Energieeffizienz im Verkehrswesen

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1 Energieeffizienz im Verkehrswesen Prof. Dr.-Ing. Jürgen Siegmann 1 Vorbemerkungen Als Leiter des Fachgebietes Schienenfahrwege und Bahnbetrieb der Technischen Universität Berlin beschäftige ich mich in erster Linie mit dem System Bahn. Die Kompetenz, auch zu den anderen Verkehrsträgern über Energieeffizienz zu sprechen, schöpfe ich u.a. aus der Tätigkeit als Mitglied des Wissenschaftlichen Beirats des Bundesminister für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW). Zum Thema Neue Verkehrstechnologien... hat dieser Beirat kürzlich eine Stellungnahme verabschiedet, die demnächst in der Zeitschrift für Verkehrswissenschaft veröffentlicht werden wird. Der Vortrag beschäftigt sich nicht mit den Fragen welche Mobilität ist wünschenswert, welche kann vermieden werden? mit welchen Verkehrsträgern soll aus Energiegründen die Mobilität vorzugsweise bewältigt werden? 28

2 Die Politik hat Steuerungsinstrumente entwickelt und möchte eine Verlagerung von der Straße auf die Schiene anregen. 2 Systemunterschiede zwischen den Verkehrsträgern Die Verkehrsträger sind zu unterscheiden in Energie wird an Bord mitgeführt: Straßenfahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge, Schiene bei Dieseltraktion Energie wird von außen zugeführt: Elektrische Bahnsysteme, Rohrleitungen, Förderbänder Im ersten Fall kommt es bei der Wahl des Energieträgers entscheidend auf die Energiedichte an, da die Fahrzeuge möglichst wenig Raum für den Tank verlieren und möglichst wenig Gewicht mitschleppen wollen. Die Mineralölprodukte sind nach diesen Kriterien bisher noch weit überlegen. Die Physik lehrt, dass der Energieverbrauch quadratisch mit der Geschwindigkeit wächst, bedingt durch den Luftwiderstand. Dieser wiederum wird durch die Formgebung und die Oberflächenmaterialien der Fahrzeuge bestimmt. Es ist also ein Kompromiss zu finden zwischen der Fahrzeit und den Kosten, speziell der Energiekosten. Kürzere Fahrzeit führt zu Mehrverkehr, höhere Kosten dämpfen das jedoch. Desweiteren ist der Energieverbrauch vom Verhalten der Fahrer, den Umweltbedingungen, den jeweiligen Regeln und Vorschriften, den Fahrzeuggewichten und nicht zuletzt vom Sekundärenergiebedarf für Komfort und Klimatisierung abhängig. In allen diesen Punkten finden sich auch Ansätze zur Reduzierung des Energieverbrauches. Die landgestützten System Straße und Schienen (Bild 2) unterscheiden sich technisch erheblich. Das Prinzip Stahl auf Stahl der Bahn erlaubt prinzipiell das Befördern großer Massen mit geringem Energiebedarf, weil die Rollreibung sehr gering ist. Allerdings werden auch nur geringe Querkräfte übertragen, so dass eine mechanische Spurführung über den Spurkranz erforderlich ist. Damit sind aber auch bewegliche Teile im Fahrweg zum Abzwei- 29

3 gen oder Überholen nötig, die Weichen. Der Bremsweg ist lang, etwa 1000 m aus einer Geschwindigkeit von 160 km/h. Da dies länger ist als die Sichtweite muss jemand von außen den Triebfahrzeugführern das Freisein des zu befahrenden Abschnittes signalisieren. Dazu gibt es Stellwerke. Die Bahn ist daher ein außengesteuertes System. Die Straße hat einen hohen Haftreibungsbeiwert, weil das Gummi der Reifen sich gut mit Poren im Asphalt verzahnt. Die Straßenfahrzeuge können daher gut beschleunigen und Bremsen (125 m aus 160 km/h). Die Spurführung gelingt sicher ohne mechanische Führung, was die große Bewegungsfreiheit für den Individualverkehr ermöglicht. Der Fahrweg ist relativ dumm, kostengünstig herzustellen und zu pflegen. Es handelt sich um ein innengesteuertes System mit der vollen Verantwortung beim Fahrer. 3 Beispiele für die Optimierung zwischen Fahrzeit und Energieverbrauch Bild 3 zeigt eine Untersuchung der hannoverschen Verkehrsbetriebe üstra zur Optimierung des Energieverbrauches. Im Nahverkehr besteht ein Fahrzyklus zwischen den Halten aus Beschleunigung, Konstantfahrt, Ausrollen und Bremsen. Die kürzeste Fahrzeit ergibt sich, wenn möglichst lange die Streckenhöchstgeschwindigkeit gefahren wird, allerdings ist dann auch der Energieverbrauch maximal. Abhängig von den Fahrzeugeigenschaften und dem Haltepunktabstand kann aber nur über relativ kurze Distanz überhaupt die Maximalgeschwindigkeit erreicht werden. Daher liegen die Fahrzeiten relativ eng beieinander, wenn die maximale Geschwindigkeit von 50 über 60 auf 70 km/h variiert werden. Der Energieverbrauch je Fahrzyklus ist allerdings deutlich geringer bei 50 km/h, bis in eine Größenordnung von 50% gegenüber 70 km/h. Bei kurzen Halteabständen zahlt sich also eine hohe Maximalgeschwindigkeit nicht aus. Die energiegünstigen Ausroll- und Bremsphasen sollten einen möglichst hohen Anteil am Fahrzyklus haben. Ein Beispiel für den Fernverkehr zeigt Bild 4: Bei der Auslegung der Hochgeschwindigkeitsverkehr in Europa wurde lange über die anzustrebenden Maximalgeschwindigkeit diskutiert. Für eine Fahrt über x km und einer Variation der Maximalgeschwindigkeit von 100,200,300 und 400 km/h wurden 30

4 jeweils die benötigten Fahrzeiten und der Energieverbrauch durch Simulation ermittelt. Die Fahrzeiteinsparungen sind beim Geschwindigkeitssprung von 100 auf 200 km/h wesentlich größer als von 300 auf 400 km/h. Der Energiemehrverbrauch je eingesparter Fahrzeitminute wächst mit zunehmender Geschwindigkeit drastisch an. Daher hat sich für Mitteleuropa eine Systemgeschwindigkeit von km/h als optimal erwiesen. 4 Energieeffizienz Bild 5 bringt einen Vergleich der Verkehrsträger im Güterverkehr. Mit 1 kg Brennstoff können im Flugzeug lediglich 8 tkm geleistet werden. Demgegenüber bewältigt eine Rohrleitung damit 564 tkm. Während die Luftfracht sich auf wertvolle, zeitsensible Güter spezialisiert, sind flüssige Güter wie Mineralölprodukte am wirtschaftlichsten mit Rohrleitungen zu transportieren. Für feste Massengüter wie Erze und Kohle eignen sich für kurze Distanzen auch Förderbänder. Der Lkw ist mit 51 tkm je kg Brennstoff etwa halb so gut wie die Bahn mit 97 tkm/kg oder das Binnenschiff mit 127 tkm/kg. Daher strebt die Politik auch die Verlagerung des Güterverkehrs von der Straße auf die Schiene an, weil diese theoretisch auch die Logistik-Anforderungen der Wirtschaft in den Wachstumsmärkten erfüllen kann. Die Straße hat bereits erhebliche Fortschritte in der Energieeffizienz erzielt. Sie hat auch den Ausstoß von Klimagasen stark reduzieren können (Bild 13). Dies gelang durch Vorgabe von Normen (EUROx) mit klaren Einführungsperspektiven sowie steuerlichen Anreizen zur Einführung umweltfreundlicher Systeme wie dem Katalysator. Ein Teil der möglichen Einsparungen wurde allerdings durch eine Erhöhung der Fahrzeuggewichte aufgezehrt. Maßnahmen zum Leichtbau konnten die Erhöhungen aus Komfort- und Sicherheitsgründen nicht vollends ausgleichen. Die mittlere Motorleistung je Fahrzeug wurde gesteigert, obwohl hohe Endgeschwindigkeiten angesichts zunehmender Geschwindigkeitsbeschränkungen und der Belastung der Autobahnen immer weniger benötigt werden. Auch in den nächsten Jahrzehnten werden Benzin- und Dieselmotoren den Individualverkehr beherrschen. Versuche laufen mit Wasserstoff als Energieträger, Methanol oder auch mit der Brennstoffzelle (Bild 14). Die Firmen wollen einerseits vorsorgen für eine Zeit, in der die fossilen Brennstoffe knap- 31

5 per und damit teuerer werden, andererseits wollen sie aber auch schon heute damit ihre Innovationsfähigkeit unterstreichen. Probleme mit Wasserstoff bestehen in dessen Gewinnung und Verteilung. Es wären völlig neue Tankstellen und Logistikkonzepte erforderlich. Der Wasserstoff muss hochverdichtet und verflüssigt werden. Noch zeigt sich keine Perspektive für die kommerzielle Verwertung dieser neuen Technologien unter derzeitigen Marktbedingungen. Die Euphorie der letzten Jahre insbesondere in Richtung Brennstoffzelle ist daher etwas verflacht (Bild 7). Die Bahn hat sich eine Selbstverpflichtung von 25% Energieverbrauchsreduktion auferlegt (Bild 8). Neben der stationären Energie liegt dabei der Schwerpunkt bei der Traktionsenergie. Ein Grossteil dieser Vorgaben ist bereits geschafft durch den Einsatz neuer Fahrzeuge (Bild 9). Ausgelöst durch die Bahnreform wurde im Prinzip der gesamte Fuhrpark im Nah- und Fernverkehr sowie die Traktion des Schienengüterverkehrs mit modernen Fahrzeugen ersetzt. Diese weisen mit der derzeit verfügbaren Steuerungselektronik und Motorentechnik einen wesentlich geringeren Energiebedarf auf. Allerdings beträgt ihre Lebensdauer mehr als 20 Jahre, so dass zu befürchten ist, dass sie bereits in 5 10 Jahren nicht mehr auf dem Stand der Technik sind. Etwa 80% der Zugkilometerleistungen werden im elektrischen Betrieb erbracht, der Rest mit Dieselfahrzeugen. Die E-Lokomotiven können heute spezifische Leistungen von bis zu 1,5 kw je angetriebener Achse realisieren und sind damit bis zum Faktor 3 effizienter als Diesellokomotiven. Die Bereitstellung des Stroms über Unterwerke und Fahrleitungen erfordert erhebliche Infrastrukturaufwendungen in der Größenordnung von 500 Euro je Meter Gleis. Daher lohnt sich der elektrische Betrieb nur bei einer entsprechenden Zugdichte. Der Strom kann aber in beliebiger Form erzeugt werden, die DB AG bevorzugt Wasserkraftwerke, ist jedoch auch auf den Bezug von Atomstrom angewiesen. Auch durch moderne Betriebsweisen lässt sich Energie sparen (Bild 10). In den Fahrplänen werden zur Abdeckung kleinerer Verspätungen Fahrzeitzuschläge von 5 10% eingebaut. Wenn man während der Fahrt erkennt, dass diese bis zum nächsten Halt nicht mehr benötigt werden, kann der Triebfahrzeugführer die Traktion abschalten und rollen lassen und kommt doch pünktlich am nächsten Halt an (Bild 11). Hierzu bedarf es einer zusätzlichen Intelligenz im Fahrzeug als Unterstützung für den Triebfahrzeugführer. Am Fachgebiet Schienenfahrwege und Bahnbetrieb der TU Berlin wurde dazu im Auftrag der DB AG ein Instrumentarium entwickelt und auf dem ICE getestet. Mit der Energiesparsamen Fahrweise (ESF) können theoretisch etwa %, praktisch etwa 10 15% Energie eingespart werden. 32

6 In vielen elektrischen Bahnsystemen kann beim generatorischen Bremsen mit den Antriebsmotoren elektrische Energie zurückgewonnen und über die Fahrleitung anderen Verbrauchern im gleichen Unterwerksabschnitt zugeführt werden. Einige Bahnen experimentieren mit mobilen oder stationären Gyro-Speichern, also schnell laufenden Schwungscheiben, die von überschüssiger Energie beschleunigt werden und im Bedarfsfall Energie abgeben können. Im Vollbahnsystem macht ein neues Energiepreissystem erstmals die Kosten für den Strom transparent und regt zum Einsparen bzw. vermehrter Rückspeisung an. Auch im Nahverkehr mit Straßen- Stadt oder U/S-Bahnen bringt dies Vorteile. Für die Firma Siemens haben wir den METROMISER entwickelt, der den Fahrer unterstützt, den richtigen Abschaltzeitpunkt zu finden (Bild 12). Neben der Technik, der Ortung und Algorithmen war es besonders wichtig, die Akzeptanz der Fahrer zu gewinnen. Sie müssen diese Hilfe annehmen, dürfen aber nicht die Souveränität über ihr Fahrzeug verlieren. Die Binnen- und Seeschiffe werden vor allem durch die Zunahme ihrer Abmessungen immer energiegünstiger. Alternativen zum langsamlaufenden Schiffdiesel wie die Gasturbine oder der Atomreaktor haben sich nicht durchgesetzt. Auch die Schiffsform und Fortschritte in der Nautik leisten einen Beitrag. Die konstante Geschwindigkeit über lange Zeit erlaubt den betrieb der Motoren im optimalen Leistungsbereich. Durch Verwendung von billigen Schweröl spielen die Energiekosten auf dem Wasser jedoch eine untergeordnete Rolle. Auch im Luftverkehr sind bereits erhebliche Fortschritte gegenüber der Zeit der B707 mit ihren schwarzen Schleier beim Start erzielt worden. Neben dem geringen Lärm was Grundbedingungen für die Akzeptanz der heutigen Flugzeugmengen (Bild 15) waren haben neue Technologien und Betriebsweisen erheblich zur Reduktion des Energieverbrauches und damit der Kosten beigetragen. Die Forschung und die Industrie erwarten aber auch für die Zukunft in diesem Feld weitere Schritte und experimentieren mit konkreten Maßnahmen. So soll der noch intensivere Einsatz von kohlefaserverstärkten Kunststoffen nochmals zur Gewichtsreduktion beitragen (Bild 16). Durch bessere Flugführung werden Warteschleifen und Umwege vermieden. Ähnlich wie auf der Bahn werden die Flugzeuge frühzeitig angewiesen, ihren Flug zu beschleunigen oder zu verlangsamen, um gezielt in das Landezeitfenster einzutauchen. 33

7 5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Die Energieeffizienz im Verkehr hat sich in den letzten Jahren erheblich verbessert. Insbesondere die bisher nicht besonders umweltfreundlichen Systeme Luft und Straße haben aufgeholt. Jeder Verkehrsträger hat seine eigenen Randbedingungen und technischen Perspektiven. Mobilität als Anspruch ist Ausdruck des modernen Lebens und der Freiheit. Die spezifische Mobilität in Fahrten je Person wird angesichts der zunehmenden Freizeitaktivitäten eher wachsen. Der Gesamtverkehrsumfang wird durch die Bevölkerungsentwicklung und die europäische Integration beeinflusst. Die Reise- und Transportweiten werden erheblich zunehmen. Die Forschung und Entwicklung wird auch weiterhin Impulse dazu liefern, die zahlreichen Innovationsmöglichkeiten zur Energieverbrauchsreduktion zu realisieren und damit die Energieeffizienz zu steigern. Bei den derzeitigen Marktbedingungen ist allerdings die Akzeptanz bei den Betreibern und Kunden, für die Umwelt mehr zu bezahlen, (noch) nicht besonders ausgeprägt. Daher ist es für viele sinnvolle Innovationen schwierig, den Weg in die breite Praxis zu finden. 34

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