Alternative Antriebe im Bahnland Bayern

Ein Beitrag von Thomas Hornung, Bayerische Eisenbahngesellschaft mbH

Elektromobilität, am besten noch mit den Prädikaten innovativ und digital geadelt, liegt im Trend und ist landauf, landab in aller Munde. Aber warum plötzlich dieser Hype, der Medien und Politiker gleichermaßen in Verzückung bringt?

Ölkrise zeigte mangelnde Alternativen

Dass fossile Ressourcen endlich sind, hat schon die Ölkrise 1973 plakativ vor Augen geführt. Allein an Alternativen hat es scheinbar gemangelt. Zwar entwickelte die Autoindustrie schon vor einigen Jahrzehnten eher lustlos alternative Antriebskonzepte, der Durchbruch blieb ihnen bis dato aber versagt, wenngleich hybride Antriebskonzepte wie der Toyota Prius ein gewisses Medienecho fanden.

Aufschwung durch Manipulation

Der Skandal in der Autoindustrie

Den Stein endgültig ins Rollen brachte erst ein handfester Skandal: um ständig sinkende Abgasgrenzwerte einzuhalten, sahen große Teile der Autoindustrie nur den Ausweg, Manipulationssoftware in ihre Fahrzeuge einzubauen, um gesetzliche Vorgaben scheinbar zu erfüllen. Unbeabsichtigt gelang es Teilen der Autoindustrie, den eigentlich CO₂-armen und effizienten Dieselmotor durch handfesten Betrug völlig zu diskreditieren.

Aber auch Benziner gerieten in den Strudel des Abgasskandals. Der Verbrenner hatte endgültig seinen Zenit überschritten, Alternativen taten Not. Die ist die Autoindustrie allerdings nur zäh zu liefern willens, obwohl die Technik eigentlich reif ist.

Zuwachs an Elektrofahrzeugen

Charismatische Persönlichkeiten wie der Technikguru Elon Musk boten den alteingesessenen Autogiganten die Stirn. Millionen von E-Bikes prägen mittlerweile das sommerliche Straßenbild. Die Zahl der E-Autos, allen voran die Teslas aus dem Hause Musk beginnt zu steigen.

Elektrofahrzeuge verheißen mit Attributen wie Hybrid, Brennstoffzelle oder Akku zumindest medial die Zukunft. Auch der öffentliche Verkehr sprang auf diesen Zug auf – allerdings nicht im Wortsinn. Städtische Verkehrsbetriebe renommieren mit Wasserstoff-, Hybrid- und Batteriebussen. E-Mobilität spielt sich in der öffentlichen Wahrnehmung fast ausschließlich auf der Straße ab. Und die Bahn?

Akkutechnik bei der Eisenbahn

Dass die Eisenbahn schon seit über hundert Jahren sowohl fahrleitungsgebunden als auch batterieelektrisch fährt, weiß kaum jemand. Während sich Oberleitungen bei der Eisenbahn über die Jahre langsam, aber stetig durchsetzten, geriet die einst recht populäre Akkutechnik auf der Schiene durch den ungebremsten Siegeszug des Verbrennungsmotors langsam in Vergessenheit.

Bleiakku-Triebwagen der Bauarten Wittfeld aus den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts, die legendäre Limburger Zigarre ETA 176 oder der unprätentiöse, aber grenzenlos robuste ETA 150 – beide aus den Fünfzigern – sind nur noch eine Randnotiz in der Eisenbahngeschichte, obwohl mit den späten Bauarten Reichweiten von über 400 Kilometer möglich waren.

Heutiger Antrieb bei Bahn

Heute erbringt die Bahn nahezu 90 % ihrer Verkehrsleistung fahrleitungsgebunden elektrisch. Weiterer Handlungsbedarf bestand kaum. Wo Oberleitungen hingen, fuhr man elektrisch. Ohne Fahrdraht blieb der Diesel. Erst der Abgasskandal der Autoindustrie rüttelte die Bahnbranche wach. Was sich für die Autobranche zur Götterdämmerung auswuchs, entwickelte sich für die Bahn zum Silberstreif am Horizont.

Hybride und rein elektrische Antriebskonzepte ohne Fahrdraht – beim Auto schon seit etwa 20 Jahren zumindest in Nischen präsent – schrieben sich Politik und Öffentlichkeit jetzt auch für die Eisenbahn auf die Fahnen.

Erste Hybridlösungen ab 2014

Nach Jahren branchenweiter Agonie wagte Alstom 2014 den Vorstoß und kündigte fast zeitgleich mit dem Bekanntwerden des Dieselskandals auf der Fachmesse Innotrans seinen Triebzug iLint an, der mit einer Kombination aus H2-Brennstoffzelle und Akku emissionsfreies, rein elektrisches Fahren ohne Fahrleitung ermöglichen soll.

Kurze Zeit später lancierte Bombardier erste Entwürfe für ein batterieelektrisches Fahrzeug auf Basis des populären E-Triebzugs Talent 2, das unter Oberleitungen geladen werden kann, aber auch ohne sie auskommt. Stadler zog mit einem ähnlichen Konzept auf Basis des bewährten E-Triebzugs Flirt nach. Siemens hat zwischenzeitlich vergleichbare Fahrzeuge auf Basis des neuen Triebzugs Mireo angekündigt und einen Prototypen bei der ÖBB im Einsatz. Ebenso hat CAF einen Batteriehybrid in petto.

All diese Hybridlösungen benötigen Akkus an Bord, um überschüssige elektrische Energie zu puffern. Diesen Entwürfen ist damit aber auch die Ungewissheit zur tatsächlichen Lebensdauer der noch teuren Akkus gemein. Die intensive Erprobung der Prototypen wird hier bald Klarheit schaffen. Der iLint darf sich seit September 2018 im Nordwesten Niedersachsens mit zwei Exemplaren sogar schon mit Fahrgästen an Bord bewähren. 

Aktuelle alternative Antriebskonzepte

Nachfolgend werden aktuelle Antriebskonzepte vorgestellt, darunter ein H2-Brennstoffzellen-Hybrid sowie Oberleitungs- und Diesel-Hybride.

H2-Brennstoffzellen-Hybrid

iLint

Der iLint basiert im wagenbaulichen Teil auf dem weitverbreiteten zweiteiligen Dieseltriebzug Lint 54. Ein elektrischer Antriebsstrang mit Umrichtern und Traktionsmotoren, die auf die vorhandenen Radsatzgetriebe wirken, ersetzt die konventionellen Dieselpowerpacks. Auf dem Dach der beiden Triebzughälften sitzen etwa mittig die Wasserstofftanks, an den Kurzkuppelenden die Brennstoffzellenmodule.

Zwei Stockwerke tiefer unter dem Wagenboden sind die Batterieanlagen untergebracht. Protonen-Membran-Brennstoffzellen verwandeln den an Bord mitgeführte Wasserstoff in einem kontinuierlichen Prozess in elektrischen Strom. Die Akkus puffern die überschüssige elektrische Energie der Brennstoffzelle, speisen die Fahrmotoren und nehmen beim Bremsen generatorisch erzeugten Strom auf.

Der iLint schafft mit einer Tankfüllung dank der hohen Speicherdichte von H2 etwa 600 km bis 800 km und emittiert dabei lediglich Wasserdampf. Diesen betrieblichen Vorteilen stehen allerdings einige Nachteile gegenüber:

  • eine aufwändige H2-Versorgungsinfrastruktur,
  • die begrenzte Speicherfähigkeit von H2,
  • die komplexe, schwere Fahrzeugtechnik und
  • der geringe Gesamtwirkungsgrad von etwa 20 bis 25 %.

In Summe führt das zu hohen Energie und Gesamtkosten.

Siemens verfolgt auf Basis der Plattform für den E-Triebzug Mireo neben einer reinen Akkulösung zwischenzeitlich einen ähnlichen Ansatz mit ergänzender H2-Brennstoffzelle.

Oberleitungs-Hybride

Bombardier BEMU Talent, Stadler Flirt Akku, Siemens Mireo XMU

Bombardier, Stadler und Siemens bieten mit ihren Oberleitungs-Hybriden, kurz EE-Hybrid, einander sehr ähnliche Konstruktionsprinzipien. Vereinfacht gesagt ergänzen zusätzliche Batteriepacks – vornehmlich auf dem Fahrzeugdach – mit den zugehörigen Ladegeräten die Hochspannungsausrüstung vielfach bewährter handelsüblicher E-Triebzüge.

Im Betrieb versorgt Strom aus der Oberleitung nicht nur das Fahrzeug mit Fahrstrom, sondern lädt auch den Akku. Der Akku wiederum speist im oberleitungsfreien Betrieb über die Umrichter die Fahrmotoren und nimmt beim Bremsen generatorisch erzeugten Strom auf. Je nach Terrain und klimatischen Bedingungen schaffen die auch im Akkubetrieb emissionsfreien Fahrzeuge mit einer Ladung nach Herstellerangaben 40 bis 80 Kilometer.

Dem hohen Gesamtwirkungsgrad von 70 % steht damit eine vergleichsweise geringe Reichweite – auch im Kontext zu historischen Bleiakku-Triebwagen mit deutlich größeren Reichweiten – gegenüber.

Diesel-Hybride

Stadler Wink, Eco-Train, MTU-Hybrid u. a.

Etwas konservativer, aber unter den derzeitigen technischen Randbedingungen vergleichsweise problemlos machbar, stellen sich unterschiedlich skalierbare Diesel-Hybride dar, die ihre Entsprechung auch in der Automobilindustrie finden.

Die Mehrzahl der Diesel-Hybride wie der mit dem Flirt eng verwandte Wink von Stadler oder der Eco-Train von DB Regio auf Basis des älteren Siemens Desiro mit neuem Antriebsstrang nutzen dabei diese elektrische Lösungen, die mit einem Stromspeicher zu einem seriellen Hybrid weiterentwickelt werden.

In einer weiteren Stufe lässt sich der Diesel-Hybrid mit einer zusätzlichen Hochspannungsausrüstung und Dachstromabnehmer zu einem Multimodal-Hybrid aufrüsten. Solche multimodalen Lösungen sind auch bei grenzüberschreitenden und möglicherweise nur teilelektrifizierten Linien mit unterschiedlichen Stromsystemen denkbar. Erlaubt eine fortschreitende Elektrifizierung schließlich den Verzicht auf die Verbrennungsmaschine, kann das Fahrzeug über einen emissionsfreien EE-Hybrid bis zum reinen Oberleitungsfahrzeug weiterentwickelt werden.

Während bei diesen seriellen Hybriden Verbrennungsmotor und Generator nicht mit dem E-Antrieb mechanisch gekoppelt sind, verfolgt MTU einen anderen Ansatz, indem man hauseigene dieselmechanische Powerpacks mit direkt verbundenem E-Antrieb und Akku zu einem Parallelhybrid weiterentwickelt. Die Rekuperation von Bremsenergie und lokal emissionsfreies Fahren sind abhängig von der installierten Akkukapazität und der Leistung des E-Moduls in mehr oder weniger großem Umfang bei beiden Lösungen möglich. Insgesamt bleiben jedoch die Hybridisierungseffekte bei Dieselmotoren mit ihren geringeren Drosselverlusten und damit deutlich höherer Teillastfähigkeit gegenüber Ottomotoren gering.

Diesel-Hybride können aber als Übergangstechnologie für längere, nicht elektrifizierte Strecken eine wirtschaftlichere und umweltverträglichere Alternative zu konventionellen Dieselantrieben darstellen. Alle alternativen Antriebe bewegen sich im Spannungsfeld zwischen den noch geringen Reichweiten bei reinen Akkulösungen und der Frage nach der besten Alternative zur Wandlung eines idealerweise nichtfossilen Brennstoffs in elektrische Energie an Bord, um grundsätzlich höhere Reichweiten – immer in Kombination mit der Akkutechnik – zu ermöglichen.

Alle alternativen Antriebe benötigen darüber hinaus zusätzlich je nach Technik mehr oder weniger umfangreich ausgeprägte spezifische Infrastrukturen, die von konventionellen Tankanlagen über Nachladestellen und Teilelektrifizierungen bis hin zu komplexer H2-Infrastruktur reichen.

Abhängig von der Entwicklung der Akkutechnik wird die Energiewandlung an Bord – vornehmlich in Form einer Verbrennungsmaschine – voraussichtlich noch längere Zeit eine entscheidende Rolle spielen. Klassische Kolbenverbrennungsmotoren dürften dabei aber genauso wenig wie die einseitige Fokussierung auf die H2-Brennstoffzelle allein der Königsweg sein.

Ob beispielsweise kleinere Gasturbinen aus der Luftfahrt oder Mikrogasturbinen unter den Aspekten Masse, Einbauvolumen, Schadstoffausstoß und Wirkungsgrad übergangsweise eine Alternative zu schweren Kolbenmaschinen in seriellen Hybriden sein können, müssen Ingenieure der Schienenfahrzeugindustrie genauso klären wie die Frage, ob Brennstoffzellen unterschiedlicher Bauformen, auch mit alternativen Kraftstoffen betrieben, für den Bahneinsatz taugen.

Der bayerische Weg

Angesichts vieler ungeklärter Fragen und dem Wettstreit unterschiedlichster alternativer Antriebstechnologien um die Gunst von Aufgabenträgern und Eisenbahnverkehrsunternehmen, befeuert von Lobbyverbänden jedweder Couleur, fällt es schwer, die Spreu vom Weizen zu trennen.

Um die Diskussion um alternative Antriebe auf eine rationale wissenschaftlich fundierte Basis zu stellen, hat die Bayerische Eisenbahngesellschaft (BEG) – Aufgabenträger für den bayerischen SPNV – den Lehrstuhl Elektrische Bahnen der TU Dresden beauftragt, unterschiedliche alternative Antriebskonzepte unter wissenschaftlichen und verkehrswirtschaftlichen Aspekten auch im Kontext zu klassischen Streckenelektrifizierungen zu bewerten.

Marktchancen

Die Marktchancen alternativer Antriebe stellen sich kurzgefasst wie folgt dar:

  • Langfristig ist für den Schienenpersonennahverkehr mit mindestens einem Stundentakt und Fahrzeuggrößen, die kapazitiv einer Doppeleinheit aus zwei zweiteiligen, 42 Meter langen Triebzügen entspricht, die Elektrifizierung am wirtschaftlichsten. Will man schnelle Effekte erzielen, sind Konzepte auf Basis vorhandener Antriebstechnologien wie EE-Hybrid oder Multimodal-Hybrid abhängig von der Streckenlänge zweckmäßig, wenn es bereits Elektrifizierungsanteile gibt oder wenn an den Endpunkten vorrangig aus der Oberleitung nachgeladen werden kann.
  • Für Verkehre abseits elektrifizierter Strecken ohne Elektrifizierungsperspektive sind Diesel-Hybride wirtschaftlicher als ein klassischer Dieselbetrieb. Brennstoffzellen-Hybride sind nahezu in allen Szenarien, trotz H2 - günstiger Ansätze für Fahrzeugbeschaffung, Re-Invest für Brennstoffzellen und H2 -Beschaffung, am teuersten. Wenn sich die Austauschkosten für Brennstoffzellen-Stacks und Traktionsbatterien deutlich verringern lassen, werden auch Brennstoffzellen-Fahrzeuge trotz aufwändiger H2-Logistik wirtschaftlicher sein als klassische Dieselfahrzeuge, sich aber immer auch mit anderen Hybridlösungen messen lassen müssen.

Die gesamte Studie steht unter https://beg.bahnland-bayern.de/de/themen/gutachten-alternative-antriebe-im-bahnland-bayern zum Download bereit. 

BESS – Die bayerische Elektromobilitätsstrategie Schiene

Am 23. Januar 2018 hat der damalige bayerische Verkehrsminister Joachim Herrmann die „Bayerische Elektromobilitäts-Strategie Schiene zur Reduzierung des Dieselverkehrs im Bahnnetz in Bayern“ – kurz BESS genannt vorgestellt. Zum einen schlägt Herrmann vor, die wichtigsten Schienenpersonenverkehrs-Strecken möglichst rasch zu elektrifizieren. Neben dem Bundesverkehrswegeplan sei dafür notwendig, dass der Bund wie angekündigt ein Sonderprogramm zur Elektrifizierung auflege.

Zum anderen will Bayern auf Strecken im Schienenpersonennahverkehr, die noch nicht konkret zur Elektrifizierung anstehen, ggf. sechs Pilotprojekte für alternative Antriebe in den nächsten Jahren finanzieren, um weitere Erkenntnisse über deren Eignung für die bayerische SPNV-Flotte zu gewinnen.

Der Prototyp des Talent 3 BEMU von Bombardier soll im Auftrag der Nahverkehrsgesellschaft Baden-Württemberg (NVBW) vsl. ab Juni 2019 montags bis freitags in Zusammenarbeit mit DB Regio im Raum Ulm erprobt werden. An den Wochenenden könnte das Fahrzeug dann auf der 17 km langen Strecke Pleinfeld – Gunzenhausen im bayerischen SPNV getestet und an den elektrifizierten Endpunkten unter der Oberleitung geladen werden.

In einem weiteren Pilotprojekt begleitet die BEG Verhandlungen zwischen Stadler und Agilis bezüglich eines Testbetriebes auf der Strecke Bamberg – Ebern, die im knapp 18 km langen Abschnitt Breitengüßbach – Ebern nicht elektrifiziert ist. Der tägliche Probebetrieb soll ebenfalls in diesem Jahr beginnen.

Weitere Pilotprojekte können folgen, sobald die Fahrzeugindustrie weitere Prototypen zur Verfügung stellt. Der Kreis beginnt sich allmählich zu schließen, die Spreu sich vom Weizen zu trennen. Welche Technologien sich durchsetzen, wird schon die nahe Zukunft zeigen.

Fazit

Bei aller Begeisterung für alternative Antriebe bleibt abschließend aber zu konstatieren, dass schienengebundene Verkehrsmittel neben O-Bussen die einzigen Verkehrsträger sind, die ihre Traktionsenergie nicht zwingend an Bord mitführen müssen. Dieser systemimmanente Vorteil sollte als Alleinstellungsmerkmal spurgeführter Verkehrsmittel in der Diskussion um Elektromobilität viel stärker in den Vordergrund gerückt werden.

Streckenelektrifizierungen sind deshalb in jedem Fall im Zweifel aufwändigen, teuren und energetisch fragwürdigen (Wandlungsverluste, Wirkungsgrade, Mehrverbrauch!) Alternativlösungen vorzuziehen. Im Umkehrschluss können innovative fahrdrahtlose Antriebskonzepte in Einzelfällen jedoch sinnvolle Alternativen zum heutigen Brennkraftantrieb darstellen.