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Wie Energie-effizient ist der Bahnverkehr
wirklich?
Und könnte er vielleicht noch wesentlich effizienter sein?
Stefan Fassbinder
Eckdaten der 16,7-Hz-Bahnen
in D-A-CH
Ba
tro
DB AG
(2012)
ÖBB SBB
Beschäftigte 276310 42893 27822
Mio. Fahrgäste 1950 200 332
gesamt 33723km 11000km 3011km
elektrifiziert 19300km 8200km 3011km
an Strecke 59% 75% 100%
am Verkehr 90% 100%
Gleisnetz
Anteil
Wenn die Bahn schon immer tut, was beim
Auto nicht klappen kann …
… denn der Energie-»Verbrauch«
einer Elektrolok ist zeitweise
negativ!
Stromnetz der DB AG
Kraftwerkstyp
Installierte
Leistung
Erzeugte
Energie
Dampf 42,2% 66,0%
Wasser 11,0% 10,0%
Umformer 34,3% 14,6%
Umrichter 11,9% 9,4%
Gesamt 3,2GW 11,0TWh/a
Summe aller E-Fahrzeuge 22,4GW (700%)
59% der DB-Strecken sind
elektrifiziert. Diese 59% tragen
90% des Verkehrs. Jedoch …
…was ist mit den anderen 10%?
Z. B. mit der Baureihe 612?
 Motorleistung: 2 * 560 kW = 1120 kW
 Pepp und Komfort: Neigetechnik, Klimaanlage
 Höchstzulässige Geschwindigkeit: 160 km/h
 Praxis-Verbrauch: ≈ 1,7 l/km (für einen, nicht für 100 km!)
Was ist mit den Diesellokomotiven?
BR 232 »Ludmila« BR 220 »Taigatrommel«
• An einer Diesellok der BR 232 (6 Achsen, 120 t, 2200 kW,
max. 120 km/h) wurde bei konstant 120 km/h ein Verbrauch
von 3 l/km gemessen.
• (Aus gutem Grund bezieht man bei der Bahn den Kraftstoff-
Verbrauch auf einen Kilometer, nicht auf deren hundert!)
• Neue Diesellokomotiven gibt es nach Jahrzehnten nun wieder.
• Der Motor-Wirkungsgrad beträgt dann > 40% – im Nennbetrieb.
• Doch was hilft das, wenn der Motor ≈ 90% seiner Betriebszeit im
Leerlauf zubringt?
• Und wenn ein Mitarbeiter von DB Fernverkehr sagt:
»Dieselloks halten auf elektrifizierten Strecken den Verkehr auf!«…
• …und eine Fachzeitschrift berichtet, die Elektrifizierung habe auf
einer nur 22 km langen Strecke die Fahrzeit um 5 Minuten verkürzt?
(»Elektrischer Betrieb bei der Deutschen Bahn im Jahre 2009«.
eb Elektrische Bahnen – Elektrotechnik im Verkehrswesen 1-2/2010, S.19)
Denn z. B. die Elektrolok der BR 101
(4 Achsen, 84 t, 220 km/h) verfügt
über eine Motorleistung von 6600 kW!
Merke: Strom macht müde Züge munter!
Das erklärt‘s:
0 kW/t
100 kW/t
200 kW/t
300 kW/t
400 kW/t
500 kW/t
600 kW/t
700 kW/t
1 kW 10 kW 100 kW 1000 kW 10000 kW 100000 kW
Leistungsdichte→
Baugröße →
Leistungsdichte von
Hubkolbenmotoren
Leistungsdichte entsprechender
elektrischer Maschinen
Gegenläufige Trends!
am PKW am Zug Faktor
(4…5 Sitze) (450 Sitze) 100
Masse 1,5 t 450 t 300
Haftreibungskoeffizient ≈ 1 0,28…0,35 0,3
Rollreibungskoeffizient 1,7% 1,7‰! 0,1
Hieraus: Rollreibungskraft 0,3 kN 9 kN 30
hierfür aufzuwendende Leistung 15 kW 450 kW 30
anteilig an der Nennleistung 15% 7% 0,5
Luftreibungskraft 1,5 kN 30 kN 20
hierzu aufzuwendende Leistung 85 kW 1550 kW 18
anteilig an der Nennleistung 85% 23% 0,27
Leistungsbedarf insgesamt 100 kW 2000 kW 20
anteilig an der Nennleistung 100% 30%! 3,3
Die für den Energieverbrauch
ursächlichen Fahrwiderstände sind
(bei ≈ 200 km/h):
Wozu sind denn dann die anderen 70%
der Leistung gut?
Im Vergleich zum Auto ist beim Zug
 die Masse sehr groß (der Begriff »Massenverkehrsmittel« erhält
eine ganz neue Dimension),
 der Haftreibungskoeffizient (Stahl auf Stahl statt Gummi auf
Asphalt) deutlich geringer,
 die Rollreibung (Stahl auf Stahl statt Gummi auf Asphalt)
sehr gering,
 die Luftreibung sehr gering (denn der Zug fährt gleichsam
»in seinem eigenen Windschatten«).
Bemerkenswert:
Die Höchstgeschwindigkeit
eines PKW ist in der Regel die
höchstmögliche
Geschwindigkeit, begrenzt
durch die verfügbare
Motorleistung
eines Bahnfahrzeugs ist
dagegen stets die
höchstzulässige
Geschwindigkeit
lassen wir mal ein mit
• 66 kW motorisiertes Auto, das
• 4 Personen (ganz wenig) Platz bietet,
• 200 km/h schnell fahren.
Dagegen kann ein mit
• 6600 kW motorisierter Zug
• 400 Personen (ganz viel) Platz bieten
(mit Toiletten, Bistro, …). Das kostet bei
• 200 km/h Reisegeschwindigkeit:
Mit viel gutem Willen
0,0 MW
1,1 MW
2,2 MW
3,3 MW
4,4 MW
5,5 MW
6,6 MW
0 kW
11 kW
22 kW
33 kW
44 kW
55 kW
66 kW
0 km 50 km 100 km 150 km 200 km
PIC-Zug→
PAuto→
v →
Leistungsbedarf Auto und IC-Zug
P (Auto)
P (IC-Zug)
0 km/h
20 km/h
40 km/h
60 km/h
80 km/h
100 km/h
120 km/h
140 km/h
160 km/h
180 km/h
200 km/h
0 km 1 km 2 km 3 km
v→
s →
PKW rollt aus
Masse: 2000 kg
Rollreibung: 2%
Stirnfläche: 2 m²
CW-Wert: 0.37
Leistung: 105 kW
0 km/h
20 km/h
40 km/h
60 km/h
80 km/h
100 km/h
120 km/h
140 km/h
160 km/h
180 km/h
200 km/h
0 km 1 km 2 km 3 km
v→
s →
IC-Zug mit BR 101 und 8 Wagen
Ausrollen
PKW rollt aus
0 km/h
20 km/h
40 km/h
60 km/h
80 km/h
100 km/h
120 km/h
140 km/h
160 km/h
180 km/h
200 km/h
0 km 1 km 2 km 3 km
v→
s →
IC-Zug mit BR 101 und 8 Wagen
Ausrollen
Betriebsbremsung
PKW rollt aus
Voll besetztes Auto bei 200 km/h auskuppeln,
ausrollen lassen und sehen, was passiert:
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 km 1 km 2 km 3 km 4 km 5 km 6 km 7 km 8 km
v/vmax→
s →
Beschleunigungsverlauf
Auto und Bahn (0 … 200 km/h)
PKW beschleunigt v/vmax
IC-Zug (10 Wagen) v/vmax
Ein Auto beschleunigt aber
doch schneller, oder?
Na ja, anfangs schon,
aber nachher legt der Zug noch
eine Kohle drauf!
Preisfrage 1:
Wie weit rollt ein ICE2-Triebzug der Baureihe 402 ungebremst
noch weiter »übers platte Land«, wenn bei einer Geschwindigkeit
von 230 km/h plötzlich der Strom ausfällt?
Antwort 1:
Man weiß es nicht.
Der Versuch wurde nicht zu Ende geführt.
Nach 32 km hatte der Zug immer noch 120 km/h drauf!
Es gibt aber theoretische Berechnungs-Unterlagen,
die den Versuch bestätigen 
Preisfrage 2:
Wie schnell wird ein Eisenbahnwagen, wenn er ein Gefälle von
5‰ (nur 0,5%!) herunter rollt?
(Merke: Aus gutem Grund gibt man bei der Bahn die
Rollreibungskoeffizienten in Promille an!)
Antwort 2:
Gemäß Berechnungs-Unterlagen der DB erreicht er nach
einer Stunde (endlich) eine Geschwindigkeit von
44 m/s ≈ 160 km/h!
Ein Auto bliebe schlicht und ergreifend stehen.
Preisfrage 3:
Warum muss ein ICE3-Triebzug der Baureihe 403 bremsen, wenn
er zwischen Frankfurt und Köln mit 300 km/h eine der
Gefällstrecken von 40‰ (4%) hinunter fährt?
Antwort 1:
Weil er rollender Weise die zulässige Höchstgeschwindigkeit von
300 km/h überschreiten würde!
Deswegen erreichen die Züge hier eine durchschnittliche
Rückspeisequote von 17%, obwohl selten oder gar nicht gehalten wird
und bei der extrem hohen Geschwindigkeit doch ziemlich viel Energie
verbraucht wird.
Und 17% von ziemlich viel ist immer noch ziemlich viel.
Preisfrage 4:
In einer Wartungshalle für Bahnfahrzeuge ist es nicht erlaubt,
beide Tore an beiden Enden gleichzeitig offen stehen zu lassen.
Warum nicht?
Antwort 3:
Sonst bläst der Wind ungebremst abgestellte Lokomotiven
hinaus ins Freie!
Somit ist es rechnerisch nachvollziehbar,
dass bei Bedarf jederzeit 10 starke Männer selbst die schwerste
Güterzug-Lok von Hand aus dem Lokschuppen ziehen können
Es finden sich noch mehr Beispiele
www.
Derlei
Ereignisse …
… sind offenbar
gar nicht so selten!
Ob die Schieberbande das
wohl auch bezahlt bekommt?
(Etwa als so genannte
Anschub-Finanzierung).
Auf Schienen kann schon ein
»Universal-Motorgerät« 1000 t ziehen!
Wenn auch vielleicht nicht allzu schnell
Zugkraft und Leistung – Soll und Haben
0 MW
1 MW
2 MW
3 MW
4 MW
5 MW
6 MW
0 kN
50 kN
100 kN
150 kN
200 kN
250 kN
300 kN
0 km/h 50 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h
P→
F→
v →
IC-Zug mit Lokomotive
BR 101 und
9 Wagen
Erforderliche Zugkraft
Erforderliche Leistung
bei konstanter Geschwindigkeit auf ebener Strecke
Zugkraft – 80% »übrig«?
0 MW
1 MW
2 MW
3 MW
4 MW
5 MW
6 MW
0 kN
50 kN
100 kN
150 kN
200 kN
250 kN
300 kN
0 km/h 50 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h
P→
F→
v →
IC-Zug mit Lokomotive
BR 101 und
9 Wagen
Erforderliche Zugkraft
Verfügbare Zugkraft
Erforderliche Leistung
Nur bei konstanter Geschwindigkeit auf ebener Strecke
0 MW
1 MW
2 MW
3 MW
4 MW
5 MW
6 MW
0 kN
50 kN
100 kN
150 kN
200 kN
250 kN
300 kN
0 km/h 50 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h
P→
F→
v →
IC-Zug mit Lokomotive
BR 101 und
9 Wagen
Erforderliche Zugkraft
Verfügbare Zugkraft
Erforderliche Leistung
Verfügbare Leistung
Leistung – 70% »übrig«?
Haftreibungsgrenze  Leistungsgrenze
0 MW
1 MW
2 MW
3 MW
4 MW
5 MW
6 MW
0 kN
50 kN
100 kN
150 kN
200 kN
250 kN
300 kN
0 km/h 50 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h
P→
F→
v →
IC-Zug mit Lokomotive
BR 101 und 9 Wagen
auf 17‰ Steigung
Erforderliche Zugkraft Verfügbare Zugkraft
Erforderliche Leistung Verfügbare Leistung
Leistung – 70% »übrig«?
Nicht, wenn‘s bergauf geht!
0 km/h
20 km/h
40 km/h
60 km/h
80 km/h
100 km/h
120 km/h
140 km/h
160 km/h
180 km/h
200 km/h
0 s 60 s 120 s 180 s
v→
t →
IC-Zug mit BR 101 und 9 Wagen
Ausrollen
Nutzbremsung <150kN
Nutzbremsung voll
Betriebsbremsung
PKW rollt aus
Zeit ist zwar Geld – aber wie viel?
← 30 € →
0 km/h
50 km/h
100 km/h
150 km/h
200 km/h
250 km/h
300 km/h
0 s 60 s 120 s 180 s 240 s
v→
t →
ICE3-Triebwagenzug BR 403 mit 8 Wagen
Ausrollen
Nutzbremsung <150kN
Nutzbremsung
Betriebsbremsung
Zeit ist zwar Geld – aber wie viel?
← 50 €! →
Ab Tempo 300 allerdings …
0 MW
1 MW
2 MW
3 MW
4 MW
5 MW
6 MW
7 MW
8 MW
0 kN
50 kN
100 kN
150 kN
200 kN
250 kN
300 kN
0 km/h 100 km/h 200 km/h 300 km/h
P→
F→
v →
ICE3-Triebwagenzug
mit 8 Wagen
Erforderliche Zugkraft
Verfügbare Zugkraft
Erforderliche Leistung
Verfügbare Leistung
… steigt der Verbrauch
dann doch rapide an 
0,0 m/s²
0,1 m/s²
0,2 m/s²
0,3 m/s²
0,4 m/s²
0,5 m/s²
0,6 m/s²
0 km/h
30 km/h
60 km/h
90 km/h
120 km/h
150 km/h
180 km/h
210 km/h
240 km/h
270 km/h
300 km/h
330 km/h
0 km 5 km 10 km 15 km 20 km 25 km
a→
v→
s →
ICE3-Triebwagenzug
BR 403 mit 8 Wagen
Geschwindigkeit
Beschleunigung
0,0 m/s²
0,1 m/s²
0,2 m/s²
0,3 m/s²
0,4 m/s²
0,5 m/s²
0,6 m/s²
0 km/h
30 km/h
60 km/h
90 km/h
120 km/h
150 km/h
180 km/h
210 km/h
240 km/h
270 km/h
300 km/h
330 km/h
0 s 60 s 120 s 180 s 240 s 300 s 360 s
a→
v→
t →
ICE3-Triebwagenzug
BR 403 mit 8 Wagen
Geschwindigkeit
Beschleunigung
Das ultimative Bahnkonzept
16 von 32 Achsen
angetrieben, je ein
500-kW-Motor, bieten
optimale Beschleunigung
und Rückspeisung
Auch muss man die vorgesehene
Reisegeschwindigkeit von 300 km/h (83,3 m/s)
erst einmal erreichen
Mit 4% Aufschlag für rotierende Massen und einem Wirkungsgrad
von 87% ab Stromabnehmer macht dies für eine Beschleunigung
von 0 auf 300 km/h rund 520 kWh.
Beim DB-»Tagtarif« von 12,2 c/kWh kostet das 63 €!
Beim Niedertarif von 10,5 c/kWh sind es immer noch fast 55 €.
Wenn man davon nichts zurück bekäme, wäre das traurig.
Noch einmal mit einem Wirkungsgrad von 87% gerechnet, bekommt
man also beim Bremsen 75% zurück erstattet – wenn alles gut geht.
kWhGJNm
s
mkg
v
m
Wkin 43456,110*56,13,83*
2
000.450
²*
2
9
2







Da sieht die Diesellok alt aus
Die elektrische Traktion erweist sich als weit überlegen:
• Leistungsdichte und Fahrdynamik sind ohne Beispiel.
• Deutsche E-Loks verbrauchen zu 9% Strom, der schon
einmal von einer Lok verbraucht und wieder abgegeben
worden ist.
• Das klappt sonst nur beim Wasser (oder z. B. Kupfer!),
aber niemals bei Kohle, Gas und Öl.
• Der Anteil wird weiter steigen, da nach und nach immer
mehr alte, nicht rückspeisefähige E-Lokomotiven durch
moderne Stromrichter-Lokomotiven ersetzt werden.
• Jedoch eine Diesellok, die beim Bremsen Abgas
ansaugt und daraus wieder Kraftstoff und Frischluft
herstellt, wird wohl noch lange auf sich warten lassen.
Strom bringt frischen Wind
Die Schokoladenseite der E-Lok:
Sie ist wie ein bekannter Schokoriegel –
sie bringt verbrauchte Energie sofort zurück!
• Das Energiekosten-Management der DB AG nennt für die BR 101
(145 Stück im Einsatz) für 2009 eine durchschnittliche Laufleistung
von 347.620 km.
• Der durchschnittliche Verbrauch beträgt ≈17 kWh/km oder
177 GWh/a (einschließlich Strom, den die Lok zur Versorgung der
Wagen wieder abgegeben hat).
• Die Stromkosten liegen somit bei 800.000 € im Jahr.
• Der Anschaffungspreis der BR 101 liegt bei etwa
3 Millionen Euro.
• Für den Stromverbrauch einer Lok in 30 Dienstjahren könnte man
also 8 komplette Loks kaufen!
• 9% rückgespeiste Energie sparen in 30 Dienstjahren
2 Millionen Euro je Lok!
Dabei spart diese Lok wesentlich mehr – 9% ist der Durchschnittswert
einschließlich »Museumsloks« ohne Rückspeisung.
Oder sehen wir uns einmal den
Regionalverkehr an
Der Regional-Express von Aachen nach Dortmund hält hier auf
160 km Strecke 22 Mal.
Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 140 km/h.
Führe der Zug ohne Halt durch, bräuchte er
nur 800 kWh zur Überwindung der Reibung.
Aber 22 Mal beschleunigen
kostet 1600 kWh!
Das sind also 2/3 der gesamten Energie (ohne den »Eigenbedarf«)
Also könnten theoretisch etwa 3/4 von 2/3 zurück gewonnen werden,
sprich 50%, aber leider …
Antrieb 80%
Klimatisierung 7%
Abfuhr der Verlustwärme 8%
Frostschutz 1%
Druckluft 3%
Steckdosen 1%
Verteilung des gesamten
Energie-Verbrauchs
im Zug
Oder sehen wir uns einmal den
Regionalverkehr an
… liegt der Rückspeise-Anteil nach Angaben von DB Regio in
diesem Geschäftsbereich nur bei 10%!
Und nun was tun? Woran mangelt es?
Wenn Sie heute eine
Schaltwerkslok sehen,
dann ist dieses Vehikel wahrscheinlich 36 Jahre alt.
Wenn es sich z. B. um die BR 110 handelt, ist das
Fahrzeug zwischen 42 und 54 Jahre alt!
Und es läuft und läuft und läuft …
Bestand BR geliefert 2007 2008 2009 2010 2011 2014 Alter
103 1972 bis 1974 3 3 3 3 1 3 40a bis 42a
113 1962 bis 1963 1 3 2 3 3 0 51a bis 52a
115 1962 bis 1964 36 36 28 19 17 12 50a bis 52a
110 1957 bis 1969 161 140 109 88 64 18 45a bis 57a
111 1975 bis 1984 226 225 225 225 224 210 30a bis 39a
112 1992 bis 1993 90 90 89 89 89 89 21a bis 22a
114 1990 bis 1992 40 40 40 39 38 37 22a bis 24a
143 1984 bis 1990 616 600 556 520 487 380 24a bis 30a
420 1969 bis 1994 206 196 189 167 163 150 20a bis 45a
450 4 4 4 4 4 4
140 1957 bis 1973 238 214 172 74 81 42 41a bis 57a
151 1973 bis 1975 164 164 163 140 133 90 39a bis 41a
155 1974 bis 1984 177 216 219 195 185 138 30a bis 40a
Lokomotiven 1731 1731 1606 1395 1322 1019 36a 39a 43a
Triebwagen / Triebzüge 200 200 193 171 167 154 20a 33a 45a
Gesamt 1931 1931 1799 1566 1489 1173 28a 36a 44a
Lokomotiven
DB Schenker
Rail
Lokomotiven
DB Regio
Schaltwerks-Triebfahrzeuge
Lokomotiven
DB Fernverkehr
Triebwagen
DB Regio
Summen
bzw.
Mittelwerte
Bestand BR geliefert 2007 2008 2009 2010 2011 2014 Alter
103 1972 bis 1974 3 3 3 3 1 3 40a bis 42a
113 1962 bis 1963 1 3 2 3 3 0 51a bis 52a
115 1962 bis 1964 36 36 28 19 17 12 50a bis 52a
110 1957 bis 1969 161 140 109 88 64 18 45a bis 57a
111 1975 bis 1984 226 225 225 225 224 210 30a bis 39a
112 1992 bis 1993 90 90 89 89 89 89 21a bis 22a
114 1990 bis 1992 40 40 40 39 38 37 22a bis 24a
143 1984 bis 1990 616 600 556 520 487 380 24a bis 30a
420 1969 bis 1994 206 196 189 167 163 150 20a bis 45a
450 4 4 4 4 4 4
140 1957 bis 1973 238 214 172 74 81 42 41a bis 57a
151 1973 bis 1975 164 164 163 140 133 90 39a bis 41a
155 1974 bis 1984 177 216 219 195 185 138 30a bis 40a
Lokomotiven 1731 1731 1606 1395 1322 1019 36a 39a 43a
Triebwagen / Triebzüge 200 200 193 171 167 154 20a 33a 45a
Gesamt 1931 1931 1799 1566 1489 1173 28a 36a 44a
Lokomotiven
DB Schenker
Rail
Lokomotiven
DB Regio
Schaltwerks-Triebfahrzeuge
Lokomotiven
DB Fernverkehr
Triebwagen
DB Regio
Summen
bzw.
Mittelwerte
Bei der DB AG noch im Einsatz befindliche
alte Schaltwerks-Triebfahrzeuge
Vermächtnis der
Deutschen
Reichsbahn
der DDR
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2007 2008 2009 2010 2011 2014 2015 2016
Bestand→ Elektrische Triebfahrzeuge bei der DB AG
Rückspeisefähige Triebfahrzeuge
Schaltwerks-Triebfahrzeuge
Nahezu »unkaputtbar« …
Schaltwerks-Triebfahrzeuge werden
seit 1985 nicht mehr in Dienst gestellt,
aber dennoch…
Planungen der DB für die nächsten
Jahrzehnte daher:
Nicht rückspeisefähige Loks vollständig
ausmustern:
Leittechnik optimieren – nie wieder Geruch
von heißen Bremsen:
Alle Personenzüge durch Triebwagenzüge
ersetzen:
10% → 20%
20% → 50%
50% → 60%
• Triebwagen sind leichter und verbrauchen allein dadurch
schon weniger Energie
• Der verteilte Antrieb fördert zudem den zweiten Punkt
Bestand BR geliefert 2007 2008 2009 2010 2011 2014 2015 2011
101 1996 bis 1999 145 145 145 145 145 145 145 9,3%
120 1987 bis 1988 58 53 53 52 50 48 48 6,4%
401 1989 bis 1993 59 59 59 59 59 59 59 13,0%
402 1995 bis 1997 44 44 44 44 44 44 44 13,0%
403 ab 1997 50 50 50 50 50 50 50 17,4%
406 ab 1997 13 13 13 13 13 13 13 17,4%
411 1999 bis 2005 57 56 56 56 56 56 56 13,2%
415 1999 bis 2005 11 11 11 11 11 11 11 13,2%
120 1987 bis 1988 0 5 5 5 8 8 11,6%
146 2001 bis 2006 110 110 110 110 110 110 18,6%
182 2001 0 0 0 5 25 25 11,6%
422 2007 bis 2010 0 0 24 64 84 84 40,6%
423 1998 bis 2007 448 448 448 461 461 461 40,6%
424 ab 1998 40 40 40 40 40 40 34,4%
425 ab 1999 236 236 249 249 249 249 34,4%
426 ab 1999 42 42 42 42 42 42 28,9%
440 ab 2008 0 0 4 37 80 80 28,9%
145 1998 bis 2000 79 79 79 79 79 79 79 5,0%
152 1997 bis 2001 170 170 170 170 170 170 170 8,8%
185 2000 bis 2009 279 319 356 375 399 385 385 8,8%
189 2002 bis 2005 90 90 90 90 90 90 90 8,8%
Lokomotiven
DB Schenker
Rail
RückspeisefähigeTriebfahrzeuge
Triebwagen
DB Regio
Triebwagen
DB Fernverkehr
Lokomotiven
DB Fernverkehr
Lokomotiven
DB Regio
Realität der DB schon 2011:
Rückspeise-Königinnen BR 422 und BR 423!
Rückspeisequoten 2011 ↓
• Da steht ein Dieseltriebwagen im Bahnhof.
Der Motor tuckert im Leerlauf – und wird
gekühlt, während die mit Dieselkraftstoff
zum Dieselpreis befeuerte Ölheizung den
Fahrgastraum beheizt!
• Der Triebwagen fährt an. Der Motor brummt gemächlich.
• Erst ab 30 km/h kann die volle Leistung auf die Schienen übertragen
werden: Der Motor brummt jetzt energisch – etwa eine Minute lang. Dann
ist die Höchstgeschwindigkeit erreicht. Für konstant 120 km/h reichen 30%
der Motorleistung.
• Doch schon bald kommt der nächste Bahnhof. Der Triebwagen rollt
mehrere Minuten lang, der Motor kuppelt aus, tuckert vor sich hin.
• Der Triebwagen bremst, Motor »gibt Gas«, um die Wärme aus dem
hydraulischen Bremssystem über den Kühler abzugeben!
• Der Triebwagen steht im Bahnhof … – usw.; s. o.
Also was ist denn nun mit den
41% Strecken ohne Oberleitung?
Klingt das wie ein Zukunftskonzept? Doch wohl eher wie ein Behelf!
z. B. »TALENT«-Triebzug BR 640
Aber da war doch mal was?
Richtig: Die BR 515 / 815!
• Akkumulator-Triebwagen gab es bei der DB schon 1907
• Über 40 Jahre hinweg, von 1955 bis 1995, waren gut
220 Triebfahrzeuge der BR 515 im Einsatz:
• Leistung 2*150 kW
• Höchstgeschwindigkeit 100 km/h
• 10 t … 16 t Blei-Akkumulatoren
• Kapazität 352 kWh … 602 kWh
• Reichweite 300 km
Gedanken-Experiment:
Eine moderne Neuauflage
Heutige Li-Ionen-Akkumulatoren bieten die 4-fache
Energiedichte, also z. B.:
• Doppelte Kapazität bei halbierter Masse,
• doppelte Kapazität verdoppelt die Reichweite auf
600 km,
• halbiertes Gewicht sowie moderne Stromrichtertechnik mit
Nutzbremsung verbessern die Fahrleistungen
(min. 140 km/h) und den Komfort (z. B. Klimaanlage).
Vergleich eines hypothetischen
»E-Talent BR 543« mit dem Auto
Tesla E-Talent
Roadster »BR 543«
Energiekapazität 55 kWh 1100 kWh
Energieverbrauch 0,2 kWh/km 2 kWh/km
Energieverbrauch je Sitz 0,1 kWh/km 0,01 kWh/km
Reichweite 350 km 600 km
Masse Akku 0,45 t 9 t
Anteil am Fahrzeug 36% 12%
Preis Akku 40.000 € 800.000 €
Anteil am Fahrzeug 50% 25%
Wie viel kostet der Akkustrom wirklich?
Preis des Akkus: 800.000 €
Lebensdauer: 3000 Ladezyklen
Energie-Kapazität: 1100 kWh
Der Strom aus dem Akku kostet also effektiv
Strompreis am Fahrdraht 122 €/MWh
(Niedertarif wegen Ladens bei Nacht)
Lade- und Umwandlungs-Verluste +4 €/MWh
Abnutzung des Akkumulators +240 €/MWh
Stromkosten aus dem Akku 366 €/MWh
Vergleich mit bestehendem
Dieseltriebwagen BR 612
Dieseltriebwagen BR 612 »E-Talent«
Primär-Energieverbrauch 20 kWh/km <6 kWh/km
Sekundär-Energieverbrauch 17 kWh/km 2 kWh/km
(1,7 l/km)
Energiepreis netto 1,32 €/l 0,12 €/kWh
Energiepreis inkl. Akku – – – 0,36 €/kWh
Energiekosten netto – – – 0,25 €/km
Energiekosten brutto 2,25 €/km 0,75 €/km
Bei 250.000 km/a 562.500 €/a 187.500 €/a
In 30 Jahren Betrieb 16.875.000 € 5.625.000 €
Vergleich mit bestehendem
Dieseltriebwagen BR 612
Der Vergleich hinkt? – Nun ja, aber zu welcher Seite?
Denn der »E-Talent« wird in 30 Betriebsjahren mindestens 2 neue
Akkus benötigen,
aber die Lebensdauer der Akkus war im Strompreis schon
eingerechnet,
und die Strompreise (aus dem Fahrdraht) werden steigen, die
Akkupreise jedoch fallen,
und Dieseltriebfahrzeuge verursachen 3 Mal so hohe
Wartungskosten wie Elektrofahrzeuge
Oftmals fahren die
»Bimmelbahnen« auf
elektrifizierten Strecken
aus den Ballungsräumen
heraus und biegen erst
später auf die
Nebenstrecken ab. Hier
könnte man zum Teil
»konventionell elektrisch«
fahren, während der Fahrt
aufladen und so die
erforderliche (teure) Akku-
Kapazität auf einen
Bruchteil reduzieren.
Alternative 1:
Akku-Triebwagen mit Stromabnehmer
Alternative 1:
Stückweise gibt es sie schon: Die Akkubahn!
Die »Variobahn« des Schweizer Herstellers Stadler Rail hilft dann
aus, wenn an bestimmten Stellen eine Oberleitung unerwünscht
ist oder nicht aufgehängt werden kann.
Sie hat zusätzlich zum Stromabnehmer 2 Energiespeicher:
Akkumulator und Superkondensatoren.
Streckenabschnitte durch Parks oder historische Gebäude
werden so manchmal erst ermöglicht.
In München wird künftig eine solche Bahn durch den Englischen
Garten fahren dürfen.
Oberleitungen wollte man dort nicht sehen.
In Nürnberg fahren sie schon länger.
Alternative 2:
Induktive Übertragung?
Die Straßenbahn kann das schon …
… verkauft sich aber auch nicht.
Noch höher wäre der Aufwand auf der Autobahn.
Alternative 3:
Hybrid-Dieseltriebwagen
Nicht zu verwechseln mit dem Prinzip der dieselelektrischen
Lokomotive! Diese ist im Prinzip eine Elektrolok, die ihr eigenes
Kraftwerk mit sich herum schleppt.
Der Dieselmotor hat beim Hybrid nur ≈ 10% der elektrischen
Leistung (z. B. PKW-Motor 66 kW statt 2 * 315 kW).
Denn der Dieselmotor läuft ständig im optimalen Betriebspunkt
(Nennleistung) statt zu ≈ 90% im Leerlauf.
Auch der Generator hat nur 10% der elektrischen
Traktionsleistung.
Der Akku erbringt 90% bzw. verträgt 110% der elektrischen
Traktionsleistung beim Beschleunigen bzw. Bremsen
Gleichmäßiges Wärme-Angebot, Kraft-Wärme-Kopplung statt
Ölheizkessel.
Kombinierbar mit Alternative 1.
Hybrid-Dieseltriebwagen –
auch für den Fernverkehr?
Fahren Sie doch mal von Berlin nach Kopenhagen!
Dort braucht man jetzt die unglückselige BR 605 auf.
Diese Triebzüge sind mit dieselelektrischem Antrieb ausgestattet,
verfügen also bereits über elektrische Fahrmotoren.
• Sie entstanden auf der Plattform des 5-teiligen elektrischen
Triebzugs der BR 415.
• Sie waren über mehrere Jahre außer Dienst gestellt.
• Sie standen zum Verkauf ins Ausland, aber niemand wollte sie
haben.
• Als Grund für die beiden letztgenannten Punkte werden u. a.
hohe Kraftstoffkosten angeführt.
Also warum nicht diese Züge zuerst umrüsten?
BR 605 – ICE ohne Stromabnehmer
Bedenken Sie:
• Der Zug fährt hier nicht besonders schnell, hält aber selten.
• Dennoch liegt der Kraftstoff-Verbrauch bei 2 l/km!
• Das kostet rund 1600 € je einfache Fahrt!
• Allein dafür müssen 11 Vollpreis-, 17 Sparpreis-Fahrgäste oder 22
Inhaber der BahnCard 50 auf den insgesamt 195 Plätzen sitzen
• Dabei ist der größte Teil der Strecke elektrifiziert!
• Und eine Stunde lang fährt der Zug überhaupt nicht, sondern steht
auf einem Schiff.
Also warum nicht
• 2 oder auch 3 der 4 Dieselmotoren ausbauen,
• an deren Stelle Akkumulatoren einsetzen,
• eventuell einen Stromabnehmer und einen Trafo dazu,
• in jedem Fall aber auf einer Fahrt für mindestens 600 € Kraftstoff
sparen?
Schlussfolgerungen
Elektrische Bahn-Antriebe sind den Dieselmotoren in der Leistungsfähigkeit deutlich
überlegen.
Elektrische Bahn-Antriebe sind gleichzeitig weitaus Energie-effizienter und
kostengünstiger als Dieseltraktion.
Die SBB fährt 100% elektrisch – nichts mehr zu tun.
Die DSB z. B. fährt zu 27% elektrisch – Handlungsbedarf Aber zur Zeit in Arbeit.!
Die DB AG fährt zu 90% elektrisch – das ist gut so.
Für die restlichen 10% böte sich die Wieder-Einführung Akkumulator gespeister E-
Triebwagen auf Basis moderner Li-Ionen-Zellen an. 40 Jahre gute Erfahrung selbst mit
Bleiakkumulatoren bezeugen dies.
Eine Milliarde Euro Fördergelder für das Elektroauto allein in Deutschland – aber
die Umsetzbarkeit liegt rund 10 Mal weiter von der Realität entfernt als die des
Akkumulator betriebenen Bahnfahrzeugs! Das BMBF, die Bundesregierung und die EU-
Kommission sollten dies bei ihren Förderprogrammen dringend in Betracht ziehen.
Mehr:
www.kupferinstitut.de/de/werkstoffe/anwendung/e-mobilitaet.html

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Wie Energie-effizient ist der Bahnverkehr wirklich?

  • 1. Wie Energie-effizient ist der Bahnverkehr wirklich? Und könnte er vielleicht noch wesentlich effizienter sein? Stefan Fassbinder
  • 2. Eckdaten der 16,7-Hz-Bahnen in D-A-CH Ba tro DB AG (2012) ÖBB SBB Beschäftigte 276310 42893 27822 Mio. Fahrgäste 1950 200 332 gesamt 33723km 11000km 3011km elektrifiziert 19300km 8200km 3011km an Strecke 59% 75% 100% am Verkehr 90% 100% Gleisnetz Anteil Wenn die Bahn schon immer tut, was beim Auto nicht klappen kann … … denn der Energie-»Verbrauch« einer Elektrolok ist zeitweise negativ! Stromnetz der DB AG Kraftwerkstyp Installierte Leistung Erzeugte Energie Dampf 42,2% 66,0% Wasser 11,0% 10,0% Umformer 34,3% 14,6% Umrichter 11,9% 9,4% Gesamt 3,2GW 11,0TWh/a Summe aller E-Fahrzeuge 22,4GW (700%) 59% der DB-Strecken sind elektrifiziert. Diese 59% tragen 90% des Verkehrs. Jedoch …
  • 3. …was ist mit den anderen 10%? Z. B. mit der Baureihe 612?  Motorleistung: 2 * 560 kW = 1120 kW  Pepp und Komfort: Neigetechnik, Klimaanlage  Höchstzulässige Geschwindigkeit: 160 km/h  Praxis-Verbrauch: ≈ 1,7 l/km (für einen, nicht für 100 km!)
  • 4. Was ist mit den Diesellokomotiven? BR 232 »Ludmila« BR 220 »Taigatrommel« • An einer Diesellok der BR 232 (6 Achsen, 120 t, 2200 kW, max. 120 km/h) wurde bei konstant 120 km/h ein Verbrauch von 3 l/km gemessen. • (Aus gutem Grund bezieht man bei der Bahn den Kraftstoff- Verbrauch auf einen Kilometer, nicht auf deren hundert!) • Neue Diesellokomotiven gibt es nach Jahrzehnten nun wieder. • Der Motor-Wirkungsgrad beträgt dann > 40% – im Nennbetrieb. • Doch was hilft das, wenn der Motor ≈ 90% seiner Betriebszeit im Leerlauf zubringt? • Und wenn ein Mitarbeiter von DB Fernverkehr sagt: »Dieselloks halten auf elektrifizierten Strecken den Verkehr auf!«… • …und eine Fachzeitschrift berichtet, die Elektrifizierung habe auf einer nur 22 km langen Strecke die Fahrzeit um 5 Minuten verkürzt? (»Elektrischer Betrieb bei der Deutschen Bahn im Jahre 2009«. eb Elektrische Bahnen – Elektrotechnik im Verkehrswesen 1-2/2010, S.19)
  • 5. Denn z. B. die Elektrolok der BR 101 (4 Achsen, 84 t, 220 km/h) verfügt über eine Motorleistung von 6600 kW! Merke: Strom macht müde Züge munter!
  • 6. Das erklärt‘s: 0 kW/t 100 kW/t 200 kW/t 300 kW/t 400 kW/t 500 kW/t 600 kW/t 700 kW/t 1 kW 10 kW 100 kW 1000 kW 10000 kW 100000 kW Leistungsdichte→ Baugröße → Leistungsdichte von Hubkolbenmotoren Leistungsdichte entsprechender elektrischer Maschinen Gegenläufige Trends!
  • 7. am PKW am Zug Faktor (4…5 Sitze) (450 Sitze) 100 Masse 1,5 t 450 t 300 Haftreibungskoeffizient ≈ 1 0,28…0,35 0,3 Rollreibungskoeffizient 1,7% 1,7‰! 0,1 Hieraus: Rollreibungskraft 0,3 kN 9 kN 30 hierfür aufzuwendende Leistung 15 kW 450 kW 30 anteilig an der Nennleistung 15% 7% 0,5 Luftreibungskraft 1,5 kN 30 kN 20 hierzu aufzuwendende Leistung 85 kW 1550 kW 18 anteilig an der Nennleistung 85% 23% 0,27 Leistungsbedarf insgesamt 100 kW 2000 kW 20 anteilig an der Nennleistung 100% 30%! 3,3 Die für den Energieverbrauch ursächlichen Fahrwiderstände sind (bei ≈ 200 km/h):
  • 8. Wozu sind denn dann die anderen 70% der Leistung gut? Im Vergleich zum Auto ist beim Zug  die Masse sehr groß (der Begriff »Massenverkehrsmittel« erhält eine ganz neue Dimension),  der Haftreibungskoeffizient (Stahl auf Stahl statt Gummi auf Asphalt) deutlich geringer,  die Rollreibung (Stahl auf Stahl statt Gummi auf Asphalt) sehr gering,  die Luftreibung sehr gering (denn der Zug fährt gleichsam »in seinem eigenen Windschatten«).
  • 9. Bemerkenswert: Die Höchstgeschwindigkeit eines PKW ist in der Regel die höchstmögliche Geschwindigkeit, begrenzt durch die verfügbare Motorleistung eines Bahnfahrzeugs ist dagegen stets die höchstzulässige Geschwindigkeit
  • 10. lassen wir mal ein mit • 66 kW motorisiertes Auto, das • 4 Personen (ganz wenig) Platz bietet, • 200 km/h schnell fahren. Dagegen kann ein mit • 6600 kW motorisierter Zug • 400 Personen (ganz viel) Platz bieten (mit Toiletten, Bistro, …). Das kostet bei • 200 km/h Reisegeschwindigkeit: Mit viel gutem Willen 0,0 MW 1,1 MW 2,2 MW 3,3 MW 4,4 MW 5,5 MW 6,6 MW 0 kW 11 kW 22 kW 33 kW 44 kW 55 kW 66 kW 0 km 50 km 100 km 150 km 200 km PIC-Zug→ PAuto→ v → Leistungsbedarf Auto und IC-Zug P (Auto) P (IC-Zug)
  • 11. 0 km/h 20 km/h 40 km/h 60 km/h 80 km/h 100 km/h 120 km/h 140 km/h 160 km/h 180 km/h 200 km/h 0 km 1 km 2 km 3 km v→ s → PKW rollt aus Masse: 2000 kg Rollreibung: 2% Stirnfläche: 2 m² CW-Wert: 0.37 Leistung: 105 kW 0 km/h 20 km/h 40 km/h 60 km/h 80 km/h 100 km/h 120 km/h 140 km/h 160 km/h 180 km/h 200 km/h 0 km 1 km 2 km 3 km v→ s → IC-Zug mit BR 101 und 8 Wagen Ausrollen PKW rollt aus 0 km/h 20 km/h 40 km/h 60 km/h 80 km/h 100 km/h 120 km/h 140 km/h 160 km/h 180 km/h 200 km/h 0 km 1 km 2 km 3 km v→ s → IC-Zug mit BR 101 und 8 Wagen Ausrollen Betriebsbremsung PKW rollt aus Voll besetztes Auto bei 200 km/h auskuppeln, ausrollen lassen und sehen, was passiert:
  • 12. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 km 1 km 2 km 3 km 4 km 5 km 6 km 7 km 8 km v/vmax→ s → Beschleunigungsverlauf Auto und Bahn (0 … 200 km/h) PKW beschleunigt v/vmax IC-Zug (10 Wagen) v/vmax Ein Auto beschleunigt aber doch schneller, oder? Na ja, anfangs schon, aber nachher legt der Zug noch eine Kohle drauf!
  • 13. Preisfrage 1: Wie weit rollt ein ICE2-Triebzug der Baureihe 402 ungebremst noch weiter »übers platte Land«, wenn bei einer Geschwindigkeit von 230 km/h plötzlich der Strom ausfällt? Antwort 1: Man weiß es nicht. Der Versuch wurde nicht zu Ende geführt. Nach 32 km hatte der Zug immer noch 120 km/h drauf! Es gibt aber theoretische Berechnungs-Unterlagen, die den Versuch bestätigen 
  • 14. Preisfrage 2: Wie schnell wird ein Eisenbahnwagen, wenn er ein Gefälle von 5‰ (nur 0,5%!) herunter rollt? (Merke: Aus gutem Grund gibt man bei der Bahn die Rollreibungskoeffizienten in Promille an!) Antwort 2: Gemäß Berechnungs-Unterlagen der DB erreicht er nach einer Stunde (endlich) eine Geschwindigkeit von 44 m/s ≈ 160 km/h! Ein Auto bliebe schlicht und ergreifend stehen.
  • 15. Preisfrage 3: Warum muss ein ICE3-Triebzug der Baureihe 403 bremsen, wenn er zwischen Frankfurt und Köln mit 300 km/h eine der Gefällstrecken von 40‰ (4%) hinunter fährt? Antwort 1: Weil er rollender Weise die zulässige Höchstgeschwindigkeit von 300 km/h überschreiten würde! Deswegen erreichen die Züge hier eine durchschnittliche Rückspeisequote von 17%, obwohl selten oder gar nicht gehalten wird und bei der extrem hohen Geschwindigkeit doch ziemlich viel Energie verbraucht wird. Und 17% von ziemlich viel ist immer noch ziemlich viel.
  • 16. Preisfrage 4: In einer Wartungshalle für Bahnfahrzeuge ist es nicht erlaubt, beide Tore an beiden Enden gleichzeitig offen stehen zu lassen. Warum nicht? Antwort 3: Sonst bläst der Wind ungebremst abgestellte Lokomotiven hinaus ins Freie!
  • 17. Somit ist es rechnerisch nachvollziehbar, dass bei Bedarf jederzeit 10 starke Männer selbst die schwerste Güterzug-Lok von Hand aus dem Lokschuppen ziehen können
  • 18. Es finden sich noch mehr Beispiele www.
  • 20. … sind offenbar gar nicht so selten! Ob die Schieberbande das wohl auch bezahlt bekommt? (Etwa als so genannte Anschub-Finanzierung).
  • 21. Auf Schienen kann schon ein »Universal-Motorgerät« 1000 t ziehen! Wenn auch vielleicht nicht allzu schnell
  • 22. Zugkraft und Leistung – Soll und Haben 0 MW 1 MW 2 MW 3 MW 4 MW 5 MW 6 MW 0 kN 50 kN 100 kN 150 kN 200 kN 250 kN 300 kN 0 km/h 50 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h P→ F→ v → IC-Zug mit Lokomotive BR 101 und 9 Wagen Erforderliche Zugkraft Erforderliche Leistung bei konstanter Geschwindigkeit auf ebener Strecke
  • 23. Zugkraft – 80% »übrig«? 0 MW 1 MW 2 MW 3 MW 4 MW 5 MW 6 MW 0 kN 50 kN 100 kN 150 kN 200 kN 250 kN 300 kN 0 km/h 50 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h P→ F→ v → IC-Zug mit Lokomotive BR 101 und 9 Wagen Erforderliche Zugkraft Verfügbare Zugkraft Erforderliche Leistung Nur bei konstanter Geschwindigkeit auf ebener Strecke
  • 24. 0 MW 1 MW 2 MW 3 MW 4 MW 5 MW 6 MW 0 kN 50 kN 100 kN 150 kN 200 kN 250 kN 300 kN 0 km/h 50 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h P→ F→ v → IC-Zug mit Lokomotive BR 101 und 9 Wagen Erforderliche Zugkraft Verfügbare Zugkraft Erforderliche Leistung Verfügbare Leistung Leistung – 70% »übrig«? Haftreibungsgrenze  Leistungsgrenze
  • 25. 0 MW 1 MW 2 MW 3 MW 4 MW 5 MW 6 MW 0 kN 50 kN 100 kN 150 kN 200 kN 250 kN 300 kN 0 km/h 50 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h P→ F→ v → IC-Zug mit Lokomotive BR 101 und 9 Wagen auf 17‰ Steigung Erforderliche Zugkraft Verfügbare Zugkraft Erforderliche Leistung Verfügbare Leistung Leistung – 70% »übrig«? Nicht, wenn‘s bergauf geht!
  • 26. 0 km/h 20 km/h 40 km/h 60 km/h 80 km/h 100 km/h 120 km/h 140 km/h 160 km/h 180 km/h 200 km/h 0 s 60 s 120 s 180 s v→ t → IC-Zug mit BR 101 und 9 Wagen Ausrollen Nutzbremsung <150kN Nutzbremsung voll Betriebsbremsung PKW rollt aus Zeit ist zwar Geld – aber wie viel? ← 30 € →
  • 27. 0 km/h 50 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h 250 km/h 300 km/h 0 s 60 s 120 s 180 s 240 s v→ t → ICE3-Triebwagenzug BR 403 mit 8 Wagen Ausrollen Nutzbremsung <150kN Nutzbremsung Betriebsbremsung Zeit ist zwar Geld – aber wie viel? ← 50 €! →
  • 28. Ab Tempo 300 allerdings … 0 MW 1 MW 2 MW 3 MW 4 MW 5 MW 6 MW 7 MW 8 MW 0 kN 50 kN 100 kN 150 kN 200 kN 250 kN 300 kN 0 km/h 100 km/h 200 km/h 300 km/h P→ F→ v → ICE3-Triebwagenzug mit 8 Wagen Erforderliche Zugkraft Verfügbare Zugkraft Erforderliche Leistung Verfügbare Leistung … steigt der Verbrauch dann doch rapide an 
  • 29. 0,0 m/s² 0,1 m/s² 0,2 m/s² 0,3 m/s² 0,4 m/s² 0,5 m/s² 0,6 m/s² 0 km/h 30 km/h 60 km/h 90 km/h 120 km/h 150 km/h 180 km/h 210 km/h 240 km/h 270 km/h 300 km/h 330 km/h 0 km 5 km 10 km 15 km 20 km 25 km a→ v→ s → ICE3-Triebwagenzug BR 403 mit 8 Wagen Geschwindigkeit Beschleunigung 0,0 m/s² 0,1 m/s² 0,2 m/s² 0,3 m/s² 0,4 m/s² 0,5 m/s² 0,6 m/s² 0 km/h 30 km/h 60 km/h 90 km/h 120 km/h 150 km/h 180 km/h 210 km/h 240 km/h 270 km/h 300 km/h 330 km/h 0 s 60 s 120 s 180 s 240 s 300 s 360 s a→ v→ t → ICE3-Triebwagenzug BR 403 mit 8 Wagen Geschwindigkeit Beschleunigung Das ultimative Bahnkonzept 16 von 32 Achsen angetrieben, je ein 500-kW-Motor, bieten optimale Beschleunigung und Rückspeisung
  • 30. Auch muss man die vorgesehene Reisegeschwindigkeit von 300 km/h (83,3 m/s) erst einmal erreichen Mit 4% Aufschlag für rotierende Massen und einem Wirkungsgrad von 87% ab Stromabnehmer macht dies für eine Beschleunigung von 0 auf 300 km/h rund 520 kWh. Beim DB-»Tagtarif« von 12,2 c/kWh kostet das 63 €! Beim Niedertarif von 10,5 c/kWh sind es immer noch fast 55 €. Wenn man davon nichts zurück bekäme, wäre das traurig. Noch einmal mit einem Wirkungsgrad von 87% gerechnet, bekommt man also beim Bremsen 75% zurück erstattet – wenn alles gut geht. kWhGJNm s mkg v m Wkin 43456,110*56,13,83* 2 000.450 ²* 2 9 2       
  • 31. Da sieht die Diesellok alt aus Die elektrische Traktion erweist sich als weit überlegen: • Leistungsdichte und Fahrdynamik sind ohne Beispiel. • Deutsche E-Loks verbrauchen zu 9% Strom, der schon einmal von einer Lok verbraucht und wieder abgegeben worden ist. • Das klappt sonst nur beim Wasser (oder z. B. Kupfer!), aber niemals bei Kohle, Gas und Öl. • Der Anteil wird weiter steigen, da nach und nach immer mehr alte, nicht rückspeisefähige E-Lokomotiven durch moderne Stromrichter-Lokomotiven ersetzt werden. • Jedoch eine Diesellok, die beim Bremsen Abgas ansaugt und daraus wieder Kraftstoff und Frischluft herstellt, wird wohl noch lange auf sich warten lassen.
  • 32. Strom bringt frischen Wind Die Schokoladenseite der E-Lok: Sie ist wie ein bekannter Schokoriegel – sie bringt verbrauchte Energie sofort zurück! • Das Energiekosten-Management der DB AG nennt für die BR 101 (145 Stück im Einsatz) für 2009 eine durchschnittliche Laufleistung von 347.620 km. • Der durchschnittliche Verbrauch beträgt ≈17 kWh/km oder 177 GWh/a (einschließlich Strom, den die Lok zur Versorgung der Wagen wieder abgegeben hat). • Die Stromkosten liegen somit bei 800.000 € im Jahr. • Der Anschaffungspreis der BR 101 liegt bei etwa 3 Millionen Euro. • Für den Stromverbrauch einer Lok in 30 Dienstjahren könnte man also 8 komplette Loks kaufen! • 9% rückgespeiste Energie sparen in 30 Dienstjahren 2 Millionen Euro je Lok! Dabei spart diese Lok wesentlich mehr – 9% ist der Durchschnittswert einschließlich »Museumsloks« ohne Rückspeisung.
  • 33. Oder sehen wir uns einmal den Regionalverkehr an Der Regional-Express von Aachen nach Dortmund hält hier auf 160 km Strecke 22 Mal. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 140 km/h. Führe der Zug ohne Halt durch, bräuchte er nur 800 kWh zur Überwindung der Reibung. Aber 22 Mal beschleunigen kostet 1600 kWh! Das sind also 2/3 der gesamten Energie (ohne den »Eigenbedarf«) Also könnten theoretisch etwa 3/4 von 2/3 zurück gewonnen werden, sprich 50%, aber leider … Antrieb 80% Klimatisierung 7% Abfuhr der Verlustwärme 8% Frostschutz 1% Druckluft 3% Steckdosen 1% Verteilung des gesamten Energie-Verbrauchs im Zug
  • 34. Oder sehen wir uns einmal den Regionalverkehr an … liegt der Rückspeise-Anteil nach Angaben von DB Regio in diesem Geschäftsbereich nur bei 10%! Und nun was tun? Woran mangelt es?
  • 35. Wenn Sie heute eine Schaltwerkslok sehen, dann ist dieses Vehikel wahrscheinlich 36 Jahre alt. Wenn es sich z. B. um die BR 110 handelt, ist das Fahrzeug zwischen 42 und 54 Jahre alt! Und es läuft und läuft und läuft …
  • 36. Bestand BR geliefert 2007 2008 2009 2010 2011 2014 Alter 103 1972 bis 1974 3 3 3 3 1 3 40a bis 42a 113 1962 bis 1963 1 3 2 3 3 0 51a bis 52a 115 1962 bis 1964 36 36 28 19 17 12 50a bis 52a 110 1957 bis 1969 161 140 109 88 64 18 45a bis 57a 111 1975 bis 1984 226 225 225 225 224 210 30a bis 39a 112 1992 bis 1993 90 90 89 89 89 89 21a bis 22a 114 1990 bis 1992 40 40 40 39 38 37 22a bis 24a 143 1984 bis 1990 616 600 556 520 487 380 24a bis 30a 420 1969 bis 1994 206 196 189 167 163 150 20a bis 45a 450 4 4 4 4 4 4 140 1957 bis 1973 238 214 172 74 81 42 41a bis 57a 151 1973 bis 1975 164 164 163 140 133 90 39a bis 41a 155 1974 bis 1984 177 216 219 195 185 138 30a bis 40a Lokomotiven 1731 1731 1606 1395 1322 1019 36a 39a 43a Triebwagen / Triebzüge 200 200 193 171 167 154 20a 33a 45a Gesamt 1931 1931 1799 1566 1489 1173 28a 36a 44a Lokomotiven DB Schenker Rail Lokomotiven DB Regio Schaltwerks-Triebfahrzeuge Lokomotiven DB Fernverkehr Triebwagen DB Regio Summen bzw. Mittelwerte Bestand BR geliefert 2007 2008 2009 2010 2011 2014 Alter 103 1972 bis 1974 3 3 3 3 1 3 40a bis 42a 113 1962 bis 1963 1 3 2 3 3 0 51a bis 52a 115 1962 bis 1964 36 36 28 19 17 12 50a bis 52a 110 1957 bis 1969 161 140 109 88 64 18 45a bis 57a 111 1975 bis 1984 226 225 225 225 224 210 30a bis 39a 112 1992 bis 1993 90 90 89 89 89 89 21a bis 22a 114 1990 bis 1992 40 40 40 39 38 37 22a bis 24a 143 1984 bis 1990 616 600 556 520 487 380 24a bis 30a 420 1969 bis 1994 206 196 189 167 163 150 20a bis 45a 450 4 4 4 4 4 4 140 1957 bis 1973 238 214 172 74 81 42 41a bis 57a 151 1973 bis 1975 164 164 163 140 133 90 39a bis 41a 155 1974 bis 1984 177 216 219 195 185 138 30a bis 40a Lokomotiven 1731 1731 1606 1395 1322 1019 36a 39a 43a Triebwagen / Triebzüge 200 200 193 171 167 154 20a 33a 45a Gesamt 1931 1931 1799 1566 1489 1173 28a 36a 44a Lokomotiven DB Schenker Rail Lokomotiven DB Regio Schaltwerks-Triebfahrzeuge Lokomotiven DB Fernverkehr Triebwagen DB Regio Summen bzw. Mittelwerte Bei der DB AG noch im Einsatz befindliche alte Schaltwerks-Triebfahrzeuge Vermächtnis der Deutschen Reichsbahn der DDR
  • 37. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 2007 2008 2009 2010 2011 2014 2015 2016 Bestand→ Elektrische Triebfahrzeuge bei der DB AG Rückspeisefähige Triebfahrzeuge Schaltwerks-Triebfahrzeuge Nahezu »unkaputtbar« … Schaltwerks-Triebfahrzeuge werden seit 1985 nicht mehr in Dienst gestellt, aber dennoch…
  • 38. Planungen der DB für die nächsten Jahrzehnte daher: Nicht rückspeisefähige Loks vollständig ausmustern: Leittechnik optimieren – nie wieder Geruch von heißen Bremsen: Alle Personenzüge durch Triebwagenzüge ersetzen: 10% → 20% 20% → 50% 50% → 60% • Triebwagen sind leichter und verbrauchen allein dadurch schon weniger Energie • Der verteilte Antrieb fördert zudem den zweiten Punkt
  • 39. Bestand BR geliefert 2007 2008 2009 2010 2011 2014 2015 2011 101 1996 bis 1999 145 145 145 145 145 145 145 9,3% 120 1987 bis 1988 58 53 53 52 50 48 48 6,4% 401 1989 bis 1993 59 59 59 59 59 59 59 13,0% 402 1995 bis 1997 44 44 44 44 44 44 44 13,0% 403 ab 1997 50 50 50 50 50 50 50 17,4% 406 ab 1997 13 13 13 13 13 13 13 17,4% 411 1999 bis 2005 57 56 56 56 56 56 56 13,2% 415 1999 bis 2005 11 11 11 11 11 11 11 13,2% 120 1987 bis 1988 0 5 5 5 8 8 11,6% 146 2001 bis 2006 110 110 110 110 110 110 18,6% 182 2001 0 0 0 5 25 25 11,6% 422 2007 bis 2010 0 0 24 64 84 84 40,6% 423 1998 bis 2007 448 448 448 461 461 461 40,6% 424 ab 1998 40 40 40 40 40 40 34,4% 425 ab 1999 236 236 249 249 249 249 34,4% 426 ab 1999 42 42 42 42 42 42 28,9% 440 ab 2008 0 0 4 37 80 80 28,9% 145 1998 bis 2000 79 79 79 79 79 79 79 5,0% 152 1997 bis 2001 170 170 170 170 170 170 170 8,8% 185 2000 bis 2009 279 319 356 375 399 385 385 8,8% 189 2002 bis 2005 90 90 90 90 90 90 90 8,8% Lokomotiven DB Schenker Rail RückspeisefähigeTriebfahrzeuge Triebwagen DB Regio Triebwagen DB Fernverkehr Lokomotiven DB Fernverkehr Lokomotiven DB Regio Realität der DB schon 2011: Rückspeise-Königinnen BR 422 und BR 423! Rückspeisequoten 2011 ↓
  • 40. • Da steht ein Dieseltriebwagen im Bahnhof. Der Motor tuckert im Leerlauf – und wird gekühlt, während die mit Dieselkraftstoff zum Dieselpreis befeuerte Ölheizung den Fahrgastraum beheizt! • Der Triebwagen fährt an. Der Motor brummt gemächlich. • Erst ab 30 km/h kann die volle Leistung auf die Schienen übertragen werden: Der Motor brummt jetzt energisch – etwa eine Minute lang. Dann ist die Höchstgeschwindigkeit erreicht. Für konstant 120 km/h reichen 30% der Motorleistung. • Doch schon bald kommt der nächste Bahnhof. Der Triebwagen rollt mehrere Minuten lang, der Motor kuppelt aus, tuckert vor sich hin. • Der Triebwagen bremst, Motor »gibt Gas«, um die Wärme aus dem hydraulischen Bremssystem über den Kühler abzugeben! • Der Triebwagen steht im Bahnhof … – usw.; s. o. Also was ist denn nun mit den 41% Strecken ohne Oberleitung? Klingt das wie ein Zukunftskonzept? Doch wohl eher wie ein Behelf! z. B. »TALENT«-Triebzug BR 640
  • 41. Aber da war doch mal was? Richtig: Die BR 515 / 815! • Akkumulator-Triebwagen gab es bei der DB schon 1907 • Über 40 Jahre hinweg, von 1955 bis 1995, waren gut 220 Triebfahrzeuge der BR 515 im Einsatz: • Leistung 2*150 kW • Höchstgeschwindigkeit 100 km/h • 10 t … 16 t Blei-Akkumulatoren • Kapazität 352 kWh … 602 kWh • Reichweite 300 km
  • 42. Gedanken-Experiment: Eine moderne Neuauflage Heutige Li-Ionen-Akkumulatoren bieten die 4-fache Energiedichte, also z. B.: • Doppelte Kapazität bei halbierter Masse, • doppelte Kapazität verdoppelt die Reichweite auf 600 km, • halbiertes Gewicht sowie moderne Stromrichtertechnik mit Nutzbremsung verbessern die Fahrleistungen (min. 140 km/h) und den Komfort (z. B. Klimaanlage).
  • 43. Vergleich eines hypothetischen »E-Talent BR 543« mit dem Auto Tesla E-Talent Roadster »BR 543« Energiekapazität 55 kWh 1100 kWh Energieverbrauch 0,2 kWh/km 2 kWh/km Energieverbrauch je Sitz 0,1 kWh/km 0,01 kWh/km Reichweite 350 km 600 km Masse Akku 0,45 t 9 t Anteil am Fahrzeug 36% 12% Preis Akku 40.000 € 800.000 € Anteil am Fahrzeug 50% 25%
  • 44. Wie viel kostet der Akkustrom wirklich? Preis des Akkus: 800.000 € Lebensdauer: 3000 Ladezyklen Energie-Kapazität: 1100 kWh Der Strom aus dem Akku kostet also effektiv Strompreis am Fahrdraht 122 €/MWh (Niedertarif wegen Ladens bei Nacht) Lade- und Umwandlungs-Verluste +4 €/MWh Abnutzung des Akkumulators +240 €/MWh Stromkosten aus dem Akku 366 €/MWh
  • 45. Vergleich mit bestehendem Dieseltriebwagen BR 612 Dieseltriebwagen BR 612 »E-Talent« Primär-Energieverbrauch 20 kWh/km <6 kWh/km Sekundär-Energieverbrauch 17 kWh/km 2 kWh/km (1,7 l/km) Energiepreis netto 1,32 €/l 0,12 €/kWh Energiepreis inkl. Akku – – – 0,36 €/kWh Energiekosten netto – – – 0,25 €/km Energiekosten brutto 2,25 €/km 0,75 €/km Bei 250.000 km/a 562.500 €/a 187.500 €/a In 30 Jahren Betrieb 16.875.000 € 5.625.000 €
  • 46. Vergleich mit bestehendem Dieseltriebwagen BR 612 Der Vergleich hinkt? – Nun ja, aber zu welcher Seite? Denn der »E-Talent« wird in 30 Betriebsjahren mindestens 2 neue Akkus benötigen, aber die Lebensdauer der Akkus war im Strompreis schon eingerechnet, und die Strompreise (aus dem Fahrdraht) werden steigen, die Akkupreise jedoch fallen, und Dieseltriebfahrzeuge verursachen 3 Mal so hohe Wartungskosten wie Elektrofahrzeuge
  • 47. Oftmals fahren die »Bimmelbahnen« auf elektrifizierten Strecken aus den Ballungsräumen heraus und biegen erst später auf die Nebenstrecken ab. Hier könnte man zum Teil »konventionell elektrisch« fahren, während der Fahrt aufladen und so die erforderliche (teure) Akku- Kapazität auf einen Bruchteil reduzieren. Alternative 1: Akku-Triebwagen mit Stromabnehmer
  • 48. Alternative 1: Stückweise gibt es sie schon: Die Akkubahn! Die »Variobahn« des Schweizer Herstellers Stadler Rail hilft dann aus, wenn an bestimmten Stellen eine Oberleitung unerwünscht ist oder nicht aufgehängt werden kann. Sie hat zusätzlich zum Stromabnehmer 2 Energiespeicher: Akkumulator und Superkondensatoren. Streckenabschnitte durch Parks oder historische Gebäude werden so manchmal erst ermöglicht. In München wird künftig eine solche Bahn durch den Englischen Garten fahren dürfen. Oberleitungen wollte man dort nicht sehen. In Nürnberg fahren sie schon länger.
  • 49. Alternative 2: Induktive Übertragung? Die Straßenbahn kann das schon … … verkauft sich aber auch nicht. Noch höher wäre der Aufwand auf der Autobahn.
  • 50. Alternative 3: Hybrid-Dieseltriebwagen Nicht zu verwechseln mit dem Prinzip der dieselelektrischen Lokomotive! Diese ist im Prinzip eine Elektrolok, die ihr eigenes Kraftwerk mit sich herum schleppt. Der Dieselmotor hat beim Hybrid nur ≈ 10% der elektrischen Leistung (z. B. PKW-Motor 66 kW statt 2 * 315 kW). Denn der Dieselmotor läuft ständig im optimalen Betriebspunkt (Nennleistung) statt zu ≈ 90% im Leerlauf. Auch der Generator hat nur 10% der elektrischen Traktionsleistung. Der Akku erbringt 90% bzw. verträgt 110% der elektrischen Traktionsleistung beim Beschleunigen bzw. Bremsen Gleichmäßiges Wärme-Angebot, Kraft-Wärme-Kopplung statt Ölheizkessel. Kombinierbar mit Alternative 1.
  • 51. Hybrid-Dieseltriebwagen – auch für den Fernverkehr? Fahren Sie doch mal von Berlin nach Kopenhagen! Dort braucht man jetzt die unglückselige BR 605 auf. Diese Triebzüge sind mit dieselelektrischem Antrieb ausgestattet, verfügen also bereits über elektrische Fahrmotoren. • Sie entstanden auf der Plattform des 5-teiligen elektrischen Triebzugs der BR 415. • Sie waren über mehrere Jahre außer Dienst gestellt. • Sie standen zum Verkauf ins Ausland, aber niemand wollte sie haben. • Als Grund für die beiden letztgenannten Punkte werden u. a. hohe Kraftstoffkosten angeführt. Also warum nicht diese Züge zuerst umrüsten?
  • 52. BR 605 – ICE ohne Stromabnehmer Bedenken Sie: • Der Zug fährt hier nicht besonders schnell, hält aber selten. • Dennoch liegt der Kraftstoff-Verbrauch bei 2 l/km! • Das kostet rund 1600 € je einfache Fahrt! • Allein dafür müssen 11 Vollpreis-, 17 Sparpreis-Fahrgäste oder 22 Inhaber der BahnCard 50 auf den insgesamt 195 Plätzen sitzen • Dabei ist der größte Teil der Strecke elektrifiziert! • Und eine Stunde lang fährt der Zug überhaupt nicht, sondern steht auf einem Schiff. Also warum nicht • 2 oder auch 3 der 4 Dieselmotoren ausbauen, • an deren Stelle Akkumulatoren einsetzen, • eventuell einen Stromabnehmer und einen Trafo dazu, • in jedem Fall aber auf einer Fahrt für mindestens 600 € Kraftstoff sparen?
  • 53. Schlussfolgerungen Elektrische Bahn-Antriebe sind den Dieselmotoren in der Leistungsfähigkeit deutlich überlegen. Elektrische Bahn-Antriebe sind gleichzeitig weitaus Energie-effizienter und kostengünstiger als Dieseltraktion. Die SBB fährt 100% elektrisch – nichts mehr zu tun. Die DSB z. B. fährt zu 27% elektrisch – Handlungsbedarf Aber zur Zeit in Arbeit.! Die DB AG fährt zu 90% elektrisch – das ist gut so. Für die restlichen 10% böte sich die Wieder-Einführung Akkumulator gespeister E- Triebwagen auf Basis moderner Li-Ionen-Zellen an. 40 Jahre gute Erfahrung selbst mit Bleiakkumulatoren bezeugen dies. Eine Milliarde Euro Fördergelder für das Elektroauto allein in Deutschland – aber die Umsetzbarkeit liegt rund 10 Mal weiter von der Realität entfernt als die des Akkumulator betriebenen Bahnfahrzeugs! Das BMBF, die Bundesregierung und die EU- Kommission sollten dies bei ihren Förderprogrammen dringend in Betracht ziehen. Mehr: www.kupferinstitut.de/de/werkstoffe/anwendung/e-mobilitaet.html