Untersuchung von alternativen Antriebskonzepten im deutschen Schienenpersonennahverkehr

Im Projekt „Untersuchung von alternativen Antriebskonzepten im deutschen Schienenpersonennahverkehr (SPNV)“ werden elektrische Alternativen zum Betrieb von Dieselzügen untersucht. Die hier untersuchten Alternativen umfassen elektrisch betriebene Batterie- (BEMU) sowie Wassersstofftriebzüge (HEMU). Mit dem Simulations-Tool „Green Infrastructure Railroad Optimization“ (GIRO) kann der Flotteneinsatz von Zügen mit alternativen Antrieben in unterschiedlichen Streckennetzen simulativ abgebildet, visualisiert sowie der Ausbau von benötigter Infrastruktur optimiert werden.

Neben den technischen Daten der Triebfahrzeuge mit alternativen Antrieben werden Randbedingungen des Betriebs (etwa der Fahrplan und die Anpassung der Standzeiten), des Streckennetzes (Distanzen, Höhenprofile, Kurvenradien, Geschwindigkeitsbegrenzungen) sowie des Bahnstromnetzes berücksichtigt. Das RLI analysiert im Auftrag der DB Energie GmbH (DBE) fortlaufend Streckennetze unterschiedlicher Aufgabenträger und gibt anschließend gemeinsam mit der DBE eine Empfehlung für den Einsatz und Betrieb von Triebfahrzeuge mit alternativen Antriebskonzepten ab.

Simulative Abbildung der Strecken- und Fahrplandaten

Um den Einsatz von Triebfahrzeugen, also Züge, mit alternativen Antriebskonzepten in unterschiedlichen Streckennetzen zu untersuchen, wird zunächst ein Umlaufplan der zu untersuchenden Triebfahrzeuge erstellt. Der Umlaufplan beinhaltet die exakten Streckenabschnitte und Fahrplanzeiten des Triebfahrzeugs im Tagesverlauf und ist die Grundlage für die weitere Analyse.

Durchführung einer zeitaufgelösten Fahrtsimulation für alle untersuchten Triebzüge

In Abhängigkeit vom Umlaufplan und den Eigenschaften des Triebfahrzeugs wird ein Geschwindigkeitsprofil für den täglichen Betrieb erstellt. Das Beschleunigungsverhalten, die Grundmasse des Triebzugs oder die Leistung am Rad können sich bei den unterschiedlichen Antriebskonzepten unterscheiden. Eine anschließende Längsdynamiksimulation auf Grundlage des Geschwindigkeitsprofils, die zum Beispiel auch die Nebenverbraucher berücksichtigt, liefert den Leistungs- und Energiefluss im Triebfahrzeug sowie den Ladezustand der Energiespeicher (Batterie, Wasserstofftank).

Kritische Betriebssituationen im Verlauf des Tages können so identifiziert, visualisiert und ausgewertet werden. Lange Standzeiten an Bahnhöfen oder der Pendelverkehr auf nicht-elektrifizierten Strecken können die Anforderungen an Triebfahrzeuge mit alternativen Antriebskonzepten stark erhöhen.

Das Simulations-Tool GIRO liefert zudem die Erkenntnis, ob das alternative Antriebskonzept für den Betrieb mit dem entsprechenden Umlaufplan geeignet ist.

Optimierung des Ausbaus neuer Infrastruktur und Eignung des Betriebs

Der Einsatz von alternativen Antriebskonzepten im deutschen SPNV erfordert unter Umständen den Aufbau von neuer Lade- beziehungsweise Tankinfrastruktur. In den Untersuchungen des RLI wird die Positionierung von neuer Oberleitungsinfrastruktur beziehungsweise Oberleitungsinselanlagen hinsichtlich mehrere Ziele (CO2-Emissionen oder Kosten) optimiert. Zudem kann die Auslegung von Tankinfrastruktur für wasserstoffgetriebene Triebzüge (HEMU) hinsichtlich der selben Ziele optimiert werden. Auf Grundlage dieser Untersuchung wird anschließend der Betrieb der alternativen Antriebskonzepte im Streckennetz bewertet sowie Handlungsempfehlungen ausgesprochen.

Projektzeitraum: 2019 - fortlaufend

In dem Projekt erfüllt das RLI folgende Aufgaben:

• Simulative Abbildung der Strecken- und Fahrplandaten
• Aufbau eines modularen Triebfahrzeugmodells für BEMU und HEMU
• Durchführung einer zeitaufgelösten Fahrtsimulation für alle untersuchten Triebfahrzeugvariationen
• Optimierung des Ausbaus neuer Infrastruktur (Oberleitungs- oder H2-Tankinfrastruktur)
• Beurteilung der Betriebsfähigkeit der unterschiedlichen Triebfahrzeugvariationen im untersuchten Streckennetz