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Energietechnische Gesellschaft

im VDE

Präsentation der VDE/ ETG-Studie:

Energieoptimaler Bahnverkehr

Arnd Stephan / Carsten Söffker / Martin Altmann

Hannover, 25.04.2018

Elektrische Bahnen als Chance für die Energiewende !

Quelle: Bartlomiej Banaszak, Deutsche Bahn AG

Auf dem Weg zum 1-Liter-Zug

… mehr als 130 Jahre

Elektromobilität auf der Schiene

Weltweiter Energiebedarf ist

konventionell nicht zu befriedigen.

Regenerative Erzeugung bedeutet

höhere Volatilität.

Höhere Energieeffizienz ist zur Schonung der

Ressourcen unabdingbar.

Elektrizität wird zum Hauptenergieträger,

auch im Verkehr.

Aspekte der Energiewende

Was verstehen wir unter Elektrischen Bahnen?


Städtischer

Nahverkehr:

Straßenbahn



Städtischer

Nahverkehr:

Straßenbahn

Schneller

Nahverkehr:

S- / U-Bahn,

Regionalbahn



Städtischer

Nahverkehr:

Straßenbahn

Schneller

Nahverkehr:

S- / U-Bahn,

Regionalbahn

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Fernverkehr:

HGV



Städtischer

Nahverkehr:

Straßenbahn

Schneller

Nahverkehr:

S- / U-Bahn,

Regionalbahn

Personen-

Fernverkehr:

HGV

Güterverkehr:

Leistungsfähigkeit und Effizienz


1879 10 km/h 2,2 kW

2009 350 km/h 22 MW



Elektrische Bahnen …

Bo’ Bo’

82 t, 4 Achsen

7,0 MW

Co’ Co’ + Co’ Co’ + Co’ Co’ + Co’ Co’

520 t, 24 Achsen

4 x 2,0 MW = 8,0 MW

Grundlagen: Leistungsfähigkeit der E-Traktion

Warum fährt die Bahn elektrisch?

Grundlagen: Leistung und Energie

Energieaufnahme

Energierückspeisung

Elektrische Bahnen sind schon heute hochgradig energieeffizient


► Fernverkehr: 2,0 l pro Person und 100 km Dieseläquivalent inkl. Kraftwerk (D)

bei vmax = 300 km/h und 100 % Besetzung

► Nahverkehr: 1,0 l pro Person und 100 km Dieseläquivalent inkl. Kraftwerk (D)


► Stadtverkehr: 1,5 l pro Person und 100 km Dieseläquivalent inkl. Kraftwerk (D)


► Güterverkehr: niedrigster spezifischer Energiebedarf 15 … 30 Wh / t / km ab Fahrleitung

45 … 90 Wh / t / km inkl. Kraftwerk (D)

Fakten-Check:

Status quo und Einflussgrößen auf den Energiebedarf

Simulationsrechnungen:

Wie schlagen sich Änderungen an den Einflussgrößen

im Energiebedarf tatsächlich nieder?

Verbesserungspotenziale:

Aufzeigen von technischen und betrieblichen Maßnahmen

Nutzwertanalyse:

Priorisierung der Maßnahmen nach Effekt und Aufwand

Innovations-Offensive:

Wer sollte zukünftig was genau tun?

Inhalte der ETG-Studie „Energieoptimaler Bahnverkehr“ –

Wann kommt der 1-Liter-Zug?

Gegenstand der Untersuchung: Gesamtsystem


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2

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Verluste Energie-bedarf Heizung/ Klima Aus-rüstung Strecken-wider-stand Lauf-wider-stand Beschleu-nigungs-widerstand Trassie-rung Fahr-weise Fahr-plan Bahnbetrieb Energie-versorgung Fahrgast-infrastruktur (auch Güter)

Fahrantrieb Bordnetz-Komfort Fahrdynamik Betriebsführung Stationäre Anlagen

3:

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Energiebedarf nach Faktoren Fernverkehr Güterverkehr Regional (AC) S-Bahn / U-Bahn Straßenbahn

Methodik der Studie: 1) Expertenseminar

33 verschiedene Einflussgrößen (technisch & betrieblich)

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Methodik der Studie

2) Simulation der energetischen Auswirkungen

Fahrzeugantriebstechnik

Eisenbahn-Betriebssimulation

“Co-Simulation”

Bahnstromsystem

ATM Advanced

Train Module

PSC Power Supply

Calculation Interaction

Fahrzeugtechnik (Material, Lauftechnik, Aerodynamik …)

Antriebstechnik (Struktur, Technologie, Wirkungsgrade …)

Bordnetze und Hilfsbetriebe (Struktur, Management …)

Bahnstromsystem (Speiseart, Komponententechnologie …)

Bahnbetrieb (Fahrweise, Koordinierung, Automatisierung …)

Priorisierung mittels Nutzwertanalyse:

Technologischer Aufwand

Realisierungszeitraum

Investitionsbedarf

Energiesparpotenzial

Methodik der Studie

3) Maßnahmenkatalog für Verbesserungen

1. Energie“verluste“ verringern

Priorisierte Maßnahmen

Verlustarme Elektroenergieerzeugung

Verlustarme Energiewandlung im Fahrzeug

Verringerung des Fahrzeugwiderstandes

Ergebnisse der Studie

Herausforderung: Energieversorgung der Zukunft

Herausforderung: Energieversorgung der Zukunft

Li-Ionen-Batterie

Hoffnungsträger Elektrische Energiespeicher ?

Ausbau der Elektrifizierung für Verkehrsachsen und Systeme mit hoher Leistung:

Aber auch dort, wo der Bau einer Oberleitung (noch) unwirtschaftlich ist,

können die Bahnen als Batteriehybride elektrisch fahren:

• Mit Brennstoffzelle (Coradia iLint von Alstom) oder Gelegenheitsladung (EcoTrain der DB, Talent 3)

Wie kommt nun die elektrische Energie zum Zuge ?

2. Energie“verschwendung“ vermeiden


Energiesparende Fahrweise

Bedarfsgerechte Klimatisierung

Maximierung des rekuperativen Bremsens

Energieoptimiertes Fahrzeugbordnetz


3. Energie“optimierung“ vorantreiben


Netzstruktur bei Gleichstrombahnen optimieren

Fahrerassistenzsysteme einsetzen

Entmischung der Verkehre vorantreiben


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Quelle für icons: meks-energy.de

Gleichstrom-

Unterwerk

Schema der Energieflüsse im elektrischen ÖPNV - klassisch

Zentrale Erzeugung

Separate Verbraucher

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Gleichstrom-

Unterwerk

Schema der Energieflüsse im elektrischen ÖPNV - heute

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Gleichstrom-

Unterwerk

Vollständige Umsetzung von zweiseitiger Speisung und Vermaschung

Fortschreitende Vernetzung

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Intelligentes

Gleichstrom-

Unterwerk

Sukzessive Modernisierung mittels bidirektionaler Unterwerke

Elektrische Bahnen

als Prosumer

Geringer Fahrwiderstand und bidirektionale, leistungsfähige Energieübertragung

sind bekannte Erfolgsfaktoren für die hohe Energieeffizienz elektrischer Bahnen.

Bahnindustrie:

Selbständige Nutzung auch kleinerer technischer Potenziale

Wahrnehmung der Design Authority für das Gesamtsystem

Bahnbetreiber:

Stärkere Wertschätzung des energetischen Aspektes bei der Spezifikation

Netzweite Optimierung der betrieblichen Einsatzbedingungen

Politik:

Schaffung verlässlicher Rahmenbedingungen für große Investitionen

Verkehrssteigerung durch neue Strecken und Elektrifizierung

Fazit: Es gibt Handlungsoptionen!

Herausforderung: Energieversorgung der Zukunft Technologietransfer oder minderwertige Kopien?

Leistungsfähige, kontinuierliche

Energieversorgung (nur) dank

aufwändiger Infrastruktur.

„Platooning“: Zugbildung

mittels elektronischer Kupplung

(und hohem Fahrwiderstand).




Die Nachfrage nach Mobilität steigt kontinuierlich.

Elektrische Bahnen sind

leistungsfähig und effizient !

Netzausbau (Gleise und Energie) schafft

Kapazitäten.

Speicher-Lösungen für elektrischen Betrieb ohne Fahrdraht.

Elektrische Bahnen als Stütze und Profiteure der Energiewende !

Weltweiter Energiebedarf ist

konventionell nicht zu befriedigen.

Regenerative Erzeugung bedeutet

höhere Volatilität.

Höhere Energieeffizienz ist zur Schonung der

Ressourcen unabdingbar.

Elektrizität wird zum Hauptenergieträger,

auch im Verkehr.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

VDE – Netzwerk Zukunft

Ihre Ansprechpartner :

Dr.-Ing. Carsten Söffker

Alstom Transport Deutschland GmbH,

Linke-Hofmann-Busch-Straße 1,

38239 Salzgitter, Deutschland;

Tel: +49 5341 900-4222, Fax: -6578;

E-Mail: [email protected]

Prof. Dr.-Ing. Arnd Stephan

Technische Universität Dresden

Fakultät Verkehrswissenschaften

Professur für Elektrische Bahnen

Hettnerstr. 1-3, 01062 Dresden

Tel. +49 351 463-36730

E-Mail: [email protected]

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