Internationales Verkehrswesen (70) 3 | 2018 80 EcoTrain - Modulare und intelligente Mehrsystemplattform für Dieseltriebzüge Einblicke in das Vorserienprojekt zur Realisierung eines nachhaltigen Schienenpersonennahverkehrs Hybrid-Antriebe, Batteriespeicher, Energiemanagement, Umbaukonzept, Mehrsystemfahrzeug, Nachladesystem Im Projekt EcoTrain wird eine modulare Technologieplattform für intelligente Mehrsystemfahrzeuge auf dieselelektrischer Basis bis zur Serienreife entwickelt. Damit werden schon bald flexible Umsetzungsvarianten für verschiedene Strecken und Einsatzszenarien zur Verfügung stehen, mit denen der Schienenpersonennahverkehr auf nichtbzw. teilelektrifizierten Strecken umweltfreundlicher und effizienter werden kann. Das Aufsetzen auf vorhandene Fahrzeuge, Bahninfrastrukturen und -regularien sowie eine variable Dimensionierung und intelligente Steuerung der Systemelemente sichern die Wirtschaftlichkeit dieses Umbaukonzepts. Marco Rehme, Sören Claus, Martin Hagmann, Arnd Stephan, Claus Werner E lektromobilität im Bahnsektor bedeutet klassischerweise den Einsatz elektrischer Triebfahrzeuge auf elektrifizierten Strecken mit typischerweise hoher Verkehrsleistung. Der Verweis auf diese seit mehr als 100 Jahren verbreitete Technologie einer emissionsfreien Fortbewegung stellt die Realität des heutigen Schienenverkehrs allerding nur unzureichend dar. Abseits von den Hauptstrecken findet ein nicht zu vernachlässigender Anteil der erbrachten Verkehrsleistung (ca. 20 % im Personennahverkehr [1]) mit Dieselfahrzeugen im nicht- oder nur teilelektrifizierten Netz statt. Ungeachtet der laufenden Bestrebungen, den Elektrifizierungsanteil des Schienennetzes von derzeit unter 60 % in den kommenden Jahren zu erhöhen, erscheint eine vollständige Ausstattung aller Bahntrassen mit Oberleitungen aufgrund des häufig geringeren Verkehrsaufkommens wirtschaftlich wenig sinnvoll und oft auch ökologisch wenig effektiv. Dem zunehmenden Handlungsdruck, den Bahnverkehr umwelt- und klimafreundlicher zu gestalten, kann aber auch mit alternativen Antriebskonzepten begegnet werden. Mit Hybridantrieben, die zunächst als Innovationen für den Straßenverkehr aufkamen, können gerade auf teilelektrifizierten (aber auch auf nichtelektrifizierten) Fahrstrecken beachtliche Foto: DB RegioNetz Verkehrs GmbH TECHNOLOGIE Mehrsystemzüge Internationales Verkehrswesen (70) 3 | 2018 81 Mehrsystemzüge TECHNOLOGIE Potenziale zur Emissionssenkung ausgeschöpft werden. Für hybride Schienenfahrzeuge existieren heute unterschiedliche Konzepte (z. B. Batterie-Diesel-, Batterie- Elektro- und Batterie-Brennstoffzellen- Systeme) für verschiedenes Rollmaterial (Lokomotiven und Triebzüge) und mit spezifischen Vor- und Nachteilen. Erste Hybridlösungen befinden sich in der Erprobung oder sind bereits auf dem Markt erschienen. Mit den Nahverkehrs-Triebzügen der Baureihe VT 642 zielt das modulare Umbaukonzept von EcoTrain auf eine besonders breite Anwendbarkeit, auch in unterschiedlichen Streckentopografien und Einsatzszenarien. Im Gemeinschaftsprojekt EcoTrain wird von der DB RegioNetz Verkehrs GmbH, der TU Dresden, der TU Chemnitz, dem Fraunhofer IVI und der DB Systemtechnik ein Gesamtsystem zur Hybridisierung der Dieseltriebwagen bis zur Serienreife entwickelt und zugelassen. Das Umbaukonzept umfasst neben dem Austausch der beiden dieselmechanischen Antriebsmodule durch ein dieselelektrisches Hybridantriebsmodul (Bild 1) und ein Hybridenergiemodul mit Lithium-Ionen-Akkus zur Zwischenspeicherung rekuperierter und extern nachgeladener Energie oder überschüssiger Energie aus dem Dieselgenerator (Bild 2) auch zahlreiche Anpassungen an weiteren davon betroffenen Fahrzeugkomponenten (z. B. Drehgestell, Bremssystem, Leistungselektronik und Nebenverbraucher) sowie verschiedene Nachlademöglichkeiten. Für den Antrieb der Triebdrehgestelle sorgen nach dem Umbau elektrische Fahrmotoren. Mit einer Kombination aus serieller Hybridlösung, intelligentem Energiemanagement und modularer Anpassbarkeit wird eine einzigartige Lösung geschaffen, die eine flexible und nachhaltige Nutzung verschiedener Traktionskombinationen aus Diesel und Elektroenergie ermöglicht. Modularität als Schlüssel zum Erfolg Ein entscheidender Vorteil der EcoTrain- Plattform besteht in ihrer Modularität und damit ihrer Anpassbarkeit an verschiedenste Anforderungen und Rahmenbedingungen des späteren Fahrzeugeinsatzes. Damit können bei der Energiespeicherdimensionierung und der Auslegung des Gesamtsystems insbesondere unterschiedliche Streckentypen (hinsichtlich ihrer Topografie und vorhandener Infrastrukturen für die Nachladung) sowie verschiedene Szenarien der Betriebsführung Berücksichtigung finden. Der finalen Auslegung des Prototyps ging eine umfangreiche Machbarkeitsanalyse verschiedener Hybridisierungsvarianten voraus. Zudem konnten Erfahrungen aus einem früheren Erprobungsträger der Westfrankenbahn einfließen. Im weiteren Projektverlauf wurden drei verschiedene EcoTrain-Basiskonzepte (siehe Bild 3) entwickelt, die sich vor allem hinsichtlich des Nachladesystems für den Energiespeicher unterschieden. Sie können einerseits als Ausbaustufen der Elektrifizierung und andererseits als Umsetzungsvarianten, je nach den Voraussetzungen und Anforderungen der später zu bedienenden Strecke, aufgefasst werden. Für die Variante EcoTrain Hybrid ist das Vorhandensein einer Oberleitung auf einem Teilabschnitt der Fahrstrecke nicht erforderlich. Externe Nachladungen erfolgen nur stationär im Abstellbetrieb oder während längerer Wendezeiten über genormte Steckverbindungen aus Elektranten. Der EcoTrain DualMode besitzt zusätzlich einen Dachstromabnehmer, der zur Nachladung aus abschnittweise vorhandenen Oberleitungsanlagen des Bahnstromnetzes oder aus neu zu errichtenden Stromschienenoberleitungen (als kurze, sich aus dem Mittelspannungsnetz speisende Nachladeinseln) genutzt werden kann. Neben der Nachladung an Stationshalten ist hier auch der direkte Einsatz für den Fahrbetrieb möglich. Im EcoTrain eMode erfolgt der Regelfahrbetrieb rein elektrisch unter Nutzung der Oberleitungsabschnitte und des in dieser Variante größeren Energiespeichers. Ein Dieselgenerator ist in dieser Variante nur noch optional als Range Extender vorgesehen. Die Modularität der EcoTrain-Plattform und das Aufsetzen auf existierende bahntechnische Regelwerke erlauben es, den Umbau- und Nachrüstungsaufwand in der bestehenden Infrastruktur so gering wie möglich zu halten. Elektrifizierte Endbahnhöfe und Streckenabschnitte werden je nach Vorhandensein genutzt und, wo erforderlich, durch punktuelle Nachladesysteme ergänzt. Vor diesem Hintergrund kann, ähnlich zu den modularen Baukastensystemen der Autoindustrie, die optimale Variante des EcoTrain ausgewählt und zeitnah realisiert werden. Ökologische und ökonomische Potenziale Das EcoTrain-Projekt wird von Beginn an von einer wissenschaftlichen Nachweisführung der ökologischen sowie der ökonomischen Vorteilhaftigkeit des Umbaukonzepts begleitet. Der EcoTrain erhebt nicht nur den Anspruch, den Primärenergieverbrauch sowie CO 2 - und Lärmemissionen im Vergleich zu Bestandsfahrzeugen zu senken, was erwartungsgemäß bei künftigen Ausschreibungen von Verkehrsleistungen zunehmend wichtiger wird. Er soll in seiner Gesamtheit auch eine wirtschaftliche Alternative darstellen, d. h. nicht (signifikant) teurer als der Einsatz von Dieseltriebzügen und wesentlich günstiger als ein komplett neu gebautes Mehrsystemfahrzeug mit Hybridtechnologie sein. Erreicht wird dies dadurch, dass der EcoTrain keine Abstriche im betrieblichen Einsatz (gleiche Fahrgastkapazitäten, Tagesfahrleistungen und Zuverlässigkeit) aufweist sowie niedrigere In- Bild 1: Hybridantriebsmodul des EcoTrain Quelle: DB RegioNetz Verkehrs GmbH Bild 2: Hybridenergiemodul des EcoTrain Quelle: DB RegioNetz Verkehrs GmbH Internationales Verkehrswesen (70) 3 | 2018 82 TECHNOLOGIE Mehrsystemzüge standhaltungs- und Betriebskosten (vor allem aufgrund reduzierter Dieselverbräuche) erreicht, welche den Umbaukosten gegenüberstehen. Energieverbrauchssenkungen werden im EcoTrain vor allem durch die Nutzbarmachung rekuperierter Bremsenergie erreicht. Zur weiteren Steigerung der ökologischen Nachhaltigkeit werden sämtliche Nebenverbraucher elektrifiziert und neuentwickelte umweltfreundliche Klimaanlagen (mit Wärmepumpen und CO 2 als Kältemittel) verbaut. Die bisher durchgeführten projektbegleitenden Berechnungen belegen klare ökologische Vorteile der Hybridlösung. So zeigen die vorgenommenen ökobilanziellen Bewertungen für die drei Schadenskategorien Ökosystem, menschliche Gesundheit und Ressourcen, dass mit dem EcoTrain-Konzept die durch den Triebwagen verursachten ökologischen Gesamtschäden unter Berücksichtigung verschiedener Wirkungspfade um ca. 15 % gesenkt werden können [2]. Des Weiteren können im in der Bewertung zugrunde gelegten Einsatzszenario der Dieselverbrauch und die korrespondierenden CO 2 -Emissionen im Fahrzeugbetrieb bei vorhandenen Nachlademöglichkeiten um etwa ein Viertel gesenkt werden [2, 3]. Die damit einhergehenden geringeren Energiekosten führen über die Nutzungsdauer hinweg dazu, dass aus heutiger Sicht die fahrzeug- und infrastrukturseitigen Lebenszykluskosten des Hybrid-Konzeptes im Bereich derer klassischer Dieselfahrzeuge liegen, wie die bisherigen ökonomischen Berechnungen zeigen [3]. Die Wirtschaftlichkeit des Gesamtkonzeptes wird von zahlreichen Faktoren, wie z. B. Fahrleistung, Art und Anzahl der Nachladeinfrastrukturen sowie Entwicklung der Batterie-, Rohstoff- und Dieselpreise, beeinflusst. Ähnlich wie im PKW-Sektor zu beobachten, können Elektromobilitätslösungen daher auch im Bahnsektor schnell zur ökonomisch günstigeren Alternative zum Verbrennungsmotor werden. Startpunkt für die Fahrzeugdigitalisierung Der EcoTrain als Technologieplattform ist mehr als nur der Ersatz eines bestehenden Antriebssystems durch ein neues. Er ebnet zugleich den Weg für eine zunehmende Digitalisierung von Bestandsfahrzeugen. Der essenzielle Bestandteil des Gesamtkonzeptes ist die Verknüpfung eines vorhandenen Fahrplanassistenzsystems (FASSI) mit der Antriebs- und Hybridsteuerung und allen relevanten Energieverbrauchern über die fahrzeuginterne Leittechnik zu einem intelligenten Energiemanagementsystem. Dieses ermöglicht es, nicht nur die Lithium-Ionen-Batterie, sondern auch die Klimaanlage und das Luftsystem als Energiespeicher zu nutzen. In die Steuerungsalgorithmen des Energiemanagements fließen Parameter des Fahrplans, der Topografie (und des damit verbundenen Rekuperationspotenzials), der Topologie und der Nachlademöglichkeiten an der Strecke, der Klimabedingungen und der Nebenverbraucher sowie betriebswirtschaftliche und regulatorische Größen ein. So werden strecken- und situationsangepasste Energiebedarfe durch das System schon vor Beginn des täglichen Einsatzes erkannt und in Echtzeit während der Fahrt aktualisiert, so dass die Energieströme zwischen Fahrmotoren, Dieselgenerator, Energiespeicher und Nebenverbrauchern in Abhängigkeit von der Position des Zuges und den vorhandenen Speicherreserven anforderungsgerecht gesteuert werden können. Zudem ermöglicht das intelligente Energiemanagement eine Berücksichtigung emissionsfreier Korridore, beispielsweise in Tunneln, Bahnhöfen und dicht besiedelten Gebieten, die teilweise bereits heute vorgeschrieben sind und erwartungsgemäß künftig immer relevanter werden. Innerhalb dieser Korridore kann die Energie für die Traktion, aber auch für die Fahrzeugklimatisierung im Stand, ausschließlich aus dem Zwischenspeicher entnommen werden, wodurch die Fahrzeuge flexibler im Einsatz werden. Außerhalb emissionsfreier Zonen ermittelt das intelligente Energiema- Bild 3: Ausbaustufen bzw. Umsetzungsvarianten des EcoTrain Quelle: DB RegioNetz Verkehrs GmbH nagement den jeweils optimalen Energiesplit zwischen Diesel und elektrischer Energie und gibt Fahrempfehlungen. Das intelligente Energiemanagement von Mehrsystemfahrzeugen ist aber nur als ein erster Schritt zur Digitalisierung anzusehen. Assistenzsysteme werden künftig auch im Bahnsektor zunehmend durch hoch- und vollautomatisierte Systeme ersetzt werden. Die diversen Vorteile der Fahrzeugdigitalisierung, wie eine umweltfreundliche und den Gegebenheiten dynamisch angepasste Fahrweise, Echtzeit-Fahrgastinformationen, intermodale Zusatzangebote und mobile Konnektivität, werden letztlich die Attraktivität des Schienenpersonennahverkehrs und seine Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Verkehrsmodi steigern. Ausblick Das laufende Vorhaben wird von der Deutschen Bahn, vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur sowie vom Freistaat Sachsen gefördert. Trotz der sich im Projekt aufzeigenden enormen Komplexität der Entwicklungsaktivitäten für das Umbaukonzept sind die Arbeiten am EcoTrain sehr weit fortgeschritten. Der Prototyp als solcher ist fertig konstruiert und der Umbau zum Vorserienfahrzeug soll zügig beendet werden. Für Anfang 2019 ist die Inbetriebsetzung mit anschließenden Probe- und Prüffahrten geplant. Ziel ist es, bis 2020 vom Eisenbahnbundesamt die Zulassung der Technik zum Serienumbau und zum Fahrgastbetrieb zu erhalten. Bis 2023 soll eine erste Kleinserie von weiteren zwölf Fahrzeugen der Baureihe VT 642 bei der Erzgebirgsbahn umgerüstet werden und anschließend regulär in deren Regio-Netz fahren. Das Konzept kann dann innerhalb der Deutschen Bahn sowie bei anderen Nahverkehrsunternehmen in einem nächsten Schritt genutzt werden, um Fahrzeuge dieser weit verbreiteten Baureihe (europaweit über 600 Triebwagen) zu intelligenten Mehrsystemfahrzeugen für unterschiedlichste Einsatzanforderungen umzubauen. Perspektivisch ist ein baureihenübergreifender Einsatz des modularen Eco- Train-Konzepts vorgesehen. Neben entsprechenden Adaptionen und Erweiterungen des Konzepts sollen auch zusätzliche Technologieinnovationen einbezogen werden, um damit den Anwendungsfokus zu erweitern. Es ist davon auszugehen, dass nicht zuletzt aufgrund der typischerweise sehr langen Nutzungsdauern von Schienenfahrzeugen die Umrüstung von Bestandsfahrzeugen auf Hybridtechnologien ein sehr hohes Markt- und Wertschöpfungspotenzial besitzt. Dafür soll in der Region Chemnitz-Erzgebirge gemeinsam mit Partnern aus der Wissenschaft und Unternehmen betroffener Wirtschaftsbranchen mittelfristig ein Kompetenzzentrum und Innovationscluster für intelligente Mehrsystemfahrzeuge und Digitalisierung des Bahnverkehrs entstehen. Dabei kann auf bestehende Kompetenzen und vorhandene Infrastrukturen aufgebaut werden (z. B. das innovative Werk der Regio-Netze in Chemnitz, das digitale Stellwerk in Annaberg- Buchholz und eine 24 km lange Teststrecke). Mit dem EcoTrain-Konzept wird schon in Kürze eine Erfolg versprechende Technologielösung den Markt für Schienenfahrzeuge bereichern, von der nicht nur Eisenbahnverkehrsunternehmen durch maßgeschneiderte und intelligente Fahrzeuge profitieren, sondern auch die Gesellschaft mit einer rasch umsetzbaren umweltfreundlichen Verkehrslösung. ■ LITERATUR [1] Allianz pro Schiene (2018): 90 Prozent E-Mobilität bei der Eisenbahn; https: / / www.allianz-pro-schiene.de/ wp-content/ uploads/ 2018/ 07/ %C3%96kostrom-E-Mobilit%C3%A4t.pdf (Abruf 01.08.2018) [2] Meynerts, Lilly et al. (2018): Life Cycle Assessment of a Hybrid Train − Comparison of Different Propulsion Systems. In: Procedia CIRP, Volume 69, S. 511-516 [3] Meynerts, Lilly et al. (2017): Concept of Integrated Life Cycle Assessment and Costing − Application to the Case of Designing a Hybrid Train. In: Procedia CIRP, Volume 61, S. 744-749 Arnd Stephan, Prof. Dr.-Ing. Professur für Elektrische Bahnen, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List”, Technische Universität Dresden arnd.stephan@tu-dresden.de Claus Werner Leiter Technologiemanagement und -entwicklung, DB RegioNetz Verkehrs GmbH, Frankfurt a. Main claus.werner@deutschebahn.com Martin Hagmann Projektmanager Technologiemanagement und -entwicklung, DB RegioNetz Verkehrs GmbH, Frankfurt a. Main martin.hagmann@deutschebahn.com Sören Claus Technischer Leiter Technologiemanagement und -entwicklung, DB RegioNetz Verkehrs GmbH, Frankfurt a. Main soeren.claus@deutschebahn.com Marco Rehme, Dipl.-Kfm. Dipl-Vw. Fakultät für Wirtschaftswissenschaften, Technische Universität Chemnitz marco.rehme@wirtschaft.tu-chemnitz.de Das Archiv der Zeitschrift Internationales Verkehrswesen mit ihren Vorgänger-Titeln reicht bis Ausgabe 1|1949 zurück. Sie haben ein Jahres-Abonnement? Dann steht Ihnen auch dieses Archiv zur Verfügung. 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