werden, dass die DB AG den Inhabern ihrer »BahnCard mit 100% Ökostrom« die Benutzung dieser Verbindung verweigert, um ihr Versprechen einzuhalten.

Was läge angesichts all dessen näher als 2 oder 3 der 4 Dieselaggregate gleich ganz auszubauen und den Platz zum Einbau von Akkumulatoren zu nutzen? 285 km am Stück mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 140 km/h schafft der Zug zwar mit einem Motor nicht mehr und mit zweien nur mit Mühe, wie die o. g. Simulation verdeutlichte, doch diese lässt wiederum die Frage offen, warum sie nur für diesen schnellen, im Idealfall mit konstanter Geschwindigkeit zu fahrenden Streckenabschnitt durchgerechnet wurde und nicht für die gesamte Strecke bis Kopenhagen. Schließlich gehört dieses Fahrzeug gar nicht auf eine durchgehend elektrifizierte Fernverkehrsverbindung.

Zu erwägen wäre daher der rein elektrische Betrieb, je nach Verfügbarkeit auf dem jeweiligen Streckenabschnitt aus dem Akkumulator, dem Fahrdraht oder dem Schiffsnetz gespeist. Eine Baureihe, der zeitweise schon stark der zweifelhafte Ruhm einer Fehlplanung anhaftete, könnte so zu einem Paradepferd und Vorzeige-Objekt der DB AG in Sachen Umweltschutz und Energie-Einsparung werden – und sich ganz nebenbei auch noch bezahlt machen, ehe die BR 605 zum »E 605« in den Bilanzen der DB wird. Womöglich fänden sich nun auf einmal Käufer für den Zug – aber dieser stünde nicht mehr zum Verkauf; es sei denn, er würde als neues Industrieprojekt aufgelegt und in entsprechenden Stückzahlen gezielt für den Export gebaut. Das wäre eine Sache der Bahnindustrie. Deren Totschlag-Argument ebenso wie vor allem das der DB AG ist, dass der Umbau eines vorhandenen Fahrzeugs stets mit erheblichem bürokratischem Verwaltungs-Aufwand für die Neuzulassung verbunden ist.

Entsprechende Vorschläge findet man nicht nur hier, sondern zumindest auch an einer anderen Stelle, nämlich bei niemand Geringerem als dem – an sich doch gar nicht für den Schienenverkehr zuständigen – Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), wie die Fachpresse berichtet. 19,2 t Batterien führt in deren Konzept »NGT LINK« ein Zubringerzug mit sich, ein Nachfolger für die IC-Züge mit einer Höchstgeschwindigkeit von 230 km/h, um zwischendurch auch »nicht elektrifizierte Strecken befahren zu können«.

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Hybrid-Antrieb im Nahverkehr – Versuche machen allmählich Mut

Im Personen-Nahverkehr gibt es mittlerweile einige – anfangs recht zaghafte – Versuche in diese Richtung. Noch 2010 wurde lediglich einer der beiden Dieselmotoren zu je 315 kW des Dieseltriebwagens BR 642 weggelassen und der andere zusammen mit einer Elektromaschine auf einer Welle angeordnet. An anderen Stellen ist vom Austausch beider Aggregate die Rede. So gelangte man zu einem Parallel-Hybrid, bei dem der Dieselmotor indirekt über den Elektro-Antrieb und auch direkt auf die Antriebsräder arbeiten kann, jedoch »der Antriebsstrang des hydrodynamischen Getriebes blieb unverändert«. Somit zog die Elektromaschine im Motorbetrieb darüber hinaus auch noch den Dieselmotor mit, und der verlustreiche hydrodynamische Antriebsstrang, über den die Elektromaschine nun zu arbeiten gezwungen war, war für diese so überflüssig wie ein Kropf. Das war kein echter Hybrid-Antrieb, sondern Flickschusterei – genau wie man bei den Elektroautos über Jahrzehnte hinweg immer wieder einmal aus einem bestehenden, für einen Otto- oder Dieselmotor konzipierten Fahrzeug diesen ausbaute, durch einen Elektromotor ersetzte und so zielsicher vermied, dass die Vorteile des elektrischen Antriebs wirksam wurden. Die bescheidene elektrische Antriebsleistung und die geradezu spartanische Bemessung der Akkumulator-Kapazität konnten an dem Konzept nichts als Zweifel aufkommen lassen. Entsprechend erwartete man von diesem so genannten Hybrid-Triebwagen, der konsequenterweise immer noch die Baureihennummer 642 trug (statt z. B. die 700er-Nummern hierfür heran zu ziehen oder gar eine 500er zu vergeben, was für »Akku-Triebwagen« stünde), Kraftstoff-Einsparungen »bis zu 25%«.

2017 nimmt man sich nun wieder die BR 642 vor – dieses Mal schon etwas mutiger. Von einem seriellen Hybrid ist dort die Rede, also einem Diesel-Generator, der den Fahrstrom für ein eigentlich elektrisch fahrendes Fahrzeug erzeugt. So wird ein Schuh daraus. Schwerpunkt des Projekts soll denn auch eine möglichst weit reichende Erschließung des Rekuperationspotenzials sein. Die Akkumulator-Kapazität ist von niedlichen 4,7 kWh auf vernünftige 152 kWh angewachsen. Auch eine Steckdose zum Nachladen ist vorgesehen.

Gleiche Zeit, gleiche Baureihe: Auch die Idee der Kombination des Elektroantriebs mit Akkumulator, Dieselmotor und Stromabnehmer wird nun zumindest als Konzept entworfen. Dabei wird auch gleich angedacht, die Elektrik so auszulegen, dass eine punktuelle Nachladung an gewissen kurzen »Oberleitungs-Ladepunkten« mit 50 Hz aus dem Landesnetz möglich ist – eine sehr vernünftige Idee!

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Aus Angst vor Akku-Kosten: Das »Zweikraft-Fahrzeug«

Das »Zweikraft-Fahrzeug« dagegen gibt es nämlich schon lange, bei dem ein Elektro-Antrieb über Stromabnehmer und ein Diesel-Antrieb alternativ vorhanden sind. Diese sind jedoch gegeneinander »elektrisch verriegelt«, so dass sie sich nicht parallel betreiben lassen, denn dazu ist dieses Konzept nicht gedacht. Vielmehr sollen die Vorteile des Oberleitungsstroms genutzt werden, wo eine vorhanden ist, und für die restlichen Teile der Strecke wird eine »Behelfslösung« eingepackt. So ist denn auch die Motorleistung, teilweise auch die Höchstgeschwindigkeit, bei den meisten solcher Fahrzeuge im Dieselbetrieb deutlich geringer als im elektrischen Betrieb. Elektro-Traktion ist eben doch in vielerlei Hinsicht überlegen; nur diesen dummen Draht braucht sie immer noch. Der Akku könnte es richten…

Love me Tender!

Ein Projekt dagegen, das ohne jede Öffentlichkeit und offenbar auch ohne öffentliche Förderung auskommt, befasst sich mit der Entwicklung eines Tenders für Elektrolokomotiven, der nicht weniger als 500 Mal so viel Energie zu speichern in der Lage ist als o. g. »Hybrid«-Umbau (Abschnitt »Hybrid-Antrieb im Nahverkehr – ein Versuch«). Damit möchte man Lücken in der Elektrifizierung des bestehenden Netzes ohne Lokwechsel durchfahren können – ein wesentlich sinnvollerer Ansatz.

Ein anderer Ansatz versuchte schon 1975 mit drei Prototypen, eine dieselelektrische Lokomotive auf elektrifizierten Streckenabschnitten rein elektrisch fahren zu lassen, indem man auf einen »Stromversorgungswagen«, der einen Bahntransformator beherbergte, einen Stromabnehmer setzte und eine entsprechende Verbindung zu der Lokomotive herstellte. Während dieses Projekt damals in erster Linie dazu diente, den Bahnbetrieb mit Drehstrom-Asynchronmotoren zu erproben und seine Tauglichkeit nachzuweisen, was 1983 in der BR 120 erstmalig umgesetzt wurde, wurde die ursprüngliche Idee 2016 wieder aufgegriffen: Acht Lokomotiven der BR 245 können damit auf den Linien der Südostbayernbahn elektrisch fahren. Damit muss dann zwar auf den nicht elektrifizierten Strecken noch immer mit Diesel gefahren werden – aber wenigstens nur dort.

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Hybrid-Antrieb im Rangierdienst

Bild 37
Bild 37: Endlich kommerziell verfügbar: Rangierlokomotive mit Hybrid-Antrieb aus Diesel-Generator und Akkumulator, auf der Innotrans 2010 in Berlin der Fachöffentlichkeit vorgestellt

Die Rangierlokomotive mit Hybrid-Antrieb hingegen gibt es schon. Nach 5 Jahren Entwicklungszeit wurde sie auf der Innotrans 2010 vorgestellt (Bild 37) und wird zu Preisen um etwa 1,6 Millionen Euro angeboten. Dabei handelt es sich bisher um von Grund auf renovierte, umgebaute, sehr alte Lokomotiven der Reichsbahn der DDR. Sie wurden mit Nickel-Cadmium-Akkumulatoren ausgerüstet und die Leistung des Dieselmotors deutlich reduziert, der zudem erst automatisch anspringt, wenn die Akkuladung zur Neige geht. Anderenfalls wäre es vorhersehbar, dass die Lokführer, die den Kraftstoff nicht bezahlen müssen, aber Ärger bekommen, wenn die Lok nicht fährt, den Motor »vorsichtshalber« eben doch in gewohnter Manier dauernd laufen lassen. So aber werden 40%, teilweise je nach Quelle – und natürlich abhängig von der Betriebsart – auch 50% Kraftstoff-Einsparung angegeben. Die Amortisationszeit soll bei der für Rangierloks typischen Betriebsweise etwa 5 Jahre betragen. Dies erscheint plausibel, da sich diese Betriebsweise ganz erheblich vom Hybrid-PKW unterscheidet, wo man schon einen Ottomotor einbauen muss, damit der Hybrid-Antrieb noch etwas bringt, weil der Dieselmotor sich für das Anforderungsprofil im Straßenverkehr schon »zu gut« eignet. Somit wäre es nun an der Zeit, mit dem im Abschnitt »Zugheizung« erwähnten »Gütertriebwagen« einen neuen Anlauf in Hybridtechnik zu wagen.