FAHRZEUGE & KOMPONENTEN | Antriebskonzepte
Stand der Technik von Antriebs konzepten für Rangier- und Streckenlokomotiven
Durch die Entwicklung von neuartigen Antriebskonzepten für Lokomotiven entstehen neben Chancen, wie ein geringerer Energiebedarf, auch Risiken im Hinblick auf einen ökonomischen Betrieb. Dieser Artikel beschreibt derzeitige Entwicklungstendenzen von Antriebskonzepten für Rangier- und Strecken- lokomotiven und stellt eine Methode zur Entscheidungsunterstützung vor, welches Antriebskonzept bezogen auf das jeweilige Anforderungsprofil sich als optimal darstellt. Seiten der Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) EINFÜHRUNG werden, so müssen teilweise Grenzen für / Benedikt Scheier M.Sc. lokale Emissionen eingehalten werden, die Deutsches Zentrum für Luft- und Eisenbahnverkehrsunternehmen stehen aus Gründen der Arbeitssicherheit deutlich Raumfahrt (DLR) DLR Besucher heute durch den voranschreitenden tech- unterhalb der gesetzlichen Vorgaben lie- Institut für Verkehrssystemtechnik für nischen Fortschritt und den damit verbun- gen. Dies betrifft insbesondere Schadstoffe Wissenschaftlicher Mitarbeiter für [email protected] denen neuen Möglichkeiten im Bereich wie Stickoxide, Feinstaub und Kohlenstoff- der Energiespeicher und Antriebssysteme monoxid. Neben den Schadstoffemissio- stärker denn je unter Zugzwang, ihre bishe- nen können je nach Einsatzzweck auch die Dipl.-Ing. Holger Dittus genehmigt Deutsches Zentrum für Luft- und Ausdrucke rigen Fahrzeuge auf betriebswirtschaftliche Schallemissionen während des Betriebs eine Raumfahrt (DLR) 2019. Kostenoptimierung zu prüfen, und gegebe- entsprechende Entscheidungsgrundlage für
Institut für Fahrzeugkonzepte und nenfalls durch neue umweltfreundlichere, die Auswahl einer Lokomotive bzw. eines Gruppenleiter Energiemanage- unbefristet günstigere und leistungsoptimierte Syste- bestimmten Antriebskonzepts darstellen, ment und Evaluation Group, me zu ersetzen. wenn z. B. die Begrenzung von Schallimmis- [email protected]
Bei der Entscheidung, eine neue Loko- sionen in der Nähe von Wohngebieten erfor- Media Downloads motive für den Rangier- und/oder Strecken- derlich ist. Dipl.-Ing. Mathias Böhm Deutsches Zentrum für Luft- und dienst im Güterverkehr anzuschaffen, sind Raumfahrt (DLR) DVV verschiedene Vorüberlegungen zu berück- Institut für Fahrzeugkonzepte von sichtigen. Das schließt zum einen die Be- ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME Wissenschaftlicher Mitarbeiter einzelne trachtung der Lebenszykluskosten (LCC = FÜR LOKOMOTIVEN [email protected] für Life Cycle Costs) mit ein, zu denen Alternative Antriebs- und Energiespeicher- Homepageveröffentlichung Rechte genehmigt →→ die Anschaffungskosten mit ihren Trei- systeme werden vermehrt auf Strecken- Dr.-Ing. Christian Meirich Deutsches Zentrum für Luft- und bern Entwicklungs-, Herstellungs- und abschnitten eingesetzt, die nicht oder nur Raumfahrt (DLR) Zulassungskosten, teilweise elektrifiziert sind. Hier besteht Institut für Verkehrssystemtechnik →→ die Kosten in der Besitzphase (z. B. Ener- gegenüber der bisher eingesetzten Diesel- Gruppenleiter Angebotsplanung gie-, Instandhaltungs- und Re-Investiti- antriebstechnik einerseits das Potential der und Betrieb onskosten von Teilkomponenten) und Energieeinsparung und lokaler Emissions- [email protected] →→ die Kosten für die Entsorgung verringerung durch streckenweise Nutzung der Oberleitung oder Einsatz von Hybridsys- zeugantrieb genutzt werden können. Hierzu gehören. Zum anderen sind die Einsatzar- temen zur Energierückgewinnung. Anderer- zählen u. a. die Kombination aus Verbren- ten und die Infrastruktur für die Wirtschaft- seits können neuartige Antriebskonzepte nungsmotor und Energiespeicher oder aus lichkeit eines Antriebssystems ausschlag- betrieblich mehr Flexibilität schaffen, wenn Brennstoffzelle und Energiespeicher. Hy- gebend. Gleichzeitig führen verschärfte z. B. auf ein Umspannen der Loks verzichtet bridantriebe können als serielle, parallele Umweltrichtlinien und Gesetze dazu, dass werden kann. Es stellt sich die Frage, welche oder leistungsverzweigte Systeme umge- der Einsatz in bestimmten Bereichen und Vorteile die unterschiedlichen Antriebssys- setzt werden. Für Lokomotiven werden der- Arbeitsumfeldern für Lokomotiven mit ho- teme bieten, und für welchen Einsatzbereich zeit serielle und leistungsverzweigte Hybrid- hem Schadstoffausstoß eingeschränkt oder welches Antriebskonzept die optimale Wahl antriebe entwickelt. Serielle Hybride treiben verboten ist. Soll die Lokomotive vermehrt ist [1]. das Fahrzeug über Elektromotoren an, deren innerhalb von Produktionshallen oder in Ein Hybrid-Antriebssystem besteht aus Leistungsstromrichter mit der elektrischen Tunneln, bspw. für Instandhaltungsmaßnah- zwei unterschiedlichen Antriebsleistungs- Leistung aus beiden Leistungsquellen ge- men oder Rettungsmaßnahmen eingesetzt quellen, die beide gleichzeitig zum Fahr- speist werden. Bei leistungsverzweigten » www.eurailpress.de/etr ETR | DEZEMBER 2018 | NR. 12 51 FAHRZEUGE & KOMPONENTEN | Antriebskonzepte
BILD 1: weisen bspw. eine im Vergleich zum Ver- Blockschaltbild eines brennungsmotor kürzere Lebensdauer von seriellen Hybridsystems [2] etwa acht Jahren auf, so dass das Risiko be- steht, dass hohe Austauschkosten anfallen. Ob sich für eine Antriebsarchitektur ein be- triebswirtschaftlicher bzw. betrieblicher Vor- teil für eine Anwendung ergibt, muss also im Einzelfall genau untersucht werden. Auf der Anbieterseite ist die Umsetzung neuartiger Konzepte nicht nur technologisch, sondern auch wirtschaftlich herausfordernd, da sich die Einmalkosten für Entwicklung und Zulas- sung erst ab einer größeren Stückzahl amor- tisieren. Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Hybriden erfolgt die Leistungsübertragung technischen Gesichtspunkten problematisch. Antriebssysteme lassen sich grundsätzlich sowohl elektrisch als auch mechanisch. Pa- Hinzu kommt, dass die Batterie durch hohe auch danach unterscheiden, ob im Betrieb rallelhybride führen die Leistungspfade bei- Ladeströme beim Rekuperieren einen höhe- lokale Emissionen entstehen oder die Leis- der Quellen mechanisch zusammen, was bei ren Verschleiß aufweisen kann und demnach tung lokal emissionsfrei bereitgestellt wird. den großen Kräften bzw. Drehmomenten früher ersetzt werden muss. Letztendlich be- Diese Unterscheidung wird im Folgenden
von Lokomotiven herausfordernd ist. Bild 1 stimmt also die Betriebsstrategie nicht nur, vorgenommen. Seiten
zeigt ein exemplarisches Blockdiagramm welche Energie- und Emissionseinsparungen der
für ein serielles Hybridsystem mit den fünf durch ein hybrides Antriebssystem erreicht / Hauptgruppen: Primärleistungsquelle, Ener- werden können, sondern auch, wie sich der VERBRENNUNGSMOTOR-BASIERTE
giespeichersystem, Traktionsausrüstung, Verschleiß der Komponenten über die Be- ANTRIEBSSYSTEME DLR Besucher
Bremswiderstand und Nebenaggregate, die triebsdauer darstellt. für
in unterschiedlichen Konfigurationen ange- Von den Hybridantrieben zu unterschei- Verbrennungsmotoren werden in Lokomoti- für ordnet sein können [2]. den sind Zweikraftfahrzeuge, bei denen ven überwiegend mit Diesel betrieben und Für alle Hybridvarianten ergibt sich durch stets nur eine Leistungsquelle den Antrieb sind als Traktionsantriebssysteme seit vielen
Kombination zweier Leistungsquellen ein des Fahrzeugs versorgt. Ein Beispiel ist die Jahrzehnten bekannt und zuverlässig im Ein- genehmigt Ausdrucke
zusätzlicher Freiheitsgrad beim Betrieb Kombination Verbrennungsmotor und satz. Vorteile sind u. a. die flächendeckende 2019. des Systems. Daher ist durch eine geeigne- elektrischer Antrieb über Stromabnehmer. Verfügbarkeit des Energieträgers Diesel, die und te Betriebsstrategie für das Hybridsystem Innerhalb der Zweikraftfahrzeuge werden schnelle und einfache Betankung und die unbefristet festzulegen, wie die Leistungsanforderung DualMode-Antriebe (beide Leistungsquel- aus der hohen Energiedichte des Kraftstoffs Group, aus Traktion und Hilfsbetrieben auf die vor- len mit ähnlich großer Leistung) und LastMi- resultierende große Reichweite der Fahrzeu-
handenen Leistungsquellen aufgeteilt wird. le-Antriebe (Sekundäre Leistungsquelle mit ge. Bild 2 zeigt zwei aktuelle Beispiele, in de- Media Downloads Diese Betriebsstrategie kann eine Vielzahl geringerer Leistung als Hilfsantrieb für kurze nen Dieselmotoren gemeinsam mit anderen
von Einflussfaktoren (z. B. Ladezustand Ener- Distanzen bzw. geringe Geschwindigkeiten) Leistungsquellen eingesetzt werden, z. B. als DVV giespeicher, aktuelle Leistungsanforderung, unterschieden. Hybrid- und Zweikraftfahrzeuge. von Außentemperatur, gewünschter Betriebs- Unabhängig von der Antriebsarchitektur einzelne modus) berücksichtigen und legt fest, wel- nutzen die betrachteten Antriebskonzepte für che Funktionen (z. B. Rekuperation, emissi- neben konventionellen Komponenten, wie DIESELHYBRIDLOKOMOTIVEN, onsfreier Betrieb aus dem Energiespeicher) Dieselgenerator, Stromabnehmer, Trafo oder SERIELL UND LEISTUNGSVERZWEIGT Homepageveröffentlichung Rechte genehmigt das Hybridsystem bietet. Generell ist jede elektrische Leistungsübertragung, auch neu- Umwandlung von einer Energieform in eine artige Komponenten wie Energiespeicher Dieselhybridlokomotiven kombinieren den andere verlustbehaftet. Auch wenn diese Ver- und Brennstoffzellen. Bei diesen besteht Verbrennungsmotor mit einem Energiespei- luste beim Energiespeicher verhältnismäßig mangels Langzeiterfahrungen Unsicherheit cher. Im Rangierbetrieb kann diese Kombi- gering sind, ist z. B. das Laden des Energie- hinsichtlich der Lebensdauer und der Degra- nation in Abhängigkeit des Einsatzprofiles speichers mit dem Dieselmotor aus umwelt- dation. Heute verfügbare Energiespeicher Vorteile beim Energiebedarf und bei den
BILD 2: Auf der InnoTrans 2018 vorgestellte Beispiele von ver brennungsmotor- basierten Antriebssys- temen: Vossloh DE 18 SmartHybrid (links) [3], Stadler Eurodual (rechts) [4]
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Schallemissionen bieten. Mit einem solchen max. Antriebskonzept sind auch Streckenfahr- Anfahr- System- Energiespeicher, Hersteller, Fahrzeug zugkraft leistung Dieselmotor -inhalt nominell Status ten möglich. Je nach Auslegung der beiden am Rad Leistungsquellen kann aber die mögliche NiCd, Distanz gegenüber einer konventionellen Alstom H3 Hybrid 240 kN 700 kW 350 kW 100 kWh im Einsatz Diesellokomotive stark limitiert sein, da der Alstom H4 Hybrid 300 kN k. A. 900 kW NiCd, k. A. k. A. Energiespeicher nur eine begrenzte Ener- Gmeinder giemenge zur Verfügung stellen kann und DE60C Hybrid 200 kN 435 kW 354 kW LiIon, k. A. Prototyp es so zu Beschränkungen der nutzbaren Blei-Säure, Traktionsleistung kommt. In diesem Fall ist Railpower GG20B k. A. 1500 kW 224 kW 840 kWh im Einsatz die Lok allein auf ihren Verbrennungsmotor CRRC Hybrid AC angewiesen, der wegen des Platzbedarfs Drive Shunting Loco 100 kN 400 kW k. A. LiIon Prototyp und der Masse des Energiespeichers häufig TABELLE 1: Kenndaten von Dieselhybridlokomotiven, seriell [5-10] kleiner ausfällt. Vorteile des seriellen Hybrids sind u. a., dass durch den Energiespeicher zusätzliche max. Anfahr- System- Energiespeicher, Funktionen wie Rekuperation, Leistungs- Hersteller/Fahrzeug zugkraft leistung Dieselmotor -inhalt nominell Status boost und rein elektrischer Betrieb realisiert am Rad werden können und dass eine Entkopplung LiIon/SCiB, Prototyp des Betriebspunkts des Dieselgenerators DB HELMS BR294 k. A. 750 kW 1000 kW in Ent- 92 kWh wicklung von der aktuellen Leistungsanforderung er- Seiten
folgen kann, wodurch dieser wirkungsgrad- TABELLE 2: Kenndaten Dieselhybridlokomotive, leistungsverzweigt [11] der
und/oder emissionsoptimiert betrieben / werden kann. Nachteile der seriellen An- ordnung sind z. B. die mehrfache Wandlung antriebe koppeln die Kombination aus Ver- ern. Weiterhin ist der Verbrennungsmotor DLR Besucher der Energieform, die Notwendigkeit, alle brennungsmotor, Generator und elektri- mechanisch mit den Rädern verbunden, für
Komponenten des dieselelektrischen Pfads scher Antriebsmaschine meist über zwei wodurch ohne zusätzliche Entkopplungs- für auf die maximal auftretende Leistung aus- Planetengetriebesätze. Elektrischer Motor oder Dämpfungsmaßnahmen Stöße und zulegen und die größere Komplexität des und Generator arbeiten dabei als elektri- Schwingungen durch die Anregung im Rad-
Antriebssystems. Tabelle 1 listet exempla- sches Getriebe. Vorteilhaft daran ist, dass die Schiene-Kontakt bis zum Motor transferiert genehmigt Ausdrucke
risch einige Fahrzeuge mit ihren charakteris- elektrischen Maschinen nicht auf die volle werden. Während diese Art des Hybrids im 2019. tischen Eigenschaften auf und verdeutlicht, Leistung des Dieselmotors ausgelegt wer- Automobilbereich z. B. im Toyota Prius ein- und dass hier verschiedene Energiespeichertech- den müssen und auch ein Teil der Umwand- gesetzt wird, ist die Anwendung im Bahnbe- unbefristet nologien und Energieinhalte zum Einsatz lungsverluste eingespart und somit zumin- reich bisher nur am Beispiel der von einem Group, kommen. Die installierte Dieselgenerator- dest theoretisch ein größerer Wirkungsgrad Konsortium aus Deutsche Bahn AG, Toshiba,
leistung ist in allen gezeigten Fällen im Ver- der Leistungsübertragung erreicht wird. und Henschel. entwickelten „HELMS“-Lok (s. Media Downloads gleich zu rein dieselelektrischen Fahrzeugen Nachteile sind u. a. die steuerungstechni- Tabelle 2) bekannt. Bemerkenswert ist hier, mit gleicher Zugkraft kleiner. sche Komplexität, da zwischen den Dreh- dass die Leistung des Dieselmotors größer DVV Beim leistungsverzweigten Hybrid wird zahlen von Rad, Verbrennungsmotor und als die Radleistung ist, obwohl zu erwarten von nur ein Teil der mechanischen Dieselmo- den beiden elektrischen Maschinen Abhän- wäre, dass die kombinierte Leistung von Die- einzelne torleistung in elektrische Leistung umge- gigkeiten bestehen. Somit ist es erforderlich, sel und elektrischen Maschinen am Rad eine für wandelt, der andere Teil wird mechanisch nicht nur die Drehmomente, sondern auch größere Leistung zulässt, als der Dieselmotor übertragen. Leistungsverzweigte Hybrid- die Drehzahlen der Komponenten zu steu- alleine bereitstellen kann. » Homepageveröffentlichung Rechte genehmigt
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max. aufgaben mit großem Leistungsbedarf und Anfahr- System- Strom großer Reichweite erfüllen können. Der be- Hersteller, Fahrzeug zugkraft leistung system(e) Dieselmotor Status am Rad triebliche Vorteil besteht darin, dass kein Umspannen notwendig ist. Es wird deutlich, CAF Bitrac CC3600 300 kN 4450 kW 3 kV DC 2x1800 kW im Einsatz dass diese Systeme zwar sowohl im elektri- Siemens Vectron DualMode 300 kN 2000 kW 15 kV AC 2400 kW k. A. schen als auch im dieselmotorischen Betrieb große Leistungen bereitstellen, aber in bei- Stadler Euro Dual 500 kN 7000 kW 15/25 kV AC 2800 kW im Einsatz den Betriebsarten nicht mit rein elektrischen TABELLE 3: Kenndaten von Zweikraft OL-Diesellokomotiven (DualMode) [12], [13], [4] Lokomotiven mithalten können. Weiterhin ist zum Teil keine Mehrsystemfähigkeit ge- geben, einige Loks sind nur unter einem max. Stromsystem einsetzbar. Für den Käufer ei- Hersteller, Fahrzeug Anfahr- System- Strom Dieselmotor Status zugkraft leistung system(e) ner solchen Zweikraftlokomotive ergibt sich am Rad ein höherer Anschaffungspreis, da zwei un- Stadler Eem923 150 kN 1500 kW 15/25 kV AC 290 kW im Einsatz terschiedliche Antriebssysteme mit jeweils Bombardier TRAXX 300 kN 5600 kW 15/25 kV AC 180 kW im Einsatz großer Leistung eingesetzt werden. LastMile Der überwiegende Einsatzzweck der in Siemens Vectron 300 kN 5200 - 15/25 kV AC, 180 kW k. A. Tabelle 4 zusammengefassten LastMile- LastMile 6400 kW 3 kV DC Fahrzeuge ist die Fahrt unter Fahrdraht, da- TABELLE 4: Kenndaten von Zweikraft OL-Diesellokomotiven (LastMile) [14-17] her ermöglichen alle Fahrzeuge die Nutzung
verschiedener Stromsysteme und können in Seiten
diesem Betrieb große Traktionsleistungen der max.
bereitstellen. Bei TRAXX und Vectron han- / Hersteller, Fahrzeug Anfahr- System- Energiespeicher, zugkraft leistung Dieselmotor -inhalt nominell Status delt es sich um vollwertige E-Loks, die als
am Rad Option zusätzlich mit einem LastMile-Modul DLR Besucher
Vossloh DE18 LiIon, in Ent- ausgerüstet werden können. Dieser Diesel- für SmartHybrid 300 kN 1800 kW 1800 kW 120 kWh wicklung generator hat in beiden Fällen nur eine ge- für TABELLE 5: Kenndaten von Diesel- Energiespeicherlokomotiven [3] ringe Leistung und wird daher lediglich für kurze Strecken bei kleinen Geschwindigkei-
ten sinnvoll einsetzbar sein. genehmigt Ausdrucke
ZWEIKRAFT OL-DIESELLOKOMO derung können beide Antriebssysteme auf 2019. TIVEN: DUALMODE UND LASTMILE ähnlich großen (DualMode-Betrieb) oder und der Sekundärantrieb auf sehr viel kleineren ZWEIKRAFT DIESEL-ENERGIE unbefristet Werden Strecken befahren, die über einen Leistungsbedarf (LastMile-Betrieb) ausge- SPEICHERLOKOMOTIVEN Group, hohen Anteil an Elektrifizierung verfügen, legt werden.
bietet sich die Nutzung des Stroms aus der Tabelle 3 listet DualMode-Antriebssyste- Diese Zweikraftlokomotiven beinhalten in Media Downloads Oberleitung an. In nicht elektrifizierten Be- me auf, deren großer Vorteil darin besteht, der Regel einen großen Dieselmotor und ei-
reichen kann ein Dieselmotor die Energie- dass sie sowohl auf elektrifizierten wie auf nen im Verhältnis kleineren Energiespeicher. DVV versorgung übernehmen. Je nach Anfor- nicht-elektrifizierten Strecken Transport- Die Vorteile bestehen in der Möglichkeit ei- von nes lokal emissionsfreien Betriebs, jedoch einzelne mit geringen Geschwindigkeiten, aber einer für max. großen Anfahrzugskraft und der Möglich- Anfahr- System- Strom Energiespeicher, Hersteller, Fahrzeug zugkraft leistung system(e) -inhalt nominell Status keit eines Betriebs auf nicht-elektrifizierten Homepageveröffentlichung Rechte genehmigt am Rad Abschnitten. Das Energiespeichersystem CAF RATP k. A. 1000 kW k. A. NiCd Ausliefe- der in Tabelle 5 dargestellten DE 18 ist ähn- rung 2019 lich wie der LastMile-Diesel als Zusatzoption Stadler RHB 75 kN 500 kW k. A. LiIon Ausliefe- zum vollwertigen Dieselantriebssystem kon- rung 2020 zipiert. Rekuperation und Leistungsboost TABELLE 6: Kenndaten von Zweikraft OL-Batterielokomotiven (Last Mile) [18], [19] sind dabei nicht vorgesehen. Durch den aus-
BILD 3: Beispiele lokal emissi- onsfreier Antriebssys- teme, CAF RATP [18] (links), Stadler RHB [19] (rechts)
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schließlichen Betrieb mit Dieselmotor oder Batterie besteht die Möglichkeit ohne kom- plexe Leistungselektronik die Batterie direkt mit dem Traktionsstrang zu koppeln und es ermöglicht eine Nachrüstung bestehender DE 18 mit einem Batteriespeicher. Betriebs- wirtschaftliche Vorteile ergeben sich dabei durch die Vermeidung von hohen Leerlauf- zeiten des Dieselmotors im Rangierverkehr.
LOKAL EMISSIONSFREIE ANTRIEBS- SYSTEME OHNE VERBRENNUNGS MOTOR
Für bestimmte Anwendungen und Arbeits- einsätze in sensiblen Umgebungen ist es BILD 4: Vergleich Energiedichte verschiedener Energieträger auf Tank-/ Systemebene (Fahr- notwendig, auf Antriebssysteme zurückzu- zeug) [20] greifen, die zeitweise oder dauerhaft schad- stofffrei eingesetzt werden können. Hierzu zählen Zweikraftfahrzeuge die unter Ober- Der Einsatzbereich von Batterielokomo- VERGLEICH ZUM KONVENTIONELLEN Seiten
leitung fahren und zusätzlich mit einem tiven (Tabelle 7) ist aufgrund der verhält- DIESELANTRIEB der
Energiespeicher ausgerüstet sind, aber auch nismäßig geringen Energiedichte heutiger / rein batteriebetriebene (Bild 3) und wasser- Batterien eingeschränkt. Hinzu kommt, Die Diesellokomotive stellt aufgrund der stoffbetriebene Fahrzeuge. dass für eine reine Batterielokomotive eine hohen Energiedichte des Diesels (vgl. Bild 4) DLR Besucher
leistungsfähige Ladeinfrastruktur geschaf- den Fahrbetrieb in nicht oder nur teilelektri- für
fen werden muss, um die Ladezeiten in fizierten Bereichen sicher, in denen sich eine für ZWEIKRAFT OL-BATTERIE einem praktikablen Bereich halten zu kön- Elektrifizierung aus betriebswirtschaftlicher LOKOMOTIVEN (LAST MILE) nen. Sicht nicht rechnet. » genehmigt Ausdrucke
Typischer Einsatzzweck dieser Lokomotiven 2019. ist der Betrieb unter Oberleitung. In nicht- und elektrifizierten Bereichen kann der Betrieb unbefristet über kurze Strecken aus dem Energiespei- Group, cher erfolgen. Somit ist ein kostengünstiger
Betrieb auf elektrifizierten Abschnitten mög- Media Downloads lich. Auch die Verwendung eines Leistungs-
boost ist bei solchen Lokomotiven mög- DVV lich. Im Vergleich zum Oberleitungsbetrieb von sind im Batteriemodus neben der geringen einzelne Reichweite auch nur geringere Geschwin- für digkeiten möglich (vgl. Tabelle 6). Homepageveröffentlichung Rechte genehmigt
BRENNSTOFFZELLEN-HYBRIDAN- TRIEB- UND BATTERIELOKOMOTIVEN
Brennstoffzellen-Hybridlokomotiven bieten den Vorteil, dass ihr Wasserstoffspeicher schnell betankt und dass eine große Reich- weite realisiert werden kann. Von den Ein- satzmöglichkeiten sind sie vergleichbar mit den heutigen Diesellokomotiven. Im Ver- gleich zum Diesel ist die Energiedichte der Wasserstoffspeicherung auf dem Fahrzeug geringer, was in einem größeren Tankvolu- EURODUAL men resultiert (Bild 4). Weiterhin sind für die Einführung der Wasserstofftechnologie zu- zv zv}vz zxvü vwãzv v u }vz x r|v |~ zv ist mit Spitzentechnologien sätzliche Kosten für die Betankungsanlagen ausgestattet, die keine Wünsche offen lässt, und deren Betrieb aufzuwenden. Eine ge- und bietet Bahnunternehmen zahlreiche eignete Standortwahl und optimierte Ausle- wirtschaftliche und ökologische Vorteile. www.stadlerrail.com gung bieten hier das Potential, den Einfluss auf die Fahrzeugenergiekosten zu senken. www.eurailpress.de/etr ETR | DEZEMBER 2018 | NR. 12 55 FAHRZEUGE & KOMPONENTEN | Antriebskonzepte
max. [8] Gmeinder Lokomotiven: Aus alt mach‘ NEU! htt- Anfahr- System- Energiespeicher, ps://www.gmeinder-lokomotiven.de/aktuelles/ Hersteller, Fahrzeug zugkraft leistung FuelCell -inhalt nominell Status details/?tx_news_pi1%5Bnews%5D=168&tx_news_ am Rad pi1%5Bcontroller%5D=News&tx_news_pi1%5Bactio n%5D=detail&cHash=703a852e6b6004747c970ea55 BNSF Fuel Cell k. A. 1000 kW 240 kW Blei-Säure k. A. 517e069, 15 Sep. 2016 [9] Kache, Martin: Hybridprojekte – Ein globaler Über- Alstom H3 Akku 240 kN 600 kW nicht vorhan- NiCd, k. A. blick. In: ETR – Eisenbahntechnische Rundschau den 200 kWh 10/2014, S. 36 [10] CRRC: DB Hybrid shunting locomotive, Innotrans Prä- TABELLE 7: Kenndaten von Brennstoffzellen-Hybridantrieb- und Batterielokomotiven [21], [6] sentation, Berlin, 2018 [11] Toshiba: Toshiba Hybrid System. Produktdatenblatt, 2016 [12] Railway Gazette: Electro-diesel loco offers flexible Durch die Unabhängigkeit von der Ober- METHODE ZUR BEWERTUNG VON traction, 06 Feb. 2017 [13] Siemens Mobility GmbH: Vectron Dual Mode. Pro- leitung ist ein länderübergreifender Verkehr ANTRIEBSKONZEPTEN FÜR SPEZI duktdatenblatt, 2018 ohne Umstellung zwischen verschiedenen FISCHE ANFORDERUNGSPROFILE [14] Stadler Rail Group: Zweikraft-Lokomotive Butler, SBB Cargo Schweiz. Produktdatenblatt, 2016 Spannungssystemen möglich. Ebenfalls kann [15] Bombardier Transportation: TRAXX AC optional with die Diesellok für Sondereinsätze eingesetzt Für die detaillierte Auslegung von Antriebs- Last Mile. Produktdatenblatt, 2018 [16] Siemens AG: Vecton. Die Lok, die neue Wege schafft. werden, um gegebenenfalls schwere Perso- systemen, -komponenten (Dieselgenerator, Produktdatenblatt, 2016 nenzüge aus Bereichen zu bergen, in denen Energiespeicher, Brennstoffzelle, …) sowie [17] Aschaber, A.: Herausforderungen bei der Entwicklung die Oberleitung ausgefallen ist, oder Gleis- die Entwicklung geeigneter Betriebsstrate- eines Diesel Power Modules (DPM) zur Elektrifizierung der letzten Meile. Schienenfahrzeugtagung Graz, bauarbeiten zu bewerkstelligen sind bei de- gien und Regelungskonzepte für hybride 2016 nen noch keine Oberleitung installiert wurde. Antriebssysteme ist eine umfassende Be- [18] Railway Gazette: Paris orders battery-overhead elec- tric locomotives, 03 Jan. 2008 Diese Flexibilität und Vielseitigkeit kann der- trachtung und Bewertung der Lokomotive [19] Rhätische Bahn AG: 7 neue Rangierlokomotiven für Seiten die RhB. https://www.rhb.ch/de/news-events/news/
zeit keines der alternativen Antriebskonzepte von der betrieblichen Analyse bis hin zum der details/7-neue-rangierlokomotiven-fuer-die-rhb 03
in vollem Umfang zu vergleichbaren Kosten Systems-Engineering abzudecken. Das be- Sep. 2018 / bieten. Werden ältere Lokomotiven mit die- treiberspezifische Anforderungs- und Ein- [20] Hoffmann, Marcus; Dittus, Holger; Pagenkopf, Johan- nes; Böhm, Mathias: Alternative Antriebskonzepte für DLR selhydraulischem Antrieb (DH) mit modernen satzprofil ist dabei die maßgebliche Randbe- Rangier- und Baufahrzeuge – Vorstudie SBB: Projekt- Besucher
dieselelektrischen Lokomotiven (DE) vergli- dingung. bericht, DLR Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart, für
chen, so ergibt sich aus dem gesteigerten Das Deutsche Zentrum für Luft- und 2015 für [21] Ballard Power Systems: Fuel Cells for Rail Applications. Wirkungsgrad moderner DE-Loks ein deutlich Raumfahrt e.V. (DLR) bietet die Möglichkeit, Hydrail Conference Birmingham, 05 Jul. 2016 geringerer Treibstoffverbrauch. Bei dem Ein- Einsatzprofile exakt abzubilden und mit Hil- [22] Hoffmann, Marcus; Böhm, Mathias; Dittus, Holger: Alternative Kraftstoffe in Schienenfahrzeugen – Eine satz mit niedrigen Geschwindigkeiten und fe numerischer Simulationen Betriebsverhal- Betrachtung von Forschungsprojekten der vergange- genehmigt
nen 20 Jahre. In: ZEVrail - Zeitschrift für das gesamte Ausdrucke
hohen Zugkräften fallen die Wirkungsgrade ten und Betriebskosten im Voraus zu bestim- 2019. der DH Lok sehr niedrig aus. Dies bedeutet, men. Die gesamtheitliche Auslegung und System Bahn 03 (2017), Nr. 141, S. 91–97 [23] Institut für Verkehrssystemtechnik: SUMO – Simulati- und dass bei DE-Loks weniger CO2 ausgestoßen Bewertung von Fahrzeug und Energieinfra- on of Urban MObility : Deutsches Zentrum für Luft- unbefristet wird. Im Gegensatz zu älteren Diesellokomo- struktur erfolgt mittels einer produktüber- und Raumfahrt e.V. URL http://sumo.dlr.de/, abgeru- Group, fen am 08.08.2018 tiven, verfügen modernere Lokomotiven über greifenden Toolkette innerhalb des DLR, für [24] Schumann, Tilo: Increase Of Capacity On The Shinkan- sen High-Speed Line Using Virtual Coupling. In: Breb-
effiziente Abgasreinigungssysteme, die den die unter anderem die Toolkomponenten Media bia, Carlos A. (Hrsg.): International Journal of Transport Downloads lokalen Schadstoffausstoß auf ein Minimum SUMO, MODELICA, MATLAB, Railonomics® Development and Integration. Southampton, UK :
beschränken. So sind z. B. in Deutschland viele und DFSimu Anwendung finden. So können WIT Press Southampton, UK, 2017 (4), S. 666–676 DVV [25] Schürmann, Werner; Wießner, Evamarie; Blank, Chris- der älteren dieselhydraulischen Lokomotiven spezifische Einsatzszenarien berechnet und tian; Scheier, Benedikt: Energieverbrauch von Diesel- von im Einsatz, die nicht an neue Abgasnormen ein fahrdynamisches Beanspruchungsprofil lokomotiven im Vergleich. In: ETR – Eisenbahntechni- einzelne gebunden sind und über eine unzureichende erstellt werden. Die resultierende Nutzwert- sche Rundschau (2016), Nr. 9, S. 101–117 für Schadstofffilterung verfügen. Die Antriebs- analyse und Investitionsrechnung bilden die konzepte der Diesellokomotive werden kon- maßgebliche Entscheidungsgrundlage für Homepageveröffentlichung Rechte genehmigt tinuierlich verbessert, um sowohl den Vorteil die Spezifikation und Anschaffung von neu- ihrer Flexibilität weiterhin nutzen zu können, en Triebfahrzeugen. [1], [20], [22-25]. ◀ als auch die Nachteile der Emissionen auszu- gleichen und die verschärften gesetzlichen Literatur ▶ SUMMARY Schadstoffemissionsgrenzwerte zu erfüllen. [1] Hoffmann, Marcus; Dittus, Holger; Falabretti, Mario; Pagenkopf, Johannes; Böhm, Mathias: Alternative Drive-concepts in state-of-the art Hierzu kann auch die Verwendung alter- Antriebskonzepte für Rangier- und Baufahrzeuge technology for shunting and line nativer Kraftstoffe beitragen, die auch aus der Schweizerischen Bundesbahnen SBB. In: ZEVrail – Zeitschrift für das gesamte System Bahn 04/2017, Nr. locomotives nachwachsenden Rohstoffen gewonnen 141, S. 125–133 werden können [22]. [2] Norm DIN EN 62864-1:2017-05. 2017-05. Railway ap- So far, the focus of alternative drive Die Entwicklung von brennstoffzellen- plications - Rolling stock - Power supply with onboard concepts for locomotives is mainly on energy storage system - Part 1: Series hybrid system combustion- properties based systems. At und energiespeicherbasierten Antriebssys- (IEC 62864-1:2016); German version EN 62864-1:2016 the moment, only few emission-free drive temen für Schienenfahrzeuge steht am Be- [3] Vossloh Locomotives GmbH: DE 18 SmartHybrid. Pro- duktdatenblatt, 2018 systems are being developed resulting ginn, für die Zukunft sind Steigerungen von [4] Stadler Rail Group: Eurodual Lokomotive, Havelländi- from the disadvantages of low energy stor- Energieeffizienz, Energie- und Leistungs- sche Eisenbahn (HVLE). Produktdatenblatt, 2018 age density and the nonexistent charging [5] Dittmann, Detlef: Alstom Hybridlokomotiven im Ver- dichte sowie Kostensenkung aufgrund von schubeinsatz. Konzept und Erfahrungen im Einsatz and refueling infrastructure. Skaleneffekten zu erwarten. Herausforde- H3 Fahrzeugplattform. Schienenfahrzeugtagung In addition to use a multi-system locomo- Graz, 2013 rungen sind die umweltfreundliche und kos- tive universally in the shunting and line [6] BOMKE, Thorsten: H3 Hybrid Locomotive, UIC Energy service, a line specific analysis is necessary, tengünstige Bereitstellung von Wasserstoff Efficiency Days 2014, Antwerpen, 2014 [7] Wittwer, Max: Alstom Platform H3/H4 SBB Aem 940 to evaluate if the carriage of an additional und die Steigerung der Lebensdauer von Lokomotive. Vortrag TST Tagung Martigny, 09. Juni drive system is efficient. Energiespeichern. 2016
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