Batterieelektrischer Schienenverkehr: Möglichkeiten und Herausforderungen. Prof. Dr.-Ing. habil. J. Siegmann, Prof. Dr.-Ing. D.

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1 Batterieelektrischer Schienenverkehr: Möglichkeiten und Herausforderungen Prof. Dr.-Ing. habil. J. Siegmann, Prof. Dr.-Ing. D. Göhlich

2 Agenda Nichtelektrifizierter Verkehr in Deutschland Diesel vs. (B)EMU Randbedingungen und Streckenauswahl Akkutriebwagen in Deutschland Elektrifizierung Busse Lademöglichkeiten Ausblick Batterietechnologie Technische Machbarkeit Seite 2

3 Fachgebiet Schienenfahrwege und Bahnbetrieb Fachgebietsleitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Siegmann Forschungsschwerpunkt Energieeffizienter Bahnbetrieb Stärkung der Elektromobilität Einbindung von energieeffizienter Fahrweisen in Eisenbahnbetriebssimulationen Entwicklung eines energieoptimalen Leit-und Störfallmanagements Auswirkungen von Dispositionsentscheidungen auf den Energieverbrauch Kommunikation zwischen Fahrzeugen, Infrastruktur und Disposition (v.a. Positionsbestimmung, vorausschauendes Fahren) Quelle: FG SFWBB Seite 3

4 Nichtelektrifizierter Verkehr in Deutschland Ca. 40% der Eisenbahnstrecken nicht elektrifiziert insbesondere Nebenstrecken 2012 wurden 12 % der Verkehrsleistung im Reisezugverkehr mit Dieseltraktion erbracht Erhebliche Investitionen für Elektrifizierung einer Strecke nötig, rentabel erst ab einem entsprechenden Verkehrsaufkommen. Nahverkehr bietet Potential für Alternativen zum Diesel Ausnutzung der Vorteile elektrisch betriebener Bahnen Quelle: FG SFWBB Quelle: FG SFWBB Seite 4

5 Diesel vs (B)EMU Luft- und Lärmverschmutzung Geringere Life-Cycle- Kosten für EMU Steigende Dieselpreise Elektrische Alternative für nichtelektrifizierte Strecken Emissionsreduktion Hohe Elektrifizierungskosten Nutzung erneuerbarer Energien Seite 5

6 Grundlegende Randbedingungen von Strecken Infrastrukturell Distanzen Steigung Grad der Elektrifizierung Lademöglichkeiten Leit- und Sicherungstechnik Quelle: IRFP Quelle: Eisenbahnatlas Betrieblich Anzahl der Halte Halteabstände Haltezeiten Wendezeiten Flexibilität des Fahrplans Seite 6

7 Modellstrecke Regionalverkehr Strecke Steinach Rothenburg ob der Tauber 11 km Länge 54 m Höhendifferenz Halte: 4 Ø Halteabstand: 3,3 km Regionalbahn im Stundentakt Quelle: Traulsen, Akkutriebwagen, S. 80 Quelle: openrailwaymap.org Seite 7

8 Akkutriebwagen in Deutschland Geschichte in Deutschland Einsatz ab ca Wittfeld-Triebwagen (preuß. Staatsbahn) Beschaffung in größeren Stückzahlen Entwicklung neuer Fahrzeuge in der BRD nach 1945 Quelle: Troche, Akkumulatortriebwagen, S. 206 ETA 150 Einsatzzeit 1950er bis 1990er Anzahl: 232 Triebwagen, zusätzliche Steuerwagen Akkukapazität: 520 kwh in Bleibatterien Traktionsleistung weit unter heutigen Standards Laden über Nacht mit Kabeln an festen Ladestationen Keine Bremsenergierückspeisung Quelle: Sammlung Klaus Wedde Seite 8

9 Forschung am Fachgebiet MPM Fachgebietsleitung Sprecher des Forschungscampus Mobility2Grid Prof. Dr.-Ing. Dietmar Göhlich Arbeitsgruppe Electric Transport Solutions Seite 9

10 38 Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft > Akzeptanz und Partizipation > Smart Grid Infrastrukturen > Vernetzte e-mobilität > Bus- und Wirtschaftsverkehr > Bildung und Wissenstransfer > Digitale Räume > Betrieb und Verwertung Seite 10

11 Die beste Technologie gibt es aktuell (noch) nicht! (Partielle) Oberleitung Pantograph Wasserstoff Induktion Plug-In Quelle: larsbrueggemann.de Quelle: conductix.com Quelle: bus-bild.de, Felix Henkel Quelle: Quelle: itravelyork.info windkraft-journal.de Seite 11

12 E-Bus Berlin: Daten und Fakten 4x Solaris Urbino 12 electric Linie 204 Zoologischer Garten Südkreuz Live-Karte unter Batteriekapazität Zellentyp Ladeleistung Antrieb Antriebsleistung Leergewicht 90 kwh Li-Ion NMC 200 kw Zentralmotor 160 kw/218 PS kg Ladestation Zoo 6,1 km 18 Haltestellen alle 20 Minuten Ladestation Südkreuz Seite 12

13 Ausblick Energiespeicher Leistungsdichte (W/kg) Energiedichte (Wh/kg) Quelle: Carbon surface functionalities and SEI formation during Li intercalation, Carbon, Volume 92, 2015, Seite 13

14 Ausblick Energiespeicher Ab 2020 Energiedichte von >200 Wh/kg (Zelle) Quelle: NPE: Roadmap integrierte Zell- und Batterieproduktion Deutschland, 2016 Seite 14

15 Technische Machbarkeit von batterieelektrischen Zügen Kennzahlen + Leistungsparameter Streckenart Ebene Mittelgebirge Streckenlänge S 10 km 20 km Haltestellenabstände 3 km 4 km Steigung Energiebedarf E 4 kwh / km 16 kwh / km Antriebsleistung < 1 MW 2 MW Akkukapazität 200 kwh 750 kwh Batterietyp Li-Ion NMC Li-Ion NMC Batteriegewicht 2 t 7,5 t Ladeleistung 300 kw 1000 kw Ladezeitfür E x S ohne Zwischenladen 8 min 19 min Quelle: Traulsen, Akkutriebwagen; Krause/Zimmermann, Energieeffizienter Bahnbetrieb Seite 15

16 Projekt BEMU Ziele Untersuchung der Anwendung von Batterietechnologie in Elektrotriebzügen Entwicklung, Umbau und Zulassung eines Batterietriebzuges Erprobungs- und Testbetrieb Wirtschaftlichkeitsuntersuchung und Umweltbilanz Projektpartner Bombardier Transportation TU Berlin mit den Fachgebieten Schienenfahrwege und Bahnbetrieb sowie Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik assoziierte Partner SWEG und Nahverkehrsgesellschaft Baden- Württemberg Förderung durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur Seite 16

17 Vom Diesel- zum emissionsfreien Batterie-elektrischen Triebzug Quelle: Flickr, chrisbell50000 Quelle: Badische Zeitung Seite 17