Zug der Zukunft Next Generation Train - NGT. Dr.-Ing. Joachim Winter Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart

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1 Next Generation Train - NGT Dr.-Ing. Joachim Winter Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart

2 175 Jahre Eisenbahn 1835 Nürnberg Fürth Der Adler Lokomotive; Einzelachsen; Dampfantrieb 15 KW 28 (65) km/h; mechanische Spindelbremse; Laufleistung meist Einsatz von Pferden Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 2

3 100 Jahre Elektromobilität Strecke Dessau Bitterfeld (Freigabe 01. April 1911) Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 3

4 Schnelltriebzug DRG Bauart Köln - Linke-Hofmann, Breslau Stromlinienförmiger Steuerwagen; Einzelachsen; dieselelektrischer Antrieb 882 KW 160 km/h; Magnetbremsen Bremsweg 800m; Laufleistung km/monat Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 4

5 2035 Hamburg Dammtor abfahrbereit Stromlinienförmiger Doppelstock-Steuerwagen; Einzelräder; elektrischer Antrieb 18 MW 400 km/h; aerodyn. + Magnetbremsen Bremsweg 8 km; Laufleistung km/monat Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 5

6 Neun beteiligte DLR-Institute Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Institut für Fahrzeugkonzepte Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin Institut für Verkehrssystemtechnik Institut für Robotik und Mechatronik Institut für Werkstoffforschung Flughafenwesen und Luftverkehr Schnittstellen zu den Kristallisationsthemen Next Generation Railway System - NGRS Neuartige Fahrzeugstrukturen - NFS Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 6

7 Anforderungen Normen und Gesetze Betriebsanforderungen Betreiber Nutzlast Kosten Verschleiß LCC und LCA usw. LCC life cycle costs LCA life cycle assessment Technik Einsatzgeschwindigkeit Antriebskonzept Modularisierung Wagenkastenbau usw. Infrastruktur Fahrweg Bahnsteig Energieversorgung Leittechnik usw. Betriebsanforderungen Fahrgast bzw. Kunde Personenverkehr (Nah-, Regional-, Fern-) Ein-, Ausstieg Komfort Güterverkehr Nutzlast usw. Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 7

8 Entwicklung der Höchstgeschwindigkeiten Triebwagenzüge Zug der Zukunft

9 Themen und Ziele 1. Erhöhung der zugelassenen Geschwindigkeit auf 400 km/h (wiss. Untersuchungen zu 600 km/h) 2. Halbierung des spezifischen Energieverbrauchs gegenüber dem ICE 3 bei 300 km/h 3. Lärmreduktion 4. Komfortsteigerung 5. Verbesserung der Fahrsicherheit 6. Verbesserung des Verschleißverhaltens und Lebenszykluskosten 7. kosteneffiziente Bauweisen durch Modularisierung und Systemintegration 8. Effizienzsteigerung von Entwicklungs- und Zulassungsprozessen Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 9

10 Vorgehensweise konsequenter innovativer aerodynamischer Entwurf Erhöhung der spezifischen Sitzplatzkapazität mechatronisches Einzelrad-Einzellaufwerk aerodynamische Steuerflächen Multi-Material-Design mit neuen Materialsystemen modulare Bauweisen innovative Fügetechnik Systemintegration Zusammenarbeit mit Standardisierungsgremien Schienenfahrzeugherstellern Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 10

11 Fahrzeugtypen Ultra-Hochgeschwindigkeits-Triebwagenzug NGT HGV Schneller InterCity-Triebwagenzug NGT REGIO Schneller Güter-Triebwagenzug NGT CARGO Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 11

12 Wettbewerb Luftfahrt Eisenbahn 6 Einfluss der Zugangszeit Hochgeschwindigkeits- Schienenverkehr wettbewerbsfähig < 800 km Travel Time [h] Travel Distance [km] NGT HSR Air Traffic Air Traffic Fahrgast 0:15 3:15 0:15 A Zugang Zugfahrt Abgang B Passagier 0:15 0:30 0:45 1:00 0:30 0:30 0:15 A Zugang Zubringer Flug Gepäck Zubringer Check-In / Sicherheit Abgang B Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 12

13 Innovatives Triebzugkonzept Wagenkasten Verschiedene Spantbauweisen mit Sandwich-Ausfachungen Ein- und Ausstiege 2x Türen Fahrgastflussanalyse 8x Wagenübergänge neuartiges Konzept zur Verringerung der Wagenübergangslänge trennbare, autonom fahrbare Einheiten Endwagen Tunneleintritt-Nase Aerodynamische Seitenwindstabilität 202 m 202 m optisch gekuppelt 21 m 20 m 8x diese Wagen werden im Halbzug als 8 Mittelwagen eingesetzt Fahrwerke Einzelrad-Doppellaufwerke Einzelrad-Einzellaufwerke mechatronische Räder Maschinen- und Gepäckbereich Innenausstattung FKV mit Naturfasern LFI-Verfahren mit PUR Akustik und Klimatisierung Betriebskonzept dynamisches Flügeln Fahrerassistenz Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 13

14 Systementwicklungs-Prozess Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 14

15 Steuerkopf: Triebfahrzeugführerstand Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 15

16 Mittelwagen: Modularisierung und Bauweisen Modularer Aufbau (Endmodul, Fahrwerk-Modul, Fahrgastmodul) Kombination unterschiedlicher Bauweisen Fachwerk-, Rahmenbauweise im Prinzip der Wabenröhre (Fahrwerk-Modul) faserintensives Segment aus verstärkten Sandwich-Elementen (Fahrgastmodul) Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 16

17 Mittelwagen: Einzelrad-Einzelfahrwerk Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 17

18 Energiemanagement Antrieb Antriebsleistung 18 MW keine Stromabnehmer Hilfsantrieb für Überführungsfahrten Bremsen Fahrerassistenz aerodynamisch 2x Wagenkasten 8x Leichtbau spart pro Tonne bis 1 KWh/100 km ein Steuerkopf optisch gekuppelt Funk Datenübertragung 202 m 21 m 20 m 202 m 8x diese Wagen werden im Halbzug als 8 Mittelwagen eingesetzt Steuerkopf-Fahrwerke 8 Einzelrad-Doppellaufwerk 8 Antriebsmotor 510 KW und Getriebe induktive Stromaufnahme autonom fahrbar Mittelwagen-Fahrwerke 4 Einzelrad-Einzellaufwerke radnaher Motor 260 KW induktive Stromaufnahme autonom fahrbar Bremsen generatorisch mechanisch radintegriert Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 18

19 Antriebskonzept: Motoren Seitenansicht Package Triebkopfmotor Triebrad Triebrad Schiene 1400 mm ICE 3 ICE mm 1250 mm 4400 mm Draufsicht Package Triebkopfmotor 1435 mm Next Generation Train 20

20 Antriebskonzept: Beschleunigung (DYMOLA) Beschleunigung auf Geschwindigkeit Weg Zeit [km/h] [km] [s] Next Generation Train

21 Bremskonzept: Betriebsbremsung (DYMOLA) Fahrwiderstand Generatorische Bremse Aerodynamische Bremse Wirbelstrombremse => Verschleißfrei und meist zurückspeisend Bremskraft in kn Fahrgeschwindigkeit in km/h Fahrwiderstand (15 km/h Rückenwind) Wirbelstrombremse Schnellbremsung (mit Gefälle) Generatorische Bremse Aerodynamische Bremse Betriebsbremsung (mit Gefälle) 22 Next Generation Train

22 Bremskonzept: Schnellbremsung (DYMOLA) Zusätzliches Bremssystem notwendig Reibungsbremse, Scheibenbremse Bremskraft in kn V < 50 km/h Bremskraft und weg nicht eingehalten Fahrgeschwindigkeit in km/h Fahrwiderstand (15 km/h Rückenwind) Aerodynamische Bremse Schnellbremsung (mit Gefälle) Wirbelstrombremse Rad-Schiene-Kontakt Betriebsbremsung (mit Gefälle) 23 Next Generation Train

23 Bremsweg Bremswege für verschieden Ausgangsgeschwindigkeiten (reiner Bremsweg, ohne Betätigungsdauer te) Bremsweg [m] Bremsweg NGT Schnell Bremsweg TSI Schnell Ausgangsgeschwindigkeit [km/h] Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 24

24 Tunnel- und Seitenwind-Windkanal Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 25

25 Tunnel-Windkanal Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 26

26 LCC Berechnungen am NGT Betrieb & Umfeld Komponenten Fahrzeug Rad-Schiene Verschleiß Leichtbau Doppelstock Einzelräder Energieübertragung Material & Fertigung Bauteilverschleiß/ -alterung Reparatur & Wartung Energieverbrauch Rückspeisung Personalbedarf Lebenszykluskosten Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 27

27 Potential der Fahrgastzahlen in Europa Verhältnis zwischen der Verkehrsanbindung und den sozioökonomischen Eigenschaften (multiple regression model) 401 Verbindungen in Europa berechnet Geschwindigkeitserhöhung um 20 %: nationale Strecken: + 27 % internationale Strecken: + 34 % F ij = β 0 β1 ( P P ) ( W W ) i Bevölkerung j i BIP j β 2 Entfernung v β d ij 100 ij Reisezeit 3 Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 28

28 Abschätzung von Infrastrukturkosten mittels GIS Berücksichtigung von unterschiedlichen geographischen Gegebenheiten Widerstände des Streckenbaus: Bevölkerungsdichte, Geländeverlauf, Gewässer Einfluss der Baukosten Reibwert- Karte Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 29

29 Zug der Zukunft Betriebskonzept: HSL Paris - Wien Heutige Situation Szenario mit 6 Halten Szenario mit existierenden Bahnstrecken Transparency 30 Next Generation Train

30 Zusammenfassung Doppelstock-Hochgeschwindigkeitszug Zug der Zukunft leicht energieeffizient leise fahrgastfreundlich verschleißarm im Rad/Schiene-Kontakt Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 31

31 technische Designstudie

32 Unterdeck / 2. Klasse / Durchgang Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 33

33 Unterdeck / 1. Klasse Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 34

34 Oberdeck / 1. Klasse Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 35

35 Dr. Joachim Winter Neuartiges HGV Zugkonzept Folie 36

36 Next Step Next Generation Train Transparency

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Verkehr