Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV)

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01.09.2016, Henry Riße und Burkhard Fahl:

Elektrische (Solare) Mobilität auf der Schiene

Historischer Rückblick, Gegenwart und Ausblick in die Zukunft

Historischer Rückblick

Wenn über elektrische Mobilität gesprochen wird, dann ist zumeist die E-Mobilität auf der Straße gemeint. Dabei wird schlichtweg ausgeblendet, dass die E-Mobilität ihre Anfänge auf der Schiene hatte. So wurde die erste elektrische Bahn 1879 auf der Weltausstellung in Berlin von Werner von Siemens gezeigt. Sie war 300 m lang, hatte eine Spurweite von 500 mm und wurde mit Gleichstrom über eine mittige Stromschiene versorgt (1).
 
Danach baute Siemens in Lichterfelde bei Berlin eine Versuchsstrecke für die erste Elektrische Straßenbahn Lichterfelde - Kadettenanstalt, die am 16. Mai 1881 den Probebetrieb aufnahm. Auf der 2,5 Kilometer langen Strecke verkehrten Wagen mit Platz für 26 Personen, die über Spiraldrahtschnüre beide Achsen antrieben und bei einer Leistung von 5 PS eine Maximalgeschwindigkeit von 35 bis 40 km/h erreichten. Ab 1883 wurde sie zur öffentlichen Straßenbahn (2).
 
Elektrische Straßenbahn Lichterfelde

Elektrische Straßenbahn Lichterfelde-Kadettenanstalt, Siemens & Halske, 1882
Foto: Wikipedia, gemeinfrei

 
Um die Gefahr durch Stromunfälle zu vermeiden, konstruierte Siemens die erste Oberleitung und stellte sie im Rahmen der Exposition Internationale d’Électricité 1881 im Zentrum von Paris vor. Er richtete eine 500 m lange Demonstrationsstrecke ein, die von der Place de la Concorde zum Palais de l’Industrie genannten Ausstellungspalast auf dem Gelände des heutigen Grand Palais führte und bei der der Strom erstmals über eine Oberleitung zugeführt wurde (3).
 
Im Jahre 1883 wurde die erste Bahn mit Akkuantrieb in Brasilien erprobt.
 
Bereits am 27.Okt.1903 wurde mit einem Drehstrom-Versuchstriebswagen von AEG die damals unglaubliche Geschwindigkeit von 210,3 km/h zwischen Marienfelde und Zossen bei Berlin auf einer eigens hergerichteten Militärbahn erreicht. (4)
 
Dreh-Triebwagen von Siemens
Drehstrom-Triebwagen von Siemens, 1903
Foto: Wikipedia, gemeinfrei

 
Ein elektrischer Betrieb mit Lokomotiven auf eine normalspurigen Vollbahn (alter Begriff für eine Eisenbahn, die keine Kleinbahn und keine Straßenbahn ist) wurde am 27.08.1895 in Baltimore USA aufgenommen. In Deutschland war im gleichen Jahr zwischen Meckenbeuren und Tettnang die erste normalspurige (Lokal-)Bahn mit Personen und Güterverkehr in Deutschland (Triebwagen-Betrieb) unterwegs.
 
Triebwagen, 1884, Siemens & Halske, Frankfurter Verkehrsmuseum
Triebwagen, 1884, Siemens & Halske, Frankfurter Verkehrsmuseum,
Foto: Wikipedia, gemeinfrei

 
Nur ein Jahr nach der Vorstellung der ersten elektrischen Straßenbahn der Welt präsentierte Werner von Siemens, beziehungsweise das Unternehmen Siemens & Halske - ebenfalls bei Berlin - eine elektrisch betriebene Wagonette. Das System wurde als Elektromote bezeichnet und gilt als erster Obus-Vorläufer der Welt. Die 540 Meter lange Elektromote-Versuchsstrecke in Halensee bei Berlin wurde am 29. April 1882 eröffnet und schon am 20. Juni 1882 wieder eingestellt. Das Elektromote ist damit älter als der erste kraftstoffbetriebene Omnibus der Welt, dieser wurde erst 1895 von Carl Benz gebaut. (5)
 
Elektromote, erster Omnibus der Welt, 1882
Elektromote, erster Omnibus der Welt, 1882 in Halensee bei Berlin
Foto: Wikipedia, gemeinfrei

 
Akku-Triebwagen (Bauart Wittfeld) waren von 1907 bis in die 1960er Jahre auf preußischen Strecken in Betrieb.
 
Bei der Aachener Pferdebahn führte der teure Betrieb mit zwei Pferden zur Suche nach Alternativen. 1884–1885 nahm eine von Moritz Honigmann entwickelte feuerlose Natronlokomotive ihren Probebetrieb auf. Mehrere Monate wurde die Lok zwischen Normaluhr und Cölnthor eingesetzt. Dies senkte zwar die Betriebskosten, aber die Befürchtung, die verwendete Natronlauge zerfresse auf Dauer den Dampfkessel, veranlasste die Betreiber, die Versuche wieder aufzugeben. Außerdem erwies sich der Schienenunterbau als zu schwach für die schweren Lokomotiven (12).
 
Feuerlose Natron-Straßenbahn-Lokomotive in Aachen um 1884
Feuerlose Natron-Straßenbahn-Lokomotive in Aachen um 1884,
Foto: Wikipedia, gemeinfrei

 
All diese Beispiele zeigen, dass die E-Mobilität auf der Schiene eine bemerkenswerte Entwicklung erlebte, eine absolut ausgereifte Mobilitätstechnologie darstellt und seit weit mehr als einem Jahrhundert gelebte und inzwischen dominierende Praxis ist.

Strom wird ins Netz zurückgegeben

 
Für die Schienenfahrzeuge auf Vollbahnen ist die Energiezufuhr aus der Oberleitung Standard. Bei zahlreichen U-Bahnen und S-Bahnen (insbesondere mit Gleichstrombetrieb) ist die Stromversorgung über eine Seitenschiene ebenfalls üblich. Oberleitungsanlagen bei Vollbahnen erlauben je nach Spannung die Übertragung sehr hoher Leistungen bis ca. 12 MW, die für die Beschleunigung der Hochgeschwindigkeitszüge auf 300 km/h oder das Fahren sehr schwerer Güterzüge (Erzzüge in Norwegen und Schweden) notwendig sind. Bei großen Neubauvorhaben setzt sich international derzeit eine Stromversorgung mit Wechselstrom mit 25 KV und 50 Hz durch (Beispiel Elektrifizierung Vinschgau-Bahn oder Thalys-Strecke nach Lüttich/Brüssel). Der elektrische Betrieb der Schienenfahrzeuge erlaubt eine sehr emissionsarme Fortbewegung, was insbesondere ein großer Vorteil der elektrischen Straßen- und Stadtbahnen ist. Diese haben einst die Pferde- und Dampfbahnen abgelöst, waren lange Zeit das dominierende Nahverkehrsmittel in den großen und früher auch kleineren Städten (Naumburg) bis zum Einzug des „billigen“ Öls und damit der Ablösung durch Dieselbusse in vielen Städten der Welt, so auch in Aachen.
 
Der elektrische Antrieb von Schienenfahrzeugen kombiniert deren spezifisch geringe Fortbewegungsenergie infolge geringer Reibungsverluste und geringer Steigungen mit der Möglichkeit, beim Bremsen die Antriebsmotoren als Generator zu schalten und die beim Bremsen gewonnene Energie für die Heizung bzw. Klimaanlage des Fahrzeugs oder den Antrieb für andere im gleichen Einspeiseabschnitt befindliche Fahrzeuge bereit zu stellen. Dies wurde in der Schweiz am Gotthardpass bereits vor Jahrzehnten lange vor dem Aufkommen der Drehstromtechnik und Leistungselektronik praktiziert (8). Dabei sind auf Hauptstrecken Rückspeisungsquoten von 25% gut erreichbar (9). Bei S- und U-Bahnen mit ständigem Anfahren und Bremsen sind höhere Quoten von bis ca. 40% erreichbar (9). Mindestens jede vierte Stadtbahn und im besten Falle 2/5 aller Stadtbahnen werden somit aus zurückgegebener Energie betrieben. Diese Art der partiellen Energierückgewinnung wird nun gerade für den elektrifizierten Straßenverkehr „nacherfunden“.
 
Aufgrund inzwischen sehr ausgereifter Steuerungstechniken besteht daneben die Möglichkeit der Speicherung dieser „überschüssigen“ Energie“ in Akkus oder sog. Super Caps. Letztere können kurzzeitig große Leistungen aufnehmen und wieder abgeben. Akkus werden neuerdings in sog. Last-Mile Loks eingesetzt, um diese kurzen Abschnitte ohne Fahrleitung z.B. Rangierfahrten auf Werksgleisen zurücklegen zu können (10).
Für die Bahnstromsysteme wurden eigens Kraftwerke gebaut, z. B. das Walchenseekraftwerk in Bayern oder das ehemalige Kraftwerk Muldenstein in Anhalt. Besonders die an Wasserkraft reichen Nationen Schweiz, Österreich, Italien, Schweden und Norwegen fahren ihre Züge weitestgehend elektrisch und zu einem hohen Prozentsatz mit Strom aus erneuerbaren Energien – hier eben die Wasserkraft.

Gegenwart

Im Vergleich mit dieselbetriebenen Fahrzeugen ist die Lebensdauer elektrischer Fahrzeuge in der Regel deutlich höher. Die Drehstrommotoren moderner Fahrzeuge sind dank minimierter mechanischer Bauteile und fehlender Kohlebürsten nahezu verschleiß- und wartungsfrei. Weniger Erschütterungen (Dauerschwingungen durch Dieselmotoren) und weniger thermische Belastungen tragen auch dazu bei. Laufleistungen von modernen E-Loks erreichen viele Millionen km (11). Das sind ein bis zwei Zehnerpotenzen mehr als LKW oder Busse erreichen. Betriebliche Fahrten zur Sicherstellung der Energieversorgung und für Wartungsarbeiten entfallen ebenfalls (die E-Lok bzw. die Tram muss nicht tanken fahren…).
 
Bombardier TRAXX-Lokomotiven in Brake an der Unterweser: E186 der LTE und Re 482 von SBB Cargo

Bombardier TRAXX-Lokomotiven in Brake an der Unterweser: E186 der LTE und Re 482 von SBB Cargo,
Foto: Joachim Kohler Bremen, CC-BY-SA 4.0

 
Elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge, insbesondere für den Reiseverkehr, fallen dem Nutzer am ehesten über das äußere Design, oft stromlinienförmig bei Hochgeschwindigkeitszügen, mit Niederflureinstiegen bei Straßen-/Stadtbahnfahrzeugen, bzw. durch das fahrgastfreundliche Innenleben moderner Fahrzeuge auf.
 
Italienischer Hochgeschwindigkeitszug, Frecciarossa ETR500
Italienischer Hochgeschwindigkeitszug, Frecciarossa ETR500,
Foto: Wikipedia, gemeinfrei

 
Die meist unsichtbare Technik im Innern hat sich in den letzten 35 Jahren stark weiterentwickelt; die Drehstromtechnik, bei der Antriebsmotoren mit Leistungselektronik kombiniert werden, ist Standard. Diese erlaubt den problemlosen Wechsel zwischen verschiedenen Spannungen und Stromsystemen, z. B. Wechsel zwischen 15 kV Wechselstrom in Deutschland auf 3000 V Gleichstrom in Belgien. Die Leistungselektronik macht aber auch die Rückgewinnung der Bremsenergie einfacher und inzwischen zum Standard. Dabei wird bei neuen Vollbahnfahrzeugen immer über die Oberleitung zurück gespeist.
 
Die Möglichkeiten, den in den 50er bis 80er Jahren erfolgreich durchgeführten Betrieb mit Akku-Triebwagen auf die Gegenwart zu übertragen und Triebwagen mit neuester Batterie und Steuerungselektronik ausrüsten, sind bisher bei Vollbahnen weitestgehend ungenutzt geblieben. Das liegt auch am niedrigen Dieselpreis.
 
Bei Stadtbahnen werden hingegen zunehmend auch Batteriesysteme genutzt (Bsp. Nizza (6) ). Gründe hierfür sind zum einen die hohen elektrischen Leistungen beim Bremsen, die netzverträglicher gemacht werden müssen. Zum anderen muss bei fehlender Abnahme im Netz- oder im Speiseabschnitt die Bremsenenergie im Fahrzeug selber gespeichert werden, um diese dann ebenfalls wieder im Fahrzeug nutzen zu können. Auch die Überbrückung von fahrleitungslosen Abschnitten mit eingebauten Akkus – wie beim Aachener Campusbahnprojekt angedacht oder in Nizza realisiert (6) -, ist eine weitere Möglichkeit, Bremsenergie sinnvoll im Fahrbetrieb nutzbar zu machen. Die Einspeisung in Akkus hilft auch bei schwachen Netzen bzw. niedrigen Systemspannungen (Straßenbahn mit 600 V ,750 oder 900 V) und gleichzeitig hohen Anfahrleistungen (0,4 bis 0,6 MW bei modernen Trams), die Stabilität der Stromversorgung bzw. die notwendigen Beschleunigungsenergien bereit zu stellen.
 
Neben der Akkutechnik sind aber auch andere Lösungen im Einsatz. So befinden sich im Netz der Zwickauer Tram Schwungradspeicher, die große Leistungen in Rotationsenergie speichern können. Dort rechnet man mit Energieeinsparungen von 350 MWh/a durch Nutzbarmachung von Bremsenergie (7). Dies scheint eine spezielle Lösung für kleinere Betriebe mit geringeren Taktfrequenzen zu sein, wo die Rückspeisung ins Netz nur in geringem Maße nutzbar ist und auf teure Batterien im Fahrzeug verzichtet wurde (7).

Ausblick

Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere Windstrom, wäre es für wasserkraftarme Länder wie z. B. Deutschland naheliegend, auch den Bahnstrom wirklich grüner zu gestalten (nicht nur in der Werbung der DB). Der gezielte Einsatz von Solarenergie ist aber nach Kenntnis der Autoren bisher nicht in Erwägung gezogen worden. Dennoch bieten sich gerade hierfür viele Anwendungsmöglichkeiten. Die linearen Bahntrassen, z. T. auch in Lärmschutzwände eingefasst, wären vielerorts prädestiniert für die Aufstellung von PV-Elementen zur Bahnstromversorgung, gekoppelt mit speziellen Unterwerken (DC-AC-Wandlung und 16 2/3 Hz). Stadtbahnsysteme wären da im ersten Schritt vielleicht eine noch überschaubare Anwendung. Dabei passen sowohl Stromart (Gleichstrom) als auch Spannungsniveau (600 bis 900 V) gut zu den Systemen der PV-Installation, die isolationstechnisch meist auf 1000 V begrenzt sind. Im Stadtbild sind sicher keine linearen PV-Trassen möglich, doch bietet jede Haltestellenüberdachung, die dann auch etwas größer ausgelegt werden kann, die Möglichkeit, auf 50, 100 oder 200 m² permanent gewisse Leistungsanteile für die Stadtbahn einzuspeisen.
 
Eine ganz spezielle Art der Stromgewinnung wäre sog. Solarrad-/ Solarfußwege, wie sie in den Niederlanden bereits in einem Pilotprojekt im Einsatz sind (10). Dort wurden PV-Elemente unter eine robuste, transparente und dennoch griffige Abdeckung eines Radweges gelegt. Der Radweg hat somit eine Doppelfunktion: Energiegewinnung und Verkehrsweg. Das Beispiel in den Niederlanden hat gezeigt, dass Solarradwege den rauen Alltagsbedingungen standhalten können und den prognostizierten Stromertrag sogar noch übertrafen (10). Ein solcher Solarradweg wäre eine wirklich innovative Lösung, gerade auch für die neuen Campusgebiete in Aachen, um perspektivisch eine dort langfristig unumgängliche Stadtbahn zu speisen. Solarfuß-/Radwege eröffnen eine ganz neue Dimension der Gewinnung von solarer Energie für den kommunalen / öffentlichen Verkehr.
 
Ein nicht geringer Teil der Energie wird für die Klimatisierung benötigt. Dabei spielt die Kühlung eine zunehmende Rolle. Bei der italienischen Bahn wurde bereits vor Jahren damit experimentiert, Reisezugwagen mit einer auf dem Dach eingebauten PV-Anlage zu versehen und damit den Strom für die Klimatisierung zumindest teilweise zu gewinnen. Insbesondere im abgestellten Zustand ist dies interessant, da so für die Standby-Klimatisierung kein Netzanschluss und kein Netzstrom gebraucht würden. Umgekehrt ließe sich hierdurch auch (in geringem Umfang) im Winter Heizstrom (Frostschutz) gewinnen.
 
Die Montage von PV-Elementen auf fahrenden Dächern ist natürliche eine besondere Herausforderung, jedoch ist dies mit den verfügbaren flexiblen Elementen oder einer direkten Einlaminierung eher machbar als noch vor wenigen Jahren. Dass dies Sinn machen kann, verdeutlich folgende Rechnung:
 
Ein Reisezugwagen mit 26 m Länge und ca. 3 m abgewickelter Dachbreite hätte so 78 m² potenziell nutzbare Dachfläche. Wenn diese mit flexiblen Zellen belegt würden, die nur ca. 100 W/m² leisten, könnten dennoch fast 8 KW für die Klimaanlage gerade in der Spitzenbelastungszeit aufgebracht werden.
 
Neben den Dachflächen wären potenziell auch die Seitenwände als Montageflächen für leichte und flexible PV-Elemente geeignet. Die Seitenflächen werden allerdings heute mit Werbung wahrscheinlich monetär ertragreicher genutzt… .
 
Um solare / erneuerbare Energien noch besser im schienengebundenen Verkehr nutzen zu können, muss auch ein Verbund der verschiedenen Energieträger und die Integration von größeren Speichern angedacht werden. Große stationäre Speicher, z.B. Vanadium-Redox-Flow-Batterien, könnten idealerweise Erzeugungsspitzen am Tage in die verkehrsintensiven Nachmittags- und Abendstunden transferieren.
 
Die Fahrzeuge selbst müssen in Zukunft auch anders konstruiert werden, um z. B. den Energiebedarf an Klimatisierung/Heizung zu mindern. Insbesondere letztere ist in den Wintermonaten nicht zu unterschätzen, ein IC/ICE benötigt dafür ca. 500 kW elektrische Leistung. Bei elektrischen Nahverkehrstriebwagen wäre daher eine Teilhybridisierung mit Nutzung der Motorabwärme (mobile KWK-Anlage) ein Weg, den (Heiz-) Strombedarf im Winter zu senken.
 
Für die Senkung des Energiebedarfes zur eigentlichen Fortbewegung wäre eine Gewichtsreduzierung zielführend. Dem stehen jedoch bei Vollbahnen (harte) Vorschriften zur passiven Sicherheit/Stabilität entgegen. Bei Straßenbahnen kann leichter gebaut werden. Hinzu kommen aktive Sicherheitselemente, so dass durch die erforderliche Gefahrenbremsung mit 2,73 m/s² eine deutlich höhere aktive Sicherheit als bei der Vollbahn gegeben ist. Grenzen des Leichtbaus, z.B. mit Alu, wurden in den frühen 2000er Jahren angetastet, dies geht jedoch teilweise auf Kosten der Lebensdauer der Wagenkästen.
 
Mit Blick auf eine solare Mobilität der Zukunft darf vielleicht auch mal außerhalb der bestehenden Vorschriften gedacht werden. Es gibt Solarautos, Solarboote, einen Solarflieger, aber noch keine solar betriebene Bahn. Eine Möglichkeit, dieses zu realisieren, wäre z. B. eine akkumulatorbetriebene Bahn. Wann immer sie eine Haltestelle erreicht, könnte während des Fahrgastwechsels oder an den Endpunkten innerhalb der Wendezeit so eine Bahn über spezielle Stromschienen oder kurze Fahrdrahtabschnitte nachgeladen werden und dabei ihren Strom maßgeblich aus PV-Anlagen beziehen. Diese Bahn ist ggf. gleichzeitig in der Lage, auch im Bereich elektrifizierter Abschnitte nachzuladen bzw. ohne Batteriebetrieb zu fahren und die Bremsenergie für den Betrieb in Abschnitten ohne Fahrdraht zwischen zu speichern. Zusätzliche PV-Elemente am Fahrzeug unterstützen das Nachladen. Insbesondere für kleine und sehr leichte Nahverkehrsfahrzeuge erscheint somit eine „Teil-Solarisierung“ für die Traktion durchaus in Reichweite und wäre prädestiniert für ein Forschungsprojekt.

Quellen

[1] Geschichte des elektrischen Antriebs bei Schienenfahrzeugen, wikipedia
[2] Elektr. Straßenbahn Lichterfelde–Kadettenanstalt, https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Straßenbahn_Lichterfelde–Kadettenanstalt
[3] Internationale Elektrizitätsausstellung 1881, https://de.wikipedia.org/wiki/Internationale_Elektrizitätsausstellung_1881
[4] Ein Jahr ohne Eigenschaften im zugleich fort- und rückschrittlichen Kaiserreich, https://chroniknet.de/extra/zeitgeschichte/1903-ein-jahr-ohne-eigenschaften-im-zugleich-fort-und-rueckschrittlichen-kaiserreich/
[5] Nephtener Omnibusgesellschaft, https://de.wikipedia.org/wiki/ Netphener_Omnibusgesellschaft
[6] Straßenbahnjahrbuch 2016
[7] Energiespeicherwerk für Gleichstromnetze im Nahverkehr, Informationsmaterial rosetta Technik GmbH, Rosslau
[8] Wieder-Gewinnung Teil I , Modelleisenbahner 7/2015
[9] Wieder-Gewinnung Teil II, Modelleisenbahner 9/2015
[10] http://www.sonnenseite.com/de/energie/erster-solar-radweg-effizienter-als-erwartet.html
[11] Treno, Luglio/Augosto 2016, S.8

Autoren

Dr.-Ing. Henry Riße (50), studierte Wasserwirtschaft, seit 1991 in Aachen, von 2001 bis 2008 Projektleiter Verfahrenstechnik, derzeit am Forschungsinstitut für Wasser- und Abfallwirtschaft an der RWTH, Interesse für Energiethemen / erneuerbare Energien seit 20 Jahren, Interesse und Beschäftigung mit Bahnthemen, intensive Arbeit daran seit dem Campusbahn-Projekt, derzeit Mitarbeit in der Initiative Nahverkehr Aachen (INA 2.0), die sich mit dem Thema Schienen gebundener Nahverkehr in AC und der Städteregion befasst.


Dipl. Ing Burkhard Fahl (57) hat an RWTH Aachen Bauingenieurwesen mit der Vertiefung im Stadtbau- und Verkehrswesen studiert. Von 1989 bis 2002 war er in der Liniennetz- und Angebotsplanung bei der Bremer Straßenbahn AG (BSAG), und von 2002 bis 2007 als Abteilungsleiter bei der Aachener Verkehrsverbund GmbH (AVV) unter anderem im Projektmanagement für die euregiobahn tätig. Seit 2008 ist er als stellvertretender Bereichsleiter für Planung und Betrieb bei der Nahverkehr Rheinland GmbH (NVR) beschäftigt.



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