Einsatzpotenzial hybrider Antriebe im deutschen Schienenpersonennahverkehr (Studie für NOW - aktueller Stand)
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DLR.de • Folie 1
Einsatzpotenzial hybrider Antriebe im deutschen
Schienenpersonennahverkehr (Studie für NOW – aktueller Stand)
Johannes Pagenkopf, Mathias Böhm, Toni Schirmer
DLR - Institut für Fahrzeugkonzepte
6. NOW-Konferenz Elektromobilität vor Ort
Stuttgart, 26.03.2019
DLR.de • Folie 2
Marktanalyse alternative Antriebe im SPNV in Deutschland
DLR-Studie für die NOW
• Hintergrund:
• Ermittlung Einsatzpotentiale hybrider Antriebe im
SPNV
• Bearbeitungszeitraum:
• Januar – Q3 2019
• Fokus:
• Marktübersicht Hybridfahrzeuge
• Analyse Diesel-SPNV-Linien
• Einfluss Elektrifizierung auf Eignung hybrider
Antriebe
• Abschätzung Marktpotential Hybridfahrzeuge
• Berücksichtigung parallel laufender Studien:
• Voll-&Teilelektrifizierung (PTV, TUD, TUB)
• Begleitforschung X-EMU (VDE)
• FCHJU–Fuel Cell Trains study (Roland Berger)
DLR.de • Folie 3
100% Datenquellen: UIC Railisa, Eurostat
20.000 100%
90%
17.740
Länge nicht-elektrifete Linien (km)
18.000 90%
AP 0: D-Traktion und 16.000 76% 75%
73% 71% 71% 80%
Elektrifizierungsgrad
14.000 64% 64% 70%
62% 12.449
Elektrifizierung im SPNV 12.000
10.000
59%
56%
54% 56% 11.358
50%
47%
44%
10.770 60%
50%
41% 39%
37% 37%
8.000 7.258 34% 34% 34% 34% 40%
5.784 6.042 6.736
6.000 4.793 6.328 24% 22% 30%
• 54% (60%)* des deutschen Schienennetzes sind elektrifiziert 4.000
2.000
3.0582.698
1.565
1.160907
1.675
2.595
2.039 1.635
2.457
1.708
4.24413% 13%
1.7591.786
20%
10%
1.609 901
europäisches Mittelfeld 0
1 25 271 599 449 8% 8%
0%
Länge nicht elektrifiziertes Netz (km) Elektrifizierungsgrad
• 680,5 Mio. SPNV-Zug-km (E+D-Traktion) im Jahr 2017 Bremen 30
Saarland 71
Elektrisch (Mio. Zug-km)
SPNV-Dieseltraktion
Bildquelle: DB Regio
• davon in D-Traktion: 36% (ca. 240 Mio. Zug-km)**
(https://www.dbregio.de/db_regio/view/mdb/
Hamburg 14 1 Diesel (Mio. Zug-km) db_regio/zukunftswerkstatt/mdb_278211_un
ter_strom.pdf)
Meckl.-Vorp. 9 8
• D-Betrieb heute in Teilabschnitten unter OL Thüringen 6 16
Schleswig-Holstein 9 17
Sachsen-Anhalt 16 10
Sachsen 21 17
Rheinland-Pfalz 21 18
• Elektrifizierungsziel des Bundes: 70% Hessen
Niedersachsen
37
34
15
20
• strecken- und fahrzeugseitige Maßnahmen Berlin-Brandenburg
Baden-Württemberg
61
53
11
27
• Untersetzung im BVWP sowie durch zusätzliches
Nordrhein-… 75 32
Bayern 73 51
Bundes-Elektrifizierungsprogramm 0 50 100
SPNV-Betriebsleistungen (Mio. Zug-km)
150
• konkrete Projekte und Finanzierung noch offen Datenquelle: BAG-SPNV 2018
* Nach UIC: 60 % (Bezug nur Strecken des Bundes – DB AG ), ** Nach BAG-SPNV
Nach Destatis: 54 % (gesamtes EBO-Netz inkl. NE-Bahnen).
DLR.de • Folie 4
AP 1: Antriebskonzepte für den SPNV
Fahrzeug- und Infrastrukturoptionen
• Art der Traktionsenergiezuführung ist
zentrales Unterscheidungsmerkmal:
• Dieseltankstelle
• Oberleitung/Ladestation
• Wasserstofftankstelle
Nomenklatur:
• DMU – Dieseltriebzug
• EMU – Oberleitungs-Elektrotriebzug
• BEMU – Oberleitungs-Batterie-Hybrid-Triebzug
• FCEMU – Brennstoffzellen-Hybrid-Triebzug
• DHEMU – Dieselelektrischer Hybrid-Triebzug
MU = Multiple Unit (Triebzug)
(Auswahl, weitere Antriebskonzepte sind grundsätzlich möglich)
DLR.de • Folie 5
AP 1: Hybridfahrzeuge im SPNV
Antriebstopologien (beispielhaft): Bisher nicht (in D) umgesetzt:
Hybridisierte Fahrzeuge EMU BEMU BEMU + FC
für den SPNV
in der Zulassung oder
bereits im FG-Einsatz
DHEMU: Siemens Desiro Eco-train Hybrid BR 642
(www.railjournal.com)
BEMU: Siemens Cityjet eco (Prototypumbau eines
DHEMU FCEMU BEMU + D(H)
BEMU: Stadler FLIRT Akku BR 427 (Quelle:
EMU Desiro ML) (Quelle: Siemens 2018)
https://railway-news.com)
BEMU: Bombardier Talent 3 BEMU BR 442 FCEMU: Alstom iLINT BR 654
(Quelle: Bombardier) (Quelle: Alstom)
Variante Batterieladung
auch zusätzlich extern
via Pantograph über
Oberleitung denkbar.
Weitere Antriebskonzepte denkbar. Topologien der Fahrzeuge weichen ggf. von den dargestellten Topologien ab.
HBU: Hilfsbetriebeumrichter.
DLR.de • Folie 6
NAH.SH – Netz Ost + Nord
~52 Züge (technologieoffen)
~10 Mio. Zug-km/a
Betriebsaufnahme: 2022/23
Vergabeverfahren & Pilotprojekte
für Hybridtriebzüge im SPNV
Weser-Elbe Netz (LNVG)
2 FCEMU im Probebetrieb seit 2018 VBB – Heidekrautbahn
14 FCEMU ab Dez. 2021 7 FCEMU (100 % EE-H2)
~0,65 (bis 1,3) Mio. Zug-km/a
• Erste Vergabeverfahren für Betriebsaufnahme: Dez. 2022
Niederrhein-Münsterland (VRR)
Fahrzeuge mit Hybridantrieben laufen >50 Züge (technologieoffen)
Betriebsaufnahme: Dez. 2024
derzeit
-> technologieoffen
-> spezifisch BEMU oder FCEMU
Taunusnetz (RMV)
• Zusätzliche Pilotprojekte für zeitlich
~26 FCEMU
Betriebsaufnahme: Dez. 2022
befristete Testbetriebe mit (einzelnen)
Fahrzeugen in Vorbereitung RB 72 (ZPS)
6 BEMU / ~0,5 Mio. Zug-km/a
Betriebsaufnahme: Dez. 2021 Geplanter Probebetrieb mit
einzelnen Hybridfahrzeugen
DHEMU / FCEMU / BEMU
Pfalznetz (ZSPNV Süd) (u. a in Bayern und BaWü)
Antriebsart wird noch festgelegt
Betriebsaufnahme: Dez. 2021
Ortenaunetz (NVBW)
10-15 Züge (technologieoffen)
~2 Mio. Zug-km/a
Betriebsaufnahme: Dez 2021
(kein Anspruch auf Vollständigkeit)
Stand März 2019
DLR.de • Folie 7
AP 1: Charakteristika von Diesel- und Hybridfahrzeugen
Spannbreite typische Fahrgäste/Zug im SPNV (Durchschnitt) //
BEMU tägliche km je Diesel- Quelle: VDE 2019/SCI 2012
Fahrzeug im SPNV
• Reichweiten BEMU/FCEMU mit einer Tankfüllung FCEMU DMU 25
/Batterieladung geringer als von DMU Verteilung
EMU 112
Nachlade-/Betankungsinfrastruktur entscheidend DMU
0 50 100 150
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Fahrgäste
km
Reichweiten der Antriebskonzepte vor Nachladung bzw. Daten nach VDE-XEMU-Workshop, 27.02. mit Zahlen
• Ca. 2.500 Dieseltriebzüge (DMU) in Betrieb, Betankung von Leenen (Fahrzeugfinanzierung im SPNV, 2012)
Neufahrzeuge i.d.R. 2- und 3-Teiler 16 Bombardier Talent 3 BEMU
Spezifische Leistung am Rad (kW/t)
(Betrieb unter OL)
14
• Auf Nebenstrecken oft kleine Gefäßgrößen im Grafik aktualisieren
12 VT 650 (RegioShuttle)
Einsatz (1-Teiler analog RS 650), HVZ in 10 VT 612 (RegioSwinger)
VT 648/623 (Lint 41) Stadler Akkuflirt
Mehrfachtraktion 8
Bombardier Talent 3 BEMU
• Spez. Leistung DMU tlw. 10 kW/t, 6 VT 642
(Desiro)
(OL-freier Betrieb)
Alstom iLINT
VT 628
Hybrid-Fahrzeuge: 7-9 kW/t (Prototypfahrzeuge) 4
Anzahl D-Triebzüge in Deutschland (2018)
2
500 100
• Fahrpläne sind auf (teilweise sehr spurtstarke) 0
Bestandsfahrzeuge ausgelegt 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Fahrzeuglänge (m)
(Ansatz Eigenmasse/Dienstmasse, spez. Leistung am Rad (psch. Ansatz Wirkungsgrad Kraftübertragung: 80 %;
Daten für Hybridfahrzeuge tlw. geschätzt)
DLR.de • Folie 8
AP 2: Bewertungskriterien für den Einsatz hybrider Antriebe (Auswahl)
• Technische Machbarkeit, LCC und CO2
• Elektrifizierungsgrad der Linien
• Sektorenkopplung, Synergieeffekte gemeinsamer H2-Distributionsinfrastrukturnutzung
• Elektrifizierungsschwierigkeiten, Fahrzeugumrüstbarkeit auf reinen Oberleitungsbetrieb
• Freiheitsgrade:
• Fahrzeugtechnik (Speicherenergie auf Fahrzeug)
• Infrastruktur (Anzahl und Anordnung von Nachladeinfrastruktur bzw. Wasserstofftankstellen)
• Betriebsprogramm (Netz- und Linienzuschnitt, Umlaufplanung, Wendezeiten)
• Hybride Antriebe kein Ersatz für (ohnehin geplante) weitere Streckenelektrifizierung, Kriterien:
• verkehrliche Bedeutung (Knotenpunkte, Umleiter-/Entlastungsstrecken, Schaffung elektrif. Korridore)
• Ggf. sind Hybridfahrzeuge auch als Übergangslösung bis zu einer Komplettelektrifizierung denkbar
• Grundsätzlich:
BEMU/FCEMU-Eignung stets für jeweiliges Ausschreibungsnetzes konkret und detailliert
zu betrachten (Betriebs- und Energiesimulation)
DLR.de • Folie 9
AP 2: Elektrifizierung des SPNV-Liniennetzes (heute)
Heterogenes Elektrifizierungsmuster
• Elektrifizierungseigenschaften erster Anhaltspunkt für Bewertung BEMU-Vorteilhaftigkeit
• zu überbrückende nicht-elektrifizierte Streckenlänge
• Anzahl und Verteilung der vorhandenen Nachladeabschnitte
Anzahl Diesel-SPNV-Linien
• Linien- und Umlaufplangestaltung; Nachladedauer & -länge
Aanzahl Linien
Abschnitt ohne Oberleitung
Ausschnitt
Abschnitt mit Oberleitung
Länge Abschnitt (km)
Anteil Oberleitungselektrifizierung an kompletter Streckenlänge
• 57 % der Linien zu weniger als 1/10 der
Länge elektrifiziert
In der Studie: Aktualisierung Liniendaten
anhand geplanter Elektrifizierung und
Diesel-SPNV-Linien in Deutschland (nach Linienlänge, absteigend sortiert) Neukonzessionen
Aus: Pagenkopf, Johannes und Boehm, Mathias und Haas, Jan Lucas und Friedrich, Horst E. (2018) Analysis of German diesel operated regional railway lines' patterns with regard to the application of battery
and fuel cell electric trains. The Fourth International Conference on Railway Technology - Railways 2018, 3.-7. Sept. 2018, Sitges, Spanien.
DLR.de • Folie 10
AP 2: Weitere Schritte
Klassifizierung Linien/Netze & Auswertung Konzessionen
• Analyse SPNV-Linien und Netze in Bezug auf Elektrifizierung
Beispielnetz Ostbrandenburg Los 2
• Stand 2019
209.12 209.25 209.26 209.54 209.54
RB 54
Abschnitt mit OLA
• BVWP-Vorhaben, Elektrifizierungsprogramm Bund
Löwenberg (Mark) - Rheinsberg (Mark) 0,5 37,6
Abschnitt nicht elektrifiziert
RB 54
Berlin-Lichtenberg - Löwenberg (Mark) – Rheinsberg (Mark) 54 37,6
RB 26
Berlin-Lichtenberg – Müncheberg – Kostrzyn 3,3 72,1
• Fahrzeuganzahl 2019 und Horizont Neubeschaffungen
RB 25
Berlin Ostkreuz - Berlin-Lichtenberg - Werneuchen 6,2 24,1
RB 12
Berlin Ostkreuz – Löwenberg (Mark) – Templin Stadt 56,4 34,4
• Auswertung anstehender Konzessionen mit Diesel- [km] 0 25 50 75 100
/Hybridfahrzeugen (Jahr, Zug-km, Linien,…)
100%
90% Netz Ostbrandenburg Los 2
80% O - Start- und
Elektrifizierungsgrad
70% Endbf nicht
RB 12 elektrifiziert
60%
RB 54
50% 1 - Start- oder
Endbf
40%
elektrifiziert
30%
RB 25
20% 2 - Start- und
Endbf
10% elektrifiziert
RB 54 RB 26
0%
0 20 40 60 80 100 120 140
Länge des längsten nicht-elektrifizierten (Teil)Abschnitts [km]DLR.de • Folie 11
AP 3: Weitere Schritte
Detailanalyse ausgewählter Linien in Bezug auf Eignung BEMU/FCEMU
Auswahl Hybridfahrzeugkonfigurationen
mit variablen Batteriekapazitäten, derzeitige Auswahl:
- 3-Teiler mit JDG (52-58 m, ~120 t, 1000 kW),
- Optional:
- 2-Teiler mit JDG (40-47 m, ~90 t, 800 kW)
Noch zu definieren: weitere Fahrzeug-& Umlaufparameter Prüfung generalisierbare Aussagen auf
Gesamtliniennetz
Panto Batterie
BZ H2-Tanks
Batterie
…DLR.de • Folie 12
AP 4: Weitere Schritte
Abschätzung Marktpotential für Hybrid-Fahrzeuge bis 2030
• Berücksichtigung Ausschreibungen neue Netze (Diesel-/ alternative Antriebe)
• Fahrzeug-Neubeschaffungsbedarf in den VergabenetzenDLR.de • Folie 13
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Fahrzeugkonzepte
johannes.pagenkopf@dlr.de
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