Entwicklung eines Modells zur Auslegung und Bewertung eines Brennstoffzellen- und batterieelektrischen Antriebsstrangs für Schienenfahrzeuge im bimodalen Betrieb

Abstract

Um die künftigen Klimaziele zu erfüllen, ist die Minderung der Treibhausgasemissionen durch die Reduktion der Verbrennung von fossilen Brennstoffen zwingend erforderlich. Die Verlagerung von Teilen des Verkehrssektors auf das Schienennetz könnte perspektivisch die CO2-Bilanz nachhaltig verbessern. Um den dazu erforderlichen dynamischen Streckenausbau zu ermöglichen und zugleich lokal produzierte Emissionen zu vermeiden, müssen mittelfristig Dieseltriebzüge durch hybride elektrische Antriebe ersetzt werden. In dieser Arbeit wurden dazu die Möglichkeiten von alternativen Antriebsstrangtopologien bezüglich ihrer streckenspezifischen Auslegung untersucht. Ziel der Untersuchung ist die Weiterentwicklung einer Simulationsumgebung zur streckenspezifischen Komponentendimensionierung der leistungsbereitstellenden Antriebsstrangkomponenten. Auf Basis einer bestehenden Auslegungsmethodik wurde ein Simulationstool dafür entwickelt. Die Entwicklung nutzt dazu eine geschickte Formulierung einer Zielfunktion eines Optimierungsproblems, wodurch die Antriebsstrangkosten und der energieoptimale Betrieb aneinander gekoppelt werden. Ergänzend zur Komponentendimensionierung wird in der Simulation auch der Betrieb anhand einer regelbasierten Energiemanagementstrategie geprüft. Die Strategie wurde an die neuen Antriebsstrangkonzepte angepasst und in eine ergänzende Betriebssimulation eingebettet. Durch den entwickelten modularen Aufbau der Software ist es möglich, verschiedene Energiemanagementstrategien und Komponentenauslegungen anhand von vorgegebenen Lastfällen zu bewerten, zu vergleichen und anzupassen. Abschließend wurden die neu entwickelten Funktionen anhand einer vorgegebenen Strecke validiert. Im Rahmen der Validierung wurden für unterschiedliche Testszenarien entsprechende Antriebskonzepte entwickelt und an der Energiemanagementstrategie getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die entwickelte Simulationsumgebung eine indikative Auslegung alternativer Antriebsstränge entsprechend ihres Einsatzszenarios bestimmt werden kann