Konzepten Für Rangier- Und Streckenlokomotiven
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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