Zubringer-Hochgeschwindigkeitstriebzug NGT LINK Fahrzeug-, Antriebs- und Energieversorgungskonzept

Kurzfassung

Seit 2008 bündelt das Next Generation Train (NGT) Projekt Forschungstätigkeiten im Bereich von Schienenfahrzeugen am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das Projekt ist in drei Phasen aufgeteilt. Während in der ersten Phase des Projekts (2008 bis Ende 2010) der Ultra-Hochgeschwindigkeitszug NGT HGV im Fokus stand, wurden die Forschungsarbeiten in der zweiten Phase mit einem weiteren Fahrzeug der NGT Familie, dem NGT LINK fortgeführt. Der NGT LINK ist ein 230 km/h schneller, interregionaler Zubringerzug der kleinere Städte miteinander und mit den NGT Hauptstrecken verbindet. In den letzten Jahrzehnten wurden Züge in Europa und Asien für immer höhere Geschwindigkeiten ausgelegt. In Deutschland kam die Erhöhung von 200 km/h auf 300 km/h mit der Einführung der ICE Züge, in China hat sich die maximale Reisegeschwindigkeit von 160 km/h auf 350 km/h mit der Einführung der CRH Züge mehr als verdoppelt. Die Erhöhung der Reisegeschwindigkeiten ist für den Energiebedarf und die Lärmemissionen der Züge aber nicht ohne Folgen geblieben. Die Züge der NGT Familie werden durch gezielten Leichtbau, innovative Technologien und durchdachte Fahrzeugkonzepte leiser, effizienter und dabei noch schneller als heutige Züge fahren. Für den NGT LINK werden Erkenntnisse, die in der Erforschung des NGT HGV gewonnen wurden, aufgegriffen und um die spezifischen Anforderungen des NGT LINK erweitert. Während der NGT HGV primär für Strecken mit induktiver Energieübertragung konzipiert ist, soll der NGT LINK zusätzlich auf bereits existierenden konventionellen und teilelektrifizierten Strecken eingesetzt werden können. Der NGT LINK ist ein siebenteiliger, doppelstöckiger, ultraleichter Triebzug mit einer Länge von 120 m. Bei der Entwicklung des Fahrzeugs stehen vor allem Leichtbau und Effizienz im Vordergrund. Der Wagenkastenrohbau eines Mittelwagens wiegt zwischen fünf und sechs Tonnen. Voll ausgestattet und beladen wiegt ein Mittelwagen je nach Klasse und Innenausstattung zwischen 30,8 und 34 Tonnen. Da jeder Mittelwagen über zwei Einzelrad-Einzelfahrwerke verfügt, überschreitet der NGT LINK nicht die 17 Tonnen Achslast, die z.B. für französische lignes à grande vitesse erlaubt sind. Durch das neuartige Fahrwerkskonzept ergeben sich neue Möglichkeiten hinsichtlich Bauraumnutzung und Fahrdynamik. Da jedes Rad einzeln angetrieben wird, entfällt die Notwendigkeit einer Achse zwischen den Rädern. Ähnlich wie beim NGT HGV ermöglicht dies einen stufenlosen Durchgang auf beiden Ebenen und macht den NGT LINK so zu einem echten Doppelstockzug. Da sich die Räder unabhängig voneinander drehen können, wird kein natürlicher Sinuslauf erzeugt. Durch Sensoren in den Achsen und eine schnelle rechnergesteuerte Regulierung der Drehmomente der Fahrmotoren kann das Fahrwerk aber sicher und ohne Spurkranzanlaufen in der Spur gehalten werden. Ein künstlicher Sinuslauf kann so eingestellt werden, dass sich die Räder ideal abnutzen. An das Antriebssystem des NGT LINK werden vielfältige Ansprüche gestellt. Um den Forderungen des Lastenhefts und der gängigen Normen und Richtlinien, wie z.B. der HS TSI RST, zu entsprechen, muss für den NGT LINK eine Antriebsleistung von rund 2,5 MW sowie eine Anfahrzugkraft von 381 kN vorgesehen werden. Der spezifische Energiebedarf des NGT LINK lässt sich gegenüber dem des ICE-TD für das UIC-Fahrprofil Intercity um rund 51 % reduzieren. Damit wird die im Lastenheft gestellte Anforderung einer Halbierung des spezifischen Energiebedarfs gegenüber dem ICE-TD erfüllt. Um die Wirkungsgradverluste im Fahrzeug zu reduzieren und um das Gewicht zu senken, wird für den NGT LINK der Einsatz eines Mittelfrequenztransformators vorgesehen. Hierdurch ergibt sich auch die Möglichkeit einer Kopplung mit der fahrdrahtlosen Energieübertragung. Das Antriebssystem muss darüber hinaus einen Betrieb auf teilelektrifizierten Strecken ermöglichen und benötigt daher eine autarke Energieversorgung. Hierzu wurden für den NGT LINK verschiedene Möglichkeiten untersucht, wobei auch eine exemplarische Auslegung einer Lithium-Ionen Traktionsbatterie für die Referenzstrecke Stuttgart-Ulm-Oberstdorf erfolgte. Diese Strecke ist zwischen Ulm und Oberstdorf nicht elektrifiziert. Es zeigt sich, dass hierdurch ein hohes Gewicht von rund 20 t in Kauf genommen werden muss. Auch die Investitions-/Betriebskosten sind momentan höher als bei einem vergleichbaren Dieselfahrzeug. Nichtsdestotrotz stellt diese Konfiguration aufgrund der stetig steigenden Dieselpreise und verringerten Schadstoffemissionen eine Alternative gegenüber den konventionell betriebenen Dieselfahrzeugen dar. Zukünftig werden auch Antriebskonfigurationen mit hybriden Energiespeichern und Brennstoffzellen untersucht und auf ihre Eignung hin geprüft. Auf elektrifizierten Strecken erfolgt die Stromübertragung bei Vollbahnen konventionell über Oberleitungen und Stromabnehmer. Dieses Übertragungssystem ist durch eine Reihe betrieblicher Nachteile gekennzeichnet, die im Wesentlichen aus der kontaktbehafteten Stromübertragung resultieren - wie z.B. dem Verschleiß von Fahrdraht und Schleifleisten oder dem durch den Stromabnehmer hervorgerufenen aerodynamischen Widerstand sowie die von ihm erzeugten Schallemissionen. Vor dem Hintergrund der genannten Nachteile wird derzeitig am DLR in Kooperation mit der Universität Stuttgart die Machbarkeit für eine Anwendung eines induktiven, berührungslosen Energieübertragungssystems für Vollbahnen untersucht. Die wesentlichen Herausforderungen für eine induktive Energieübertragung im Vollbahnbereich sind der vergleichsweise große Luftspalt und dessen betrieblich bedingten Schwankungen (etwa 80…265 mm infolge von Einfederung und Radverschleiß), die hohe Fahrzeuggeschwindigkeit und vor allem die großen Übertragungsleistungen. Einschließlich aller Nebenverbraucher beträgt die notwendige Übertragungsleistung des NGT LINK etwa 3,5 MW. Das Integrationskonzept sieht vor, dass die Komponenten der induktiven Energieübertragung (Wicklungssystem, Leistungselektronik) in Form von stets baugleichen Modulen im Unterflurbereich des Fahrzeuges integriert werden. Beim NGT LINK können maximal drei Module pro Mittelwagen und zwei Module pro Endwagen installiert werden. Bei einer vollständigen Bestückung mit 19 Modulen beträgt die übertragene Leistung somit 185 kW pro Modul. Durch die hohe Ausnutzung der unterflur zur Verfügung stehenden Fläche beträgt die erforderliche Leistungsdichte etwa 50 kW/m² und liegt damit deutlich unter dem Wert bereits realisierter Anwendungen. Für einen Betrieb auf teilelektrifizierten Strecken und für Fahrzeugkonzepte, wie die des NGT LINK, bietet das induktive Energieübertragungssystem vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Die abschließende Beurteilung der Machbarkeit kann jedoch nur nach einer hinreichenden Bewertung der Wirtschaftlichkeit des Systems erfolgen. Um kurze Reisezeiten zu ermöglichen, sind für Fahrzeuge des interregionalen Verkehrs neben einer hohen Reisegeschwindigkeit kurze Haltezeiten sehr wichtig. Wissenschaftliche Studien zeigen, dass unter anderem sitzplatz- und bodennahe Gepäckablagen, eine gleichmäßige Verteilung der Türen, großzügige Eingangsbereiche und ein stufenloser Einstieg den Fahrgastwechsel beschleunigen können. Diese Aspekte werden beim Design des NGT LINK berücksichtigt, um einen möglichst schnellen und reibungslosen Fahrgastwechsel zu gewährleisten. Schienenfahrzeuge sehen sich zunehmend mit einer Ressourcenknappheit, schärferen Umweltbestimmungen sowie steigenden Mobilitäts- und Komfortansprüchen konfrontiert. Um die Wettbewerbsfähigkeit von Schienenfahrzeugen zu erhalten, besteht ein Bedarf an modernen Fahrzeugen, die diesen Anforderungen gerecht werden. Das Konzept des NGT LINK zeigt, wie Züge zukünftig gestaltet sein können, um ein konkurrenzfähiges, ökonomisches und ökologisches Verkehrsmittel anzubieten, das sowohl Effizienz als auch Komfort vereint.