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Präsentation der VDE/ ETG-Studie:
Energieoptimaler Bahnverkehr
Arnd Stephan / Carsten Söffker / Martin Altmann
Hannover, 25.04.2018
Elektrische Bahnen als Chance für die Energiewende !
Quelle: Bartlomiej Banaszak, Deutsche Bahn AG
Auf dem Weg zum 1-Liter-Zug
… mehr als 130 Jahre
Elektromobilität auf der Schiene
Weltweiter Energiebedarf ist
konventionell nicht zu befriedigen.
Regenerative Erzeugung bedeutet
höhere Volatilität.
Höhere Energieeffizienz ist zur Schonung der
Ressourcen unabdingbar.
Elektrizität wird zum Hauptenergieträger,
auch im Verkehr.
Aspekte der Energiewende
Was verstehen wir unter Elektrischen Bahnen?
Auf dem Weg zum 1-Liter-Zug
Städtischer
Nahverkehr:
Straßenbahn
Was verstehen wir unter Elektrischen Bahnen?
Auf dem Weg zum 1-Liter-Zug
Städtischer
Nahverkehr:
Straßenbahn
Schneller
Nahverkehr:
S- / U-Bahn,
Regionalbahn
Was verstehen wir unter Elektrischen Bahnen?
Auf dem Weg zum 1-Liter-Zug
Städtischer
Nahverkehr:
Straßenbahn
Schneller
Nahverkehr:
S- / U-Bahn,
Regionalbahn
Personen-
Fernverkehr:
HGV
Was verstehen wir unter Elektrischen Bahnen?
Auf dem Weg zum 1-Liter-Zug
Städtischer
Nahverkehr:
Straßenbahn
Schneller
Nahverkehr:
S- / U-Bahn,
Regionalbahn
Personen-
Fernverkehr:
HGV
Güterverkehr:
Leistungsfähigkeit und Effizienz
Auf dem Weg zum 1-Liter-Zug
1879 10 km/h 2,2 kW
2009 350 km/h 22 MW
… mehr als 130 Jahre
Elektromobilität auf der Schiene
Elektrische Bahnen …
Bo’ Bo’
82 t, 4 Achsen
7,0 MW
Co’ Co’ + Co’ Co’ + Co’ Co’ + Co’ Co’
520 t, 24 Achsen
4 x 2,0 MW = 8,0 MW
Grundlagen: Leistungsfähigkeit der E-Traktion
Warum fährt die Bahn elektrisch?
Elektrische Bahnen sind schon heute hochgradig energieeffizient
Auf dem Weg zum 1-Liter-Zug
► Fernverkehr: 2,0 l pro Person und 100 km Dieseläquivalent inkl. Kraftwerk (D)
bei vmax = 300 km/h und 100 % Besetzung
► Nahverkehr: 1,0 l pro Person und 100 km Dieseläquivalent inkl. Kraftwerk (D)
bei vmax = 80 km/h und 100 % Besetzung
► Stadtverkehr: 1,5 l pro Person und 100 km Dieseläquivalent inkl. Kraftwerk (D)
bei vmax = 60 km/h und 100 % Besetzung
► Güterverkehr: niedrigster spezifischer Energiebedarf 15 … 30 Wh / t / km ab Fahrleitung
45 … 90 Wh / t / km inkl. Kraftwerk (D)
Fakten-Check:
Status quo und Einflussgrößen auf den Energiebedarf
Simulationsrechnungen:
Wie schlagen sich Änderungen an den Einflussgrößen
im Energiebedarf tatsächlich nieder?
Verbesserungspotenziale:
Aufzeigen von technischen und betrieblichen Maßnahmen
Nutzwertanalyse:
Priorisierung der Maßnahmen nach Effekt und Aufwand
Innovations-Offensive:
Wer sollte zukünftig was genau tun?
Inhalte der ETG-Studie „Energieoptimaler Bahnverkehr“ –
Wann kommt der 1-Liter-Zug?
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Verluste Energie-bedarf Heizung/ Klima Aus-rüstung Strecken-wider-stand Lauf-wider-stand Beschleu-nigungs-widerstand Trassie-rung Fahr-weise Fahr-plan Bahnbetrieb Energie-versorgung Fahrgast-infrastruktur (auch Güter)
Fahrantrieb Bordnetz-Komfort Fahrdynamik Betriebsführung Stationäre Anlagen
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Energiebedarf nach Faktoren Fernverkehr Güterverkehr Regional (AC) S-Bahn / U-Bahn Straßenbahn
Methodik der Studie: 1) Expertenseminar
33 verschiedene Einflussgrößen (technisch & betrieblich)
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Methodik der Studie
2) Simulation der energetischen Auswirkungen
Fahrzeugantriebstechnik
Eisenbahn-Betriebssimulation
“Co-Simulation”
Bahnstromsystem
ATM Advanced
Train Module
PSC Power Supply
Calculation Interaction
Fahrzeugtechnik (Material, Lauftechnik, Aerodynamik …)
Antriebstechnik (Struktur, Technologie, Wirkungsgrade …)
Bordnetze und Hilfsbetriebe (Struktur, Management …)
Bahnstromsystem (Speiseart, Komponententechnologie …)
Bahnbetrieb (Fahrweise, Koordinierung, Automatisierung …)
Priorisierung mittels Nutzwertanalyse:
Technologischer Aufwand
Realisierungszeitraum
Investitionsbedarf
Energiesparpotenzial
Methodik der Studie
3) Maßnahmenkatalog für Verbesserungen
1. Energie“verluste“ verringern
Priorisierte Maßnahmen
Verlustarme Elektroenergieerzeugung
Verlustarme Energiewandlung im Fahrzeug
Verringerung des Fahrzeugwiderstandes
Ergebnisse der Studie
Herausforderung: Energieversorgung der Zukunft
Li-Ionen-Batterie
Hoffnungsträger Elektrische Energiespeicher ?
Ausbau der Elektrifizierung für Verkehrsachsen und Systeme mit hoher Leistung:
Aber auch dort, wo der Bau einer Oberleitung (noch) unwirtschaftlich ist,
können die Bahnen als Batteriehybride elektrisch fahren:
• Mit Brennstoffzelle (Coradia iLint von Alstom) oder Gelegenheitsladung (EcoTrain der DB, Talent 3)
Wie kommt nun die elektrische Energie zum Zuge ?
2. Energie“verschwendung“ vermeiden
Priorisierte Maßnahmen
Energiesparende Fahrweise
Bedarfsgerechte Klimatisierung
Maximierung des rekuperativen Bremsens
Energieoptimiertes Fahrzeugbordnetz
Ergebnisse der Studie
3. Energie“optimierung“ vorantreiben
Priorisierte Maßnahmen
Netzstruktur bei Gleichstrombahnen optimieren
Fahrerassistenzsysteme einsetzen
Entmischung der Verkehre vorantreiben
Ergebnisse der Studie
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Quelle für icons: meks-energy.de
Gleichstrom-
Unterwerk
Schema der Energieflüsse im elektrischen ÖPNV - klassisch
Zentrale Erzeugung
Separate Verbraucher
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Quelle für icons: meks-energy.de
Gleichstrom-
Unterwerk
Schema der Energieflüsse im elektrischen ÖPNV - heute
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Gleichstrom-
Unterwerk
Vollständige Umsetzung von zweiseitiger Speisung und Vermaschung
Fortschreitende Vernetzung
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Quelle für icons: meks-energy.de
Intelligentes
Gleichstrom-
Unterwerk
Sukzessive Modernisierung mittels bidirektionaler Unterwerke
Elektrische Bahnen
als Prosumer
Geringer Fahrwiderstand und bidirektionale, leistungsfähige Energieübertragung
sind bekannte Erfolgsfaktoren für die hohe Energieeffizienz elektrischer Bahnen.
Bahnindustrie:
Selbständige Nutzung auch kleinerer technischer Potenziale
Wahrnehmung der Design Authority für das Gesamtsystem
Bahnbetreiber:
Stärkere Wertschätzung des energetischen Aspektes bei der Spezifikation
Netzweite Optimierung der betrieblichen Einsatzbedingungen
Politik:
Schaffung verlässlicher Rahmenbedingungen für große Investitionen
Verkehrssteigerung durch neue Strecken und Elektrifizierung
Fazit: Es gibt Handlungsoptionen!
Herausforderung: Energieversorgung der Zukunft Technologietransfer oder minderwertige Kopien?
Leistungsfähige, kontinuierliche
Energieversorgung (nur) dank
aufwändiger Infrastruktur.
„Platooning“: Zugbildung
mittels elektronischer Kupplung
(und hohem Fahrwiderstand).
Auf dem Weg zum 1-Liter-Zug
… mehr als 130 Jahre
Elektromobilität auf der Schiene
Die Nachfrage nach Mobilität steigt kontinuierlich.
Elektrische Bahnen sind
leistungsfähig und effizient !
Netzausbau (Gleise und Energie) schafft
Kapazitäten.
Speicher-Lösungen für elektrischen Betrieb ohne Fahrdraht.
Elektrische Bahnen als Stütze und Profiteure der Energiewende !
Weltweiter Energiebedarf ist
konventionell nicht zu befriedigen.
Regenerative Erzeugung bedeutet
höhere Volatilität.
Höhere Energieeffizienz ist zur Schonung der
Ressourcen unabdingbar.
Elektrizität wird zum Hauptenergieträger,
auch im Verkehr.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
VDE – Netzwerk Zukunft
Ihre Ansprechpartner :
Dr.-Ing. Carsten Söffker
Alstom Transport Deutschland GmbH,
Linke-Hofmann-Busch-Straße 1,
38239 Salzgitter, Deutschland;
Tel: +49 5341 900-4222, Fax: -6578;
E-Mail: [email protected]
Prof. Dr.-Ing. Arnd Stephan
Technische Universität Dresden
Fakultät Verkehrswissenschaften
Professur für Elektrische Bahnen
Hettnerstr. 1-3, 01062 Dresden
Tel. +49 351 463-36730
E-Mail: [email protected]