FALLSTUDIE Bahn

mtu und Deutsche Bahn erproben Hybridzug

Veröffentlicht am 28 November 2016

Bis zu 25 Prozent weniger Kraftstoffverbrauch und emissionsfreies Fahren sind mit dem mtu-Hybrid-Powerpack möglich. Die Deutsche Bahn und mtu erproben einen Nahverkehrstriebwagen der Baureihe 642, der mit dem Prototyp des von mtu entwickelten Hybrid-Powerpacks angetrieben wird. Der Test soll beweisen, dass diese Technik alltagstauglich ist und ökologische und ökonomische Vorteile gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik bietet.

Dieses Projekt ist ein bedeutsamer Meilenstein auf dem Weg zum flächendeckenden Einsatz emissionsarmer und umweltfreundlicher Züge auf nichtelektrifizierten Strecken.

Claus Werner - Projektleiter Deutsche Bahn
Aschaffenburg/Miltenberg — Hybride Antriebssysteme bieten die Chance, den Kraftstoffverbrauch deutlich zu senken. Vor allem Anwendungen, in denen Hilfsantriebe einen großen Teil der Leistung beanspruchen, können von dieser Technologie profitieren. Neben Baumaschinen oder landwirtschaftlichen Fahrzeugen trifft dies auch auf Züge zu, insbesondere Nahverkehrszüge. „Da Nahverkehrszüge auf eine relativ hohe Endgeschwindigkeit kommen und Strecken bedienen, auf denen in kurzen Abständen Haltepunkte liegen, können Hybridantriebe ihre Stärken in solchen Fahrzeugen ganz besonders ausspielen“, erläutert mtu-Projektleiter Ingo Lehmann. Um herauszufinden, inwieweit sich die Hybridtechnologie für den alltäglichen Bahnverkehr eignet, arbeiteten die Bahntochter DB RegioNetz Verkehrs GmbH Westfrankenbahn und mtu gemeinsam an einem Hybridantrieb für den Schienenpersonenverkehr — und betreten damit Neuland in Europa.

Komponenten und Funktionsweise


Bei dem Hybrid-Powerpack handelt es sich um einen Unterflurantrieb, der von mtu entwickelt und am Prüfstand in Friedrichshafen erprobt wurde. Der Dieselmotor des Typs 6H 1800 R75 hat eine Leistung von 315 Kilowatt bei 1.800 min-1, der Elektromotor eine Leistung von bis zu 400 Kilowatt. Zusätzlich integrierte mtu in das Hybrid-Powerpack eine SCR-Abgasnachbehandlung mit Harnstofftank, mit der die seit 2012 geltende Emissionsstufe EU IIIB erfüllt wird. Der grundlegende Vorteil eines Powerpacks liegt darin, dass es alle Einzelkomponenten des Antriebs in einen gemeinsamen Tragrahmen zu einer gemeinsamen kompakten Einheit integriert. Die Antriebskomponenten müssen so nicht einzeln in das Fahrzeug eingebaut und zu einem Antriebssystem kombiniert werden. Außerdem lassen sich die verschiedenen Komponenten so über wenige Schnittstellen in das Gesamtsystem einbinden.
Als Parallelhybrid kann das Antriebssystem entweder mit dem Dieselmotor, mit dem Elektromotor oder mit einer Kombination aus Diesel- und Elektromotor betrieben werden: Eine speziell für mtu entwickelte Elektromaschine wird an der Kurbelwelle montiert und kann als Generator oder als Elektromotor fungieren. Ein Frequenzumrichter steuert je nach Bedarf den Energiefluss von der Batterie zum Antrieb und zurück. Dadurch lässt sich die Betriebsart flexibel auf das jeweilige Streckenprofil anpassen. Beim Bremsen wird ein Teil der kinetischen Energie in elektrische Energie umgewandelt und in dem Li-Ionen- Batteriemodul zwischengespeichert. Gegenüber hydrostatischen Systemen zur Rückgewinnung von Energie zeichnen sich Li-Ionen-Zellen vor allem durch ihre deutlich höhere Energiedichte und eine hohe Zyklenfestigkeit aus. Die in den Batterien gespeicherte elektrische Energie wird beim Anfahren oder Beschleunigen über einen Gleichstrom/Wechselstrom-Umrichter an den Generator abgegeben, der dann als Elektromotor das Schienenfahrzeug antreibt. So kann bei Bedarf — etwa bei Tunnelfahrten, bei Einfahrten in Bahnhöfen oder bei Fahrten durch dicht besiedelte Gebiete — die Energie aus den Batterien für die Fahrt verwendet werden.
Besonders wirtschaftlich ist diese Technik auf Nahverkehrsstrecken mit häufigem Bremsen und Beschleunigen im Stop-and-Go-Betrieb. Die Energiereserven liefern dabei nicht nur die nötige Kraft, um anzufahren oder zu beschleunigen, sondern versorgen auch die elektrischen Nebenverbraucher wie die Klimakompressoren des Fahrzeugs mit Strom. Indem die bisher mechanisch angetriebenen Klimaverdichter elektrifiziert wurden, rollt das Fahrzeug noch energieeffizienter über die Schienen. Generell können mit Hybridtechnologie der Kraftstoffverbrauch und Kohlendioxidausstoß um bis zu 25 Prozent gesenkt werden. In sensiblen Bereichen ist so ein geräusch- und emissionsarmer Bahnbetrieb möglich.

Der Hybridantrieb der Zukunft: gemeinsam zum Ziel


Für das Pilotprojekt bündelte mtu seine technische Expertise mit dem Betreiber-Know-how der Deutschen Bahn: mtu entwickelte das Hybrid- Powerpack, testete das Powerpack und die Lithium- Ionen-Batterien am Prüfstand und lieferte den Prototyp. Die Deutsche Bahn integrierte die Komponenten und Systeme in ein Bestandsfahrzeug der Baureihe VT 642, führt die Erprobung durch und sorgte dafür, dass der Nahverkehrstriebzug für den Fahrgastbetrieb zugelassen wird. Gefördert wurde das Vorhaben vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung im Rahmen des Projektes Modell- regionen Elektromobilität, das von der NOW GmbH Nationale Organisation für Wasserstoffund Brennstoffzellentechnologie koordiniert wird.
Einen entsprechenden Förderbescheid über 1,9 Millionen Euro überreichte Verkehrsminister Ramsauer im September 2010 auf der Bahnmesse Innotrans an die Projektpartner. Am gesamten Entwicklungs- und Erprobungsprojekt sind neben mtu die DB RegioNetz Verkehrs GmbH Westfrankenbahn und die DB Systemtechnik mit den Standorten Kassel, München und Minden sowie das Fahrzeuginstandhaltungswerk Kassel der Deutschen Bahn beteiligt.
Bei der Umrüstung des dieselmechanischen Triebwagens mussten einige Besonderheiten berücksichtigt werden. „Die optimale Masseverteilung spielte eine große Rolle“, erläutert Claus Werner, Projektleiter der Deutschen Bahn. Die übergeordnete Leittechnik im Bereich der Software sollte möglichst unberührt belassen werden, um eine wirtschaftliche Hybridisierung von Bestands- fahrzeugen zu erreichen. Der Aufbau der Dachkonstruktion wurde grundlegend geändert: Beim Hybridzug sitzen dort die Li-Ionen-Batterien und deren Klimaanlage, die neu entwickelte CO2-Klimaanlage zur Klimatisierung des Fahrgastraumes einschließlich des nötigen Hilfsbetriebeumrichter zu ihrer Spannungsversorgung, der DC/DC-Wandler zur Bordnetz- Der umgerüstete Nahverkehrswagen vom Typ VT 642 ist mit Hilfe eines dieselgetriebenen mtu-Hybrid-Powerpacks auf deutschen Schienen unterwegs. versorgung sowie ein zentraler Schalt- schrank — optimal angeordnet, um Fahrdynamik und Sicherheit weiterhin zu gewährleisten.

Antriebslösung mit Zukunftspotenzial: Einsatz im Alltag


kommt der Hybrid-Nahverkehrswagen bei der Westfrankenbahn am bayerischen Untermain zwischen Aschaffenburg und Miltenberg zum Einsatz. „Mit 14 Haltestellen auf 37 Kilometer Streckenlänge bietet die eingleisige Strecke ideale Voraussetzungen zur Erprobung des Hybridantriebes im Stop-and-Go-Betrieb“, erläutert Claus Werner. Die Erkenntnisse, die sich aus dem Fahrgastbetrieb ergeben, werden in entsprechende Nachfolgeprojekte einfließen. Außerdem sollen technische Standards für weitere Hybridisierungskonzepte geschaffen werden. „Ziel ist es, in den kommenden Jahren, die Technik in weiteren Fahrzeugen zu erproben und die Serienreife für die Hybridtechnologie für Nahverkehrstriebwagen zu erlangen“, so Ingo Lehmann, Projektleiter für die Entwicklung und Erprobung des mtu-Hybrid-Powerpacks. Dabei wird die Technologie modular aufgebaut sein. So kann sie grundsätzlich auf andere Motorbaureihen oder auf andere Anwendungen wie beispielsweise Arbeitsmaschinen übertragen werden.
Für Hersteller von Schienenfahrzeugen und Betreiber bietet der Hybridantrieb ein enormes Zukunftspotenzial. Die aktuelle europäische Emissionsstufe EU IIIB und kommende Abgasstufen können eingehalten und gleichzeitig Betriebskosten verringert werden. Vorhandene Dieseltriebwagen lassen sich umweltfreundlich remotorisieren und sind damit ebenso zuverlässig, wirtschaftlich und umweltschonend auf den Gleisen unterwegs wie Neufahrzeuge. Außerdem lassen sich dank Hybridtechnologie bestehende Schieneninfrastrukturen effizienter nutzen. So könnten Hybridfahrzeuge auf solchen Strecken verkehren, auf denen dieselbetriebene Schienenfahrzeuge nicht zugelassen sind — wie beispielsweise in Tunneln oder überdachten Bahnhöfen. Davon profitieren letztendlich auch die Fahrgäste: Sie können aus einer größeren Anzahl an Zugverbindungen auswählen und dürfen sich auf dem Bahnsteig und bei einer Zugfahrt über einen niedrigeren Geräuschpegel und bessere Luftqualität freuen. „Hybridantriebe bieten im Schienenpersonennahverkehr mittel- und langfristig ökonomische und ökologische Vorteile gegenüber dem heutigen Stand der Technik“, resümiert Claus Werner. „Dieses Projekt ist somit ein bedeutsamer Meilenstein auf dem Weg zum flächendeckenden Einsatz emissionsarmer und umweltfreundlicher Züge auf nicht elektrifizierten Strecken.“