Triebwagen für den zukünftigen Nah- und Regionalverkehr in Deutschland vorgelegt von Dipl.-Ing. Thomas Künzel von der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften - Dr.-Ing.- genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Maas Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Markus Hecht Gutachterin: Prof. Dr.-Ing. Beate Bender Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 26.08.2019 Berlin 2019 T. Künzel Seite 2 von 224 Zusammenfassung Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Analyse, welche Fahrzeugkonzepte im Nah- und Regionalver- kehr der Zukunft in Deutschland zur Anwendung kommen werden. Anhand von verschiedenen Kennziffern wird untersucht, welche der betrachteten Fahrzeugkonzepte signifikante, konzeptionelle Vorteile gegenüber anderen Typen aufweisen. Aufgrund der ermittelten Kennziffern wird die These aufgestellt, dass es bei Schienenfahrzeugen kein hervorgehobenes Leicht- baukonzept gibt, welches zu einem besonderen Vorteil gegenüber anderen Konzepten führt. Diese These kann im Weiteren bestätigt werden, d.h. es wird nachgewiesen, dass das Fahrzeuggewicht in direkter Abhängigkeit von der Transportkapazität und spezifischen Ausstattungswünschen der Bestel- ler ist und keines der untersuchten Fahrzeugkonzepte ein Beispiel für signifikanten, konzeptionellen Leichtbau darstellt. Um die These untermauern zu können, wurde ein Effizienzfaktor für Fahrzeugkon- zepte eingeführt, welcher sich aus der längenbezogenen Masse, der Transportkapazität und der Zu- gänglichkeit zusammensetzt und eine übergreifende Bewertung verschiedener Fahrzeugkonzepte zu- lässt. Für den in dieser Arbeit verwendeten Effizienzfaktor werden individuelle Gewichtungsfaktoren festgelegt. Diese lassen sich, zum Beispiel bei einer Anwendung in öffentlichen Ausschreibungen, je nach Wunsch des Aufgabenträgers anpassen, um eine eindeutige, ganzheitliche Bewertung eines an- gebotenen Fahrzeugs zu erzielen. Auf Grundlage des Effizienzfaktors wird dann die zielgerichtete Ab- leitung eines zukunftsgerichteten Fahrzeugkonzepts für den Nah- und Regionalverkehr beschrieben. Unter Berücksichtigung der vorgenannten Ergebnisse und einer Untersuchung zur Entwicklung der Inf- rastruktur wird die Frage nach dem zukünftigen Antriebskonzept beantwortet. Neben den klassischen Antrieben, gespeist aus einer Fahrleitung und Dieselantrieben, werden auch neue Fahrzeugkonzepte mit Batterie- und/oder Brennstoffzellenantrieb in die Untersuchung einbezogen. Es kann dabei gezeigt werden, dass ausschließlich die elektrische Traktion in Zukunft noch zur Anwendung kommen wird, während die Traktion mit Verbrennungsmotoren auslaufen wird. Eine besondere Rolle spielt die Was- serstofftechnologie, da sie die Nachteile eines Batterieantriebes nicht aufweist und hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und insbesondere der Reichweite dem Dieselantrieb ebenbürtig ist. Anschließend werden die Merkmale für ein zukünftiges Regionalbahnfahrzeug herausgearbeitet. Zu diesen Merkmalen gehört es, dass der Nah- und Regionalverkehr zweifellos benutzerfreundlicher wird. Die Benutzerfreundlichkeit drückt sich durch einen einfachen, ungehinderten Zugang zum Fahrzeug, angemessene ergonomische Sitzverhältnisse, leichte Verteilung der Reisenden im Fahrzeug, verbes- serte Mitnahmemöglichkeiten für Fahrräder und Gepäck und somit einen insgesamt attraktiveren Ver- kehr aus. Unter diesen Randbedingungen lassen sich weitere, unkonventionelle Fahrzeugtypen ableiten, die ge- genüber heutigen Fahrzeugen die o. g. Vorteile für die Benutzer aufweisen. Insbesondere kann aufge- zeigt werden, dass die Verwendung von Fahrwerken mit kleinen Rädern Fahrzeugkonzepte ermögli- chen, die nicht nur die Kapazität erhöhen, sondern auch den Verkehr für den Benutzer attraktiver ma- chen. Auf Basis von standardisierten Fahrzeugmodulen und der eingeführten Effizienzbetrachtung für Fahr- zeuge können vier besonders effiziente Fahrzeugvarianten ermittelt werden. Die hierbei aufgezeigten Möglichkeiten, Fahrzeuge auf Basis von Fahrwerken mit kleinen Rädern zu gestalten, zeigt Potential zur Kapazitätserweiterung auf hochbelasteten Strecken. Durch zusätzliche Sitzplatzkapazität bei gleichzeitiger Verbesserung der Nutzbarkeit für mobilitätseingeschränkte Fahr- gäste und einen verbesserten Zugang zu den Fahrzeugen bzw. den Wechsel zwischen den Wagen ei- nes Zuges, wird erheblicher Mehrwert für die Fahrgäste aufgezeigt. T. Künzel Seite 3 von 224 Summary The main objective is to analyse, which kind of vehicle concepts will be applied in Germany for com- muter and regional trains of the future. Based on different evaluation criteria, it was evaluated, which vehicle concepts show significant, con- ceptional advantages compared to others. Due to these evaluation criteria, a thesis was elaborated, that there is no evidence of a particular lightweight concept for rail vehicles that generates a special advantage in comparison to others. This thesis is proven, which means that the vehicle weight depends directly on transport capacity and specific optional equipment chosen by the vehicle buyer rather than on a vehicle concept with significant, conceptional lightweight design. To support that thesis, an effi- ciency factor was defined, which considers the mass per length, the transport capacity and the acces- sibility to achieve an overall evaluation. Individual weighing factors are defined as well. These factors can be defined for example in public quotes as per buyer`s opinion to obtain an overall, independent view of the offered vehicles. The efficiency factor is used for the evaluation of future vehicle concepts for commuter and regional traffic. Under consideration of the before mentioned results and an investigation on the changes of the rail infrastructure, the question on the future propulsion system will be answered. Beside the classic drive systems, fed by catenary or Diesel engine, new vehicle concepts based on battery- and/or fuel cells are considered as well. It can be shown, that only electrical traction will be used in the future, while com- bustion engines will not be used anymore. A special role plays the hydrogen-technology, as it does not show the disadvantages of battery driven vehicles, especially regarding performance and as it plays on the same level as Diesel drives with regard to the operational range. Based on the above, the main elements of a future regional vehicle have been elaborated. A significant part of these main elements is that public commuter and regional traffic needs to become more user friendly. This user friendliness is expressed by an easy, barrier-free access into the vehicle, appropriate ergonomically seat arrangements, easy distribution of the passengers inside the cars, optimised bag- gage and bicycle transport so overall in a much more attractive regional traffic. Using this framework, conventional and unconventional vehicle types have been investigated in detail, whether the main elements of the future attractive regional traffic can be realised. Especially the use of bogies with small wheel diameters provides new vehicle concepts which improve the capacity and at the same time improve the attractiveness for the passengers. On the basis of standardised vehicle modules for direct comparison of vehicle concepts and the intro- duced method of efficiency evaluation of vehicle concepts, four vehicle variants with high efficiency have been elaborated. The possibility to design vehicles using bogies with small wheel diameters shows significant potential to increase the capacity on high loaded lines of the rail network. Providing additional seat capacity without reducing the passenger comfort and at the same time providing a better accessibility and an easy change between cars of a train for passengers with restricted mobility provides additional value to give more attractive regional traffic in the future. T. Künzel Seite 4 von 224 Inhalt Zusammenfassung ...................................................................................................................... 3 Summary .................................................................................................................................... 4 1. Einleitung .......................................................................................................................... 8 1.1 Die zukünftige Entwicklung der Mobilität ................................................................... 8 1.2 Regionalverkehr ........................................................................................................... 8 1.3 Zukünftige Verkehrsentwicklung ............................................................................... 10 1.4 Fahrzeugkonzept ....................................................................................................... 12 1.5 Anforderungen .......................................................................................................... 12 1.5.1 Anforderungen und Betrachtungsmaßstäbe ......................................................... 12 1.5.2 Anforderungen der Aufgabenträger ...................................................................... 16 2. Stand der Technik ........................................................................................................... 17 2.1 Fahrzeugtypen des Nah- und Regionalverkehrs ........................................................ 17 2.2 Zugrundegelegte Kenngrößen der betrachteten Fahrzeugbaureihen ...................... 20 2.3 Analyse