Elektrifizierungsstrategien von SPNV-Strecken für den Einsatz von Oberleitungs-Hybridtriebzügen (BEMU)

Abstract

Etwa 40 Prozent des deutschen Schienennetzes ist nicht elektrifiziert. Auf nicht- und teilelektrifizierten Strecken verkehren heute Dieseltriebfahrzeuge, die perspektivisch komplett durch elektrifizierte Triebzüge (Oberleitungstriebzüge, Batterie-Oberleitungshybridtriebzüge (BEMU) und Brennstoffzellenhybridtriebzüge) ersetzt werden sollen. In dieser Arbeit werden für existierende nicht- und teilelektrifizierte SPNV-Strecken die notwendigen Nachelektrifizierungslängen bei vorgegebener Batteriekonfiguration und die damit verbundenen Anforderungen an Traktionsbatterien bzgl. mittlerer C-Rate und Energiedurchsatz für den Einsatz in BEMU untersucht. Für ein generisches zweiteiliges BEMU wird eine Lithium-Ionen-Batterie mit einem installierten Energieinhalt von 500 kWh (nutzbar 320 kWh) berücksichtigt. Das zur Einhaltung der Fahrpläne von fünf repräsentativen realen SPNV-Strecken in Deutschland über Längsdynamiksimulationen berechnete Leistungsprofil an der Batterie bildet die Grundlage der Analyse. Es wurden drei Ergänzungselektrifizierungs-Varianten unter Berücksichtigung der bereits bestehenden Oberleitungs-Elektrifizierung untersucht (V1: Ausgehend von einem Startbahnhof (Start-Bf); Ausgehend von Start- und End-Bf; V3: Ausgehend von Start- und End-Bf + Ladestation). Für die Varianten V1 bis V3 werden die Ergänzungselektrifizierungen sukzessive in 0,1 km-Schritten erweitert (bei V2 und V3 gleichverteilt auf Start- und End-Bf). Für jede neue Elektrifizierungskonfiguration wird die C-Rate in 0,1-Schritten auf maximal 3C erhöht, bis die erste realisierbare Kombination aus Ergänzungselektrifizierung V1-V3 und C-Rate unter den definierten Randbedingungen (ausgeglichener Batterieladezustand, größter Lade-/Entladehub ≤ nutzbarer Energieinhalt der Batterie) erreicht ist. Die Simulationsergebnisse zeigen eine deutliche Reduzierung der notwendigen Nachelektrifizierungslängen im Fall gleichzeitiger Elektrifizierung von Start- und End-Bf (V2). Eine zusätzliche Ladestation auf der Strecke (V3) führt i. d. R. zu den geringsten notwendigen Oberleitungslängen, jedoch auch zu höheren mittleren Lade-C-Raten. Weiterhin erhöhen sich Energiedurchsatz und RMS-Leistung bei geringeren Nachelektrifizierungslängen. Mit dem dargestellten Ansatz können Strecken hinsichtlich technisch realisierbaren und wirtschaftlich sinnvollen Kombinationen aus Nachelektrifizierungslängen und Batteriekapazität ermittelt werden. Im nächsten Schritt kann damit ein Optimierungsproblem aufgestellt werden, mit dem minimale Kosten der Elektrifizierung und Batterieausrüstung bestimmt werden können.