Bahnverkehr: Auf dem Weg zum "1-Liter-Zug"

Bahnverkehr: Auf dem Weg zum "1-Liter-Zug"

von Nina Diethelm

Eine Studie sieht im deutschen Bahnsystem riesiges Einsparpotenzial beim Energieverbrauch. Vor allem bei Fahrzeugtechnik, Betrieb und Infrastruktur.

130 Jahre Elektromobilität auf der Schiene – eine Erfolgsgeschichte, von der die Automobilindustrie derzeit nur träumen kann: Rund 90 Prozent der deutschen Züge und U-Bahnen fahren heute mit Strom auf einem elektrifizierten Bahnnetz von 19.500 Kilometern Länge.

Im Jahr 2009 hat die Deutsche Bahn rund 11 Terawattstunden Elektrizität für den Betrieb ihres Schienennetzes benötigt - fast gleichviel wie die Millionenmetropole Berlin. Wer aber so viel Strom verbraucht, verschwendet in der Regel auch viel davon - denn Energiesparpotenziale werden in der gesamten Wirtschaft noch viel zu wenig genutzt.

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Deshalb haben sich Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft die Frage gestellt, wie sich die Energieeffizienz des Bahnsystems weiter steigern lässt?

Das Ergebnis haben sie in der Studie „Energieoptimaler Bahnverkehr“ des Verbands der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik VDE zusammengefasst. Mittels Simulationsrechnungen und einer Nutzwertanalyse haben die Bahnexperten Energiesparpotenziale sowie Prioritäten verschiedener Maßnahmen abgeschätzt.

Und das ist der Status quo: Dank ihres Antriebssystems und dem geringen Rollwiderstand sind elektrische Bahnen bereits heute vergleichsweise leistungsfähig und umweltfreundlich. Allerdings ist der Bahnverkehr nur so grün wie sein Stromverbrauch: Heute stammen durchschnittlich 22 Prozent des Bahnstroms aus erneuerbaren Quellen – ab diesem Frühjahr will die Deutsche Bahn im Fernverkehr aber bereits zu 75 Prozent mit Strom aus erneuerbaren Quellen (vor allem Wind und Wasser) fahren. Bis 2020 plant die Deutsche Bahn den erneuerbaren Anteil am Bahnstrom im Fern-, Güter- und Regionalverkehr auf insgesamt 35 Prozent zu erhöhen.

Doch nicht nur beim Energiemix der Bahn besteht Handlungsbedarf. Die VDE-Studie setzt den Rotstift bei der Energieeffizienz an – sprich bei verschwendeter Energie und Ineffizienzen im gesamten Bahnsystem.

Die Herausforderung: Bahnverkehr ist nicht gleich Bahnverkehr. Fernverkehr, Güterverkehr, Regionalverkehr sowie U-Bahnen und Straßenbahnen weisen grundsätzliche Unterschiede bei den Energiesparpotenzialen auf. Diese sind unter anderem auf die verkehrsartspezifische Fahrweise, Luftwiderstand, Geschwindigkeit und Energieumwandlung zurückführen.

Vielversprechende Maßnahmen in drei Bereichen1. Verbesserung der Fahrzeugtechnik

Für alle Bahnverkehrsarten gilt: Nichts verbraucht mehr Energie als das Antriebssystem. Der Einspareffekt beträgt bei den Straßenbahnen, U-Bahnen und im Regionalverkehr rund 0.3 – das heißt: 10 Prozent weniger Antriebsverluste bewirken eine Reduktion des Energiebedarfs von 3 Prozent. Da Güter- und Fernzüge seltener bremsen und beschleunigen, ist ihr Einspareffekt um einen Drittel bis die Hälfte kleiner. Verschiedene Innovationen wie neue Steuerverfahren oder Traktionsmotoren können die Antriebsverluste senken.

Die Rückspeisefähigkeit von Bremsenergie ist entscheidend für einen energieeffizienten Bahnbetrieb: Im Nah- und Regionalverkehr kann mit modernen Fahrzeugen zwischen 34 und 40 Prozent Energie gespart werden. Beim Güter- und Fernverkehr beträgt das Einsparpotenzial 16 respektive 7 Prozent. Da die Rückspeisefähigkeit heute Standard ist, könnte das Potenzial vor allem beim Ersatz von Altfahrzeugen realisiert werden.

Auch bei der Kühlung des Antriebs oder der Klimatisierung lässt sich Energie sparen. Wenn die Hilfsbetriebe- und Komfortleistungen beim Nah- und Regionalverkehr um 10 Prozent reduziert werden, resultieren Energieeinsparungen von 1.5 bis 2.5 Prozent. Mögliche Maßnahmen: Der Einsatz von speziellen Antrieben oder Bordnetzen,  isolierte Innenräume sowie eine bedarfsgerechte Klimatisierung und Türöffnung.  Im Güter- und Fernverkehr sind die erzielbaren Einsparungen vernachlässigbar.

Beim Güter- und Fernverkehr ist vor allem der Luftwiderstand entscheidend für den Energieverbrauch: Wird der Luftwiderstand durch eine optimierte Kopfform, eine Verkleidung der Drehgestelle oder eine Unterflurausrüstung um 10 Prozent verringert, brauchen Fernzüge rund 6.5 Prozent, Güterzüge rund 4.5 Prozent und Regionalzüge 3 Prozent weniger Energie.

Auch die Leermasse des Zuges wirkt sich entscheidend auf den Energieverbrauch aus.  Beim Nah- und Regionalverkehr wird der Einsparfaktor auf 0.6 bis 0.71 geschätzt, beim Güterverkehr auf 0.46 und beim Fernverkehr auf 0.11. Der Einsparfaktor des Fernverkehrs ist deshalb so tief, weil durch das höhere Beschleunigungsvermögen Fahrzeit gewonnen und entsprechend mehr Energie gespart werden kann. Die vielversprechendsten Maßnahmen betreffen den Innenausbau der Züge wie die energieeffiziente Bestuhlung und Verkabelung. Beim restlichen Zug sind die Möglichkeiten für Gewichtsreduktionen nach Meinung der Experten bereits weitgehend ausgeschöpft.

2. Betriebliche Massnahmen

Sei es im Alltag oder im Bahnverkehr – ohne Verhaltensänderungen gibt es keinen optimierten Energiebrauch. Die Devise für die energiesparende Fahrweise lautet: Fahrzeitreserven zur Geschwindigkeitsreduktion nutzen und unnötige Antriebs- und Bremszyklen reduzieren. Letzteres ist vor allem beim Regionalverkehr und Straßenbahnen sinnvoll – ein öffentliches Verkehrsmittel hält nur auf Wunsch des Fahrgastes. Wird die Fahrzeit von zehn auf elf Minuten verlängert, reduziert sich der Energieverbrauch von Nah- und Regionalverkehr beträchtlich – um 20 bis zu 50 Prozent. Beim Güter- und Fernverkehr bewirkt eine zehnprozentige Zunahme der Fahrzeit eine Energieeinsparung von 11 bis 14 Prozent. Des Weiteren sollten Störstellen vermieden werden, da zusätzliche Verzögerungs- und Beschleunigungsphasen den Energiebedarf erhöhen.

Die Experten sehen die Nutzung des Zeitrückhalts, den „Halt auf Verlangen“, die Reduktion von Störstellen, Fahrassistenzsysteme und entsprechende Schulungen als wichtige betriebliche Maßnahmen, damit das Fahrpersonal sein Verhalten auf mehr Energieeffizienz ausrichtet kann.

3. Optimierung der Infrastruktur

Aus der Kosten- und Nachhaltigkeitsperspektive ist es gleich doppelt relevant, Energieverluste zu minimieren – sei es nun mittels Innovationen oder betrieblichen Maßnahmen und Verhaltensänderungen. Doch das größte Potenzial misst die Studie der umfassenden energetischen Modernisierung des Bahnsystems bei.

Klingt aufwändig und schwer realisierbar? Ist es auch: Die Optimierung der Bahninfrastruktur – von der Bahnstromerzeugung und  Umwandlung über die Energieverteilung bis hin zum Tunnelbau – ist sehr teuer und braucht Zeit.

Das Problem: In Deutschland werden Fern-, Güter- und Regionalverkehr größtenteils aus Kraftwerken gespeist, die direkt am Bahnstromnetz angeschlossen sind. Für das Jahr 2007 wurde ein Gesamtwirkungsgrad des Energiemixes für die Bahnstromerzeugung auf 32 Prozent geschätzt. Das bedeutet: Von 100 produzierten Kilowattstunden, können die Bahnen nur 32 tatsächlich nutzen. Der Rest geht während der Primärenergieförderung, Transport und Umwandlung verloren. Der elektrische Bahnverkehr profitiert deshalb in großem Maße von Innovationen, welche Umwandlungsverluste reduzieren und die Netzstruktur optimieren.

Hinzu kommen zahlreiche Interessenskonflikte: Ist nun eine hohe Auslastung  des Schienennetzes  erwünscht – auch wenn sich Züge gegenseitig behindern und mehr Energie zum Bremsen und Beschleunigen brauchen? Oder soll in den Streckenausbau zur Entflechtung von schnellen und langsamen Zügen investiert werden? Würde man dieses Geld nicht besser in Forschung zugunsten einer effizienteren Stromumwandlung, leichteren Zügen oder Lösungen zur Verringerung des Fahrtwiderstandes investieren? 

Prioritäten bei der UmsetzungEnergiesparpotenziale schön und gut - aber wie realistisch sind die Maßnahmen? Dieser Frage versuchten die Experten in der VDE-Studie mittels Nutzwertanalyse nachzugehen. Diese spezifische Bewertung von Handlungsmöglichkeiten ermöglicht eine Abschätzung, ohne sich auf exakt messbare Kriterien beschränken zu müssen. In der Studie wurden der Realisierungszeitraum zu 35 Prozent, der Investitionsbedarf zu 35 Prozent sowie das Energiespar- und technologische Potenzial zu je 25 Prozent gewichtet. Auf dieser Basis setzen die Experten folgende Prioritäten:

  • Fernverkehr:

     Maßnahmen wie eine angemessene Geschwindigkeitsreduktion und eine Optimierung der Zugform sind besonders vielversprechend. Auch beim Energiebedarf der Hilfsbetriebe kann Energie gespart werden.
  • Güterverkehr: 

    Ähnliche Maßnahmen wie beim Fernverkehr sind bedeutend. Zusätzlich sollte die Reduktion der Umwandlungsverluste im Antriebssystem und eine verbesserte Rückspeisung beim Bremsen vorangetrieben werden.
  • Regionalverkehr: 

    Betriebliche Massnahmen im Zusammenhang mit der Klimatisierung des Fahrgastraums sind für Energieeinsparungen besonders relevant. Da aufgrund des niedrigen Geschwindigkeitsniveaus Antriebsverluste entstehen, sollten Störstellen bestmöglich vermieden und Fahrzeitreserven genutzt werden.
  • U-Bahn: 

    Hier greifen primär Maßnahmen, welche die Bahnstromversorgung betreffen. So sollte das Potenzial der Rückspeisung von Bremsenergie optimal ausgeschöpft werden. Wie beim Regionalverkehr spielen zudem die Nutzung von Fahrzeitreserven und die Verbesserung des Antriebswirkungsgrades eine wichtige Rolle.
  • Straßenbahn: 

    Wie bei der U-Bahn sollte die Bahnstromversorgung besser gestaltet werden, damit die anfallende Bremsenergie effizient genutzt werden kann. Im Gegensatz zur U-Bahn ist das Bordnetzmanagment (Klimatisierung und Hilfsbetriebe) wichtiger als die Steigerung des Antriebswirkungsgrads. Wegen dem Konfliktpotenzial im Straßenverkehr sollten mittels Vorrangschaltung und speziellen Assistenzsystemen die Brems-Anfahr-Zyklen optimiert werden.

Die Studie kommt zu folgendem Schluss:

Die energetische Optimierung des deutschen Bahnsystems kann nur durch ein Zusammenwirken aller beteiligten Akteure im Bahnsystem – Politik, Bahnbetreiber, Forschung und Industrie – erfolgreich und vor allem zeitnah umgesetzt werden.

Zum Einen sollten Entwicklungsanstrengungen von Bahnindustrie und Hochschulen gebündelt werden. Der Staat sollte unterstützend wirken – sowohl finanziell als auch beim Abbau bürokratischer Hürden, um die Zulassung von neuen Komponenten und Verfahren zu erleichtern. Dies vor allem bei Innovationen, welche zu den heutigen Energiepreisen noch nicht wirtschaftlich sind. Zum Anderen sollten Regelwerke der Betreiber, Normen, Standards sowie staatliche Anreizsysteme so ausgestaltet werden, dass sie die energetische Optimierung vorantreiben.

Doch nicht nur Politik, Betreiber, Bahnindustrie und Forschungsinstitutionen sind gefragt: Durch die vermehrte Nutzung des Bahnsystems trägt jeder und jede Deutsche zu mehr Nachhaltigkeit und Effizienz in der Mobilität bei.

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