Im Rahmen des Projektes „Next Generation Train“ (NGT) erforscht das DLR zukunftsweisende Schienenfahrzeugkonzepte. Am Beispiel des doppelstöckigen Zubringer-Personenzuges NGT LINK wurde für teilweise nicht elektrifizierte Strecken ein neuartiges Antriebskonzept entwickelt.
Ausgangslage
Rund die Hälfte des europäischen Eisenbahnnetzes ist nicht elektrifiziert. Diese Strecken werden derzeit fast ausschließlich mit Dieseltraktion bedient, wobei es zu unerwünschten lokalen Emissionen (CO2, Partikel, Kohlenwasserstoffe, Stickoxide) kommt. Eine vollständige, konventionelle Elektrifizierung dieser Strecken mit einer Oberleitung ist aufgrund geringer Streckenauslastung oder baulicher Einschränkungen häufig nicht wirtschaftlich.
Um trotzdem das gesteckte Klimaziel der UIC, den CO2-Ausstoß bis 2030 um 50% zu reduzieren, erreichen zu können, forscht das DLR auch an Antriebskonzepten für den lokal emissionsfreien Betrieb auf bisherigen „Dieselstrecken“.
Ziele für das neuartige Antriebskonzept des NGT LINK:
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Modulares und skalierbares Antriebskonzept für einen flexiblen Fahrzeugeinsatz
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Steigerung der Energieeffizienz durch Rekuperation von Bremsenergie
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Vermeidung von lokalen Emissionen
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Reibungsloser Übergang von aktuell nicht elektrifizierten Strecken auf zukünftige Systeme
DLR-Ansatz:
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Kombination von Teilelektrifizierung und Fahrzeugseitigem-Energiespeicher
Antriebskonzept und -varianten für den NGT LINK
Das Antriebssystem des NGT LINK ist primär für den Betrieb auf nicht elektrifizierten Strecken mit punktueller oder partieller externer Energieversorgung ausgelegt, wobei die externe Energieversorgung berührungslos mit einem induktiven Energieübertragungssystem (IETS) erfolgt. Das Antriebskonzept basiert auf der Verwendung von fahrzeugseitig verbauten Energiespeichern, deren Kapazität – und damit auch Masse und Bauraumbedarf – durch externes Nachladen an Bahnhöfen bzw. während der Fahrt gering gehalten wird. Wird auf zusätzliche Nachlademöglichkeiten verzichtet, wird die Energieversorgung fahrzeugseitig durch sogenannte Range-Extender-Module (REX) basierend auf Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle gewährleistet. Optional kann der Betrieb auf mit Oberleitung elektrifizierten Strecken durch den Einsatz zusätzlicher Antriebsmodule realisiert werden.
Die Hauptstromanlage des Fahrzeugs ist so konzipiert, dass alle Zusatzoptionen im Fahrzeug implementiert werden können. Die Energieversorgung durch Energiespeicher sowie die Antriebstechnik (Umrichter und Fahrmotoren) sind über den gesamten Zug verteilt, so dass die einzelnen Wagen flexibel trenn- und austauschbar sind.
Durch die Festlegung einer induktiven Energieübertragung (IETS) als primäre externe Energieversorgungsvariante resultiert eine Basiskonfiguration des NGT LINK mit IETS-Pickup-Modulen, Energiespeicher- und Antriebsmodulen.
Migrationsstrategie für den Einsatz neuartiger Antriebssysteme
Die Migration des neuartigen Antriebskonzepts in die bestehende Infrastruktur wird ausgehend vom Status quo in drei Stufen vorgenommen.
Die 1. Stufe kann bereits jetzt und ohne Veränderung der Infrastruktur in Form von Hybridfahrzeugen mit Brennstoffzellen- oder Diesel-REX-Modul umgesetzt werden.
Die 2. Stufe sieht eine sukzessive Elektrifizierung der Bahnhöfe vor, wodurch auf das REX-Modul verzichtet werden kann.
Die 3. Stufe stellt den Übergang zum dynamischen Laden dar, wozu eine IETS-Teilelektrifizierung der Strecke in Abschnitten mit besonders hohem Leistungsbedarf erfolgt. Hierbei kann eine signifikante Einsparung an fahrzeugseitig installierter Batteriekapazität erreicht werden.
Demonstrator zur Visualisierung von Energieflüssen im Fahrzeug
Für die Visualisierung von Energieflüssen im Fahrzeug setzt das DLR einen Demonstrator ein, der das Antriebskonzept des NGT LINK darstellt.
Zur Simulation des Antriebssystems wurde das vom DLR erstellte Modelica-Modell des NGT LINK als Functional Mock-Up Unit (FMU) in den Demonstrator eingebunden und mit den Visualisierungen der Zugfahrt sowie der fahrzeugseitigen Leistungs- und Energiebedarfe gekoppelt. Der Nutzer hat die Möglichkeit, das Fahrzeug über einen Fahr-/Bremshebel zu steuern. Außerdem können verschiedene Parameter, wie z.B. die Batteriekapazität, die Auslastung der Hilfsbetriebe und die Ladeleistung variiert werden. Somit bietet der Demonstrator dem Anwender die Möglichkeit, das Antriebssystem des NGT LINK virtuell zu steuern.