Marktanalyse alternativer Antriebe im deutschen Schienen-personennahverkehr
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BZ + –
Pantograph
DC DC
HBU
DC DC
NSR ASR
AC DC
DC
Trafo
Marktanalyse alternativer
DC Antriebe im deutschen Schienen- FM
personennahverkehr
AC2 3
BZ
H₂-Tank
Zielsetzung der Studie
+ –
Traktionsbatterie
Im Auftrag der NOW GmbH wurde durch das Institut für Fahrzeug
konzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. das
Marktpotenzial alternativer Antriebe für Fahrzeuge im deutschen
Schienenpersonennahverkehr (SPNV) analysiert. Als Ersatz für
dieselbetriebene Triebzüge (engl.: Diesel Multiple Unit – DMU)
werden dafür schwerpunktmäßig die Potenziale von Batterie-
DC DC
Oberleitungshybridtriebzügen (BEMU) und von Brennstoffzellen
hybridtriebzügen (FCEMU) beschrieben. Schließlich wird das
HBU Marktpotenzial von BEMU und FCEMU für sämtliche anstehenden
SPNV-Wettbewerbsnetze, in denen heute DMU eingesetzt werden,
DC DC
untersucht.
Diese Broschüre fasst die wesentlichen Ergebnisse der Studie
zusammen.
DC
AC4 inha lt 5
Anmerkung zu den Fahrzeugbezeichnungen 1 Ausgangslage: Dieselbetrieb im deutschen SPNV 7
Für Brennstoffzellenhybridtriebzüge haben sich mehrere Notationen
im deutschsprachigen und internationalen Bereich etabliert. Syno
nym werden FCEMU (Fuel Cell Electric Multiple Unit), HMU oder
H₂MU (Hydrogen Multiple Unit), H₂BZ-Triebzug sowie WBH (Wasser
2
Lokal emissionsfreie Technologieoptionen für nicht- und
teilelektrifizierte Linien 13
stoff-Brennstoffzellenhybrid oder Wasserstoff-Batteriehybrid) ver
wendet.
Technologieüberblick und Marktsituation
13
Kostenbetrachtung
19
Für Batterie-Oberleitungshybridtriebzüge werden überwiegend die
Beitrag zum Klimaschutz (CO₂-Emissionen)
22
Abkürzungen BEMU (Battery Electric Multiple Unit), OBH (Oberleitungs
Bewertung der Eignung der Antriebsoptionen
24
batteriehybrid) und BET (Batterieelektrischer Triebzug) genutzt.
Wettbewerbsverfahren und bereits bestellte Fahrzeuge
25
In diesem Bericht werden einheitlich die Abkürzungen BEMU, FCEMU,
3
EMU (Oberleitungselektrischer Triebzug), DMU (Dieseltriebzug) und
DHEMU (Dieselhybridtriebzug) verwendet. Als Sammelbezeichnung für
Marktpotential hybrider Antriebe im deutschen SPNV 27
Hybridtriebzüge wird das Kürzel XEMU genutzt.
Statt „Akkumulator“ wird in diesem Bericht synonym der Begriff
4
„Batterie“ verwendet.
Ausblick / Weiterer Forschungsbedarf 32
Abbildungen 33
Tabellen 346 7
1 Ausgangslage: Dieselbetrieb
A bbildung 1 Betriebsleistungen im SPNV mit Elektro- und Dieseltraktion im deutschen SPNV
Das deutsche Schienennetz (Schienenwege der Im Jahr 2019 waren laut Fahrzeugeinstellungs
DB Netz AG sowie nicht-bundeseigene Schienen register des Eisenbahnbundesamts 2.824 Trieb-
Bremen 3 0
wege zusammen) ist zu 54 % elektrifiziert (Stand wagen und Triebzüge mit Dieselantrieb in
Saarland 7 1
Hamburg 14 1
2015), die bundeseigenenen Schienenwege allein Deutschland gemeldet (aus insgesamt 34 Bau
Mecklenburg-Vorpommern 9 8 sind (Stand 2020) zu 61 % elektrifiziert. reihen). Hinzu kamen 123 Diesellokomotiven der
Thüringen 6 16 DB AG sowie einige zusätzliche Diesellokomotiven
Schleswig-Holstein 9 17
Nach Daten der Bundesarbeitsgemeinschaft von privaten Eisenbahnverkehrsunternehmen.
Sachsen-Anhalt 16 10 Schienenpersonennahverkehr (BAG-SPNV) wurden
Sachsen 21 17
im Jahr 2017 242,5 Millionen Zug-km und
Rheinland-Pfalz 21 18
damit 36 % der gesamten im deutschen SPNV
Hessen 37 15
Niedersachsen 34 20
erbrachten Betriebsleistung mit Dieseltrieb-
Berlin-Brandenburg 61 11 zügen bzw. diesellokbespannten Zügen
Baden-Württemberg 53 27 erbracht. Der größte Anteil davon entfällt auf
Nordrhein-Westfalen 75 32 die großen Flächenländer wie Bayern, Nord
Bayern 73 51 rhein-Westfalen und Baden-Württemberg. In
Abbildung 1 ist die Betriebsleistung nach Bundes
Elektrisch (Mio. Zug-km)
0 20 40 60 80 100 120 140 ländern aufgeschlüsselt dargestellt.
Diesel (Mio. Zug-km) 1 BAG-SPNV (2018): Dossier
Verteilung der Traktionsart
Datenquelle: BAG-SPNV 2018 ¹
im SPNV 2017. Online unter:
https://bag-spnv.de/files/bag
spnv/downloads/Dossier%20
Verteilung%20Traktion%20
BL%20final.pdf8 Aus gangslage: D ieselbetr ieb im deutschen SPNV 9
A bbildung 2 Anzahl aktiver Dieseltriebzüge nach Herstellungsjahr (ab 1970), Datenauswertung auf Basis Das Durchschnittsalter der in Deutschland Die dieselbetriebenen Triebfahrzeuge werden
Fahrzeugeinstellungsregister Eisenbahnbundesamt (ohne Diesellokomotiven) eingesetzten Dieseltriebfahrzeuge betrug 2019 heute auf etwa 500 SPNV-Linien eingesetzt.
16,5 Jahre (vgl. Abbildung 2). Viele der heute Eine Analyse des DLR aus dem Jahr 2018 hat
im Einsatz befindlichen Fahrzeuge sind nach der ergeben, dass etwa 57 % der untersuchten Linien
Regionalisierung des SPNV 1996 in den Jahren auf weniger als einem Zehntel der gesamten
1999 bis 2003 gebaut worden (hellblau unterlegter Streckenlänge elektrifiziert sind und die Hälfte
Bereich in der Abbildung). Bei einer typischen der Linien kürzer als 58 km ist (vgl. Abbildung 3).
Anzahl DMU 1996 – 2003
Fahrzeugnutzungsdauer von 25 bis 30 Jahren Grundsätzlich gilt dabei, dass Strecken mit einem
350 ergibt sich ergibt sich allein auf Grund der Alters hohen Elektrifizierungsgrad und kurzen Elektrifizie
3
struktur der Bestandsfahrzeuge in den nächsten rungslücken für den Einsatz von Batterietriebzügen
32
300
5 bis 10 Jahren ein deutlicher Flottenerneuerungs und langlaufende Strecken mit geringem Elekt
bedarf. rifizierungsgrad eher für Brennstoffzellenhybrid
250
triebzüge geeignet sind. Eine verallgemeinerbare
6
22
Regel für oder gegen eine bestimmte Antriebsart
200
2
19
lässt sich daraus jedoch nicht ableiten, da das
1
18
3
17
150
Einsatzspektrum von Batterietriebzügen durch
Nachelektrifizierungen erweitert werden kann.
3
12
8
6
11
11
0
11
2
10
100
95
93
93
83
80
77
71
67
64
54
55
51
50
42
35
34
34
33
27
25
27
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10
6
6
3
4
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2
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0
1
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0
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70
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82
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00
02
04
06
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19
19
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19
19
19
19
19
19
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19
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
Herstellungsjahr10 Aus gangslage: D ieselbetr ieb im deutschen SPNV 11
A bbildung 3 Elektrifizierungsmuster dieselbetriebener SPNV-Linien in Deutschland ² Das geplante Elektrifizierungsprogramm des
Im europäischen Ausland haben Großbritannien
Bundes sieht eine Erhöhung des Elektrifizierungs und Frankreich einen ähnlichen Anteil von nicht
grades des bundeseigenen Schienennetzes von elektrifizierten Strecken und Bestandsflotten
60 % auf 70 % innerhalb der nächsten Jahre bis aus Triebfahrzeugen mit Dieselantrieb und mit
2025 vor, wobei diese Elektrifizierungsvorhaben Zweikraftantrieb (Dieselmotor sowie elektri
Ausschnitt
in der Regel langwierigen Genehmigungs- und scher Oberleitungsbetrieb). In beiden Ländern
Planungsprozessen unterliegen und vor diesem gibt es umfangreiche Planungen für den Einsatz
Hintergrund und auf Grund knapper Kapazitäten von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenhybrid
Länge Abschnitt (km) der Bauwirtschaft die Erreichbarkeit des 70 %-Ziels antrieben (Brennstoffzelle und Akkumulator als
innerhalb der nächsten fünf Jahre kaum umsetz Leistungspuffer und Rekuperationsspeicher) und
350
bar erscheint. Dennoch hat die Bundesregierung Batterie-Oberleitungshybridtriebzügen sowie von
300
eine milliardenschwere Modernisierungsoffensive Triebfahrzeugen mit Zweikraftantrieben (Bi-mode),
250 eingeleitet und stellt bis 2030 weitere 11 Mrd. € die neben einem oberleitungselektrischen Antrieb
für Infrastrukturmaßnahmen bereit.³ auch Brennstoffzellen und Batterien nutzen sollen.
200
In Großbritannien zeichnet sich ab, dass die
150 Umrüstung bestehender Triebwagen von Diesel-
auf Hybridtechnik zukünftig eine wesentliche Rolle
100
spielen wird.
50
0
2 Pagenkopf, J.; Böhm, M.; 2018, 3.– 7. Sept. 2018, Sitges,
Haas, J.; Friedrich, H. (2018): Spanien. Online unter:
Diesel-SPNV-Linien in Deutschland (nach Linienlänge, absteigend sortiert) https://elib.dlr.de/121661
Analysis of German diesel
operated regional railway lines'
patterns with regard to the 3 Quelle BMVI: https://www.
application of battery and fuel bmvi.de/SharedDocs/DE/
cell electric trains. The Fourth Pressemitteilungen/2020/003-
Abschnitt ohne Oberleitung
International Conference on scheuer-bund-staerkt-schiene.
Abschnitt mit Oberleitung Railway Technology – Railways html12 13
Antriebsoptionen im SPNV
2 Lokal emissionsfreie Technologieoptionen
für nicht und teilelektrifizierte Linien
A bbildung 4
Technologieüberblick und Brennstoffzellenhybridtriebzüge für den deutschen
Markt sind bereits zugelassen (Alstom Coradia
Nicht
elektrifizierte
elektrifizierte Marktsituation iLint) oder in der Entwicklung (z. B. Siemens
Antriebe
Antriebe Mireo Plus H). BEMU verschiedener Hersteller
Externe Die Antriebsoptionen im SPNV lassen sich grob (Bomardier Talent 3 BEMU, Siemens Mireo Plus B,
Traktions- den nicht elektrifizierten Antrieben (hier der Stadler FLIRT Akku) sind entweder im Zulas
energie- Oberleitungs- Hybridisierte Bimodale
zuführung Antrieb Antriebe hybride Antriebe klassische Dieselantrieb ⁴) und den elektrifizierten sungsprozess oder haben diese teilweise bereits
Antrieben zuordnen (vgl. Abbildung 4). Als lokal erhalten. Die DB Regio baut Bestands-DMU vom
emissionsfreie Antriebsalternativen zu DMU im Typ Siemens Desiro auf Dieselhybridantrieb um.
DMU DHEMU
Diesel
tankstelle (Dieselantrieb) (Dieselelektrischer SPNV etablieren sich derzeit hybridisierte elektri
Hybrid)
BEMU + D(H) sche Triebzüge in Form von Brennstoffzellenhybrid-
(Batterie-Oberleitungs
hybrid + Diesel(hybrid))
oder Batterie-Oberleitungshybridtriebzügen.
EMU BEMU
Oberleitung / Dieselhybridtriebzüge als Umrüstung bestehender
(Oberleitungs- (Batterie-Ober
Ladestation
elektrischer Antrieb) leitungshybrid) BEMU + FC Dieseltriebzüge sind ebenfalls in Planung, stellen
(Oberleitungsbatterie-
aufgrund ihrer nur teilweisen lokalen Emissions
Hybrid + Brennstoff-
FCEMU zellen-Hybrid) freiheit jedoch eher eine Übergangslösung
Wasserstoff
(Brennstoffzellen-
tankstelle
Hybrid)
dar. Die in England und Frankreich verbreiteten
Zweikraft- und Dreikraftantriebe (bimodal bzw.
4 Grundsätzlich können auch
trimodal) haben zwei bzw. drei voneinander Dieseltriebzüge über eine
unabhängige Antriebssysteme (z. B. Batterie- elektrische Leistungsübertragung
Oberleitungshybridantrieb mit zusätzlicher Brenn (Generatoren) verfügen, überwie
gend kommen bei SPNV jedoch
stoffzelle), werden in Deutschland aber bisher
hydrodynamische, hydromecha
nicht eingesetzt. nische und mechanische Getriebe
zum Einsatz.15
A bbildung 5 Hybridtriebzüge im deutschen SPNV in der Abbildung 6 Antriebsoptionen und ihre Weitere Antriebskonzepte sind denkbar. Topologien der Fahrzeuge weichen ggf. von den dargestellten Topologien ab.
Zulassung oder bereits im Fahrgasteinsatz Komponenten im SPNV
(siehe auch Tabelle 1)
BEMU DC DC DC
Stadler FLIRT Akku BR 427 DC DC DC
(© Stadler)
AC DC AC DC AC DC
DC AC DC AC DC AC
* bisher nicht (in D) umgesetzt
EMU BEMU BEMU + FC
BEMU
Siemens Cityjet eco
(Prototypumbau e ines EMU Desiro ML)
(© ÖBB, Christopher Seif)
DHEMU FCEMU BEMU + D(H)
BEMU
Bombardier Talent 3 BEMU BR 442
(© Bombardier)
AC DC DC DC DC AC DC DC
DC DC DC DC DC DC DC DC
DC DC AC DC
FCEMU DC
AC AC AC
Alstom iLINT BR 654
(© R. Frampe)
Pantograph Gleichrichter Brennstoffzelle Hilfsbetriebeumrichter
DHEMU
Siemens Desiro Eco-train Hybrid BR 642 elektrischer Generator Gleichspannungswandler Elektromotor Fremdeinspeisung H₂-Tank
(© Andreas Schaarschmidt)
Trafo Wechselrichter Verbrennungsmotor Traktionsbatterie Diesel-Tank16 Ru b rikentitel 17
Abbildung 6 zeigt mögliche Antriebstopologien Brücken). Die Reichweite der Batterietriebzüge A bbildung 7 Reichweiten von BEMU, FCEMU und DMU vor dem Nachladen bzw. Nachtanken
und Umsetzungsbeispiele der Fahrzeughersteller, kann einerseits durch eine Erhöhung der installier sowie typische tägliche Fahrleistungen im SPNV
bei denen die Leistungsübertragung elektrisch ten Batteriekapazitäten erreicht werden. Weitere
erfolgt. reichweitenerhöhende Maßnahmen stellt bei
spielsweise optimierte Energiemanagementstra
Ein zentrales Differenzierungsmerkmal der Fahr tegien und Fahrweisen sowie der Einsatz energie
zeuge mit hybriden Antrieben stellt die erzielbare effizienter Nebenaggregate wie Wärmepumpen
Reichweite dar, die die Fahrzeuge ohne externe dar. Für Brennstoffzellenhybridtriebzüge werden
Energiezuführung während der Fahrt zurück Reichweiten bis 1.000 km erwartet.
legen können, bevor sie wieder betankt bzw. die
Batterien nachgeladen werden müssen Legt man die typischen täglichen Fahrleistungen
(vgl. Abbildung 7). im SPNV darüber, so zeigt sich, dass DMU für die
BEMU
meisten Verkehrsaufgaben im SPNV über eine
Die Hersteller von Batterietriebzügen geben Reich genügend hohe Reichweite verfügen und F CEMU
weiten von von 40 bis 80 km, teilweise auch über zumindest einen großen Teil der derzeitigen
FCEMU
100 km auf oberleitungsfreien Abschnitten an. Fahrzeugumläufe ohne untertägige Betankung
Die konkrete Reichweite hängt von einer Vielzahl absolvieren können. Für BEMU ist (in Abhängigkeit
von Faktoren ab, die durch den Streckenzuschnitt, von der nicht elektrifizierten Streckenlänge) eine
DMU
das Betriebsprogramm, die Witterungsbeding in der Regel mehrfache Nachladung der Traktions
ungen und natürlich die installierte A
kkukapazität batterien innerhalb des Fahrzeugumlaufs erfor
bestimmt werden. Durch betrieblich optimal ein- derlich. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
gebundene Nachelektrifizierungen an der Strecke km
sowie die Erhöhung der installierten Batterie
kapazitäten kann der Streckenelektrifizierungs
aufwand verringert werden – insbesondere bei
schwer elektrifizierbaren Abschnitten (wie Tunnel,
Spannbreite typische tägliche Zug-km je Fahrzeug im SPNV19
SPNV-Fahrzeuge mit Hybridantrieben. Teilweise Angaben für Prototypen, spätere Serienfahrzeuge
Kostenbetrachtung
Tabelle 1
können davon kundenspezifisch abweichen (DLR-Fahrzeugdatenbank)
Die Preise von BEMU und FCEMU bewegen sich
Bombardier Siemens Stadler Alstom Alstom Siemens
derzeit etwa in einem Bereich von 5,5 bis 6,5 Mio. €.
Talent 3 BEMU BR 442 Mireo Plus B BR 463 FLIRT Akku BR 427 Coradia Continental iLINT BR 654 Mireo Plus H BR 463 Dieseltriebzüge (DMU) und Oberleitungstriebzüge
batterie-elektrisch
(EMU) mit der gleichen Sitzplatzkapazität kosten etwa
Antriebskonzept BEMU BEMU BEMU BEMU FCEMU FCEMU
4 bis 5 Mio. €. Ausgehend von den daraus resultie
Anzahl Wagen 3 2 (3) 2 (3) 3 2 2 (3)
renden etwa 1,5 Mio. € M
ehrkosten der Hybridtrieb
Fahrzeuglänge m 56 52 (71) xx (59) 56,9 54 52 (71)
züge können sich jedoch auch deutliche Abweichun
Sitzplätze 120 (165) 124 (154) 150 156
gen nach oben bzw. unten ergeben können, abhängig
Leistung elektrisch kW 1010 / 2020 xxxx (1000) 740 400
(H₂-bzw. BAT-Betrieb/ (nur BZ)
beispielsweise von der Antriebsart, der installierten
OL-Betrieb) Speicherkapazität, den Losgrößen und inkludierten
Max. Beschleunigung (im m/s² 1,0 1,1 – 1,25 Vertragsbestandteilen. So dürften die Mehrkosten
BAT/OL/H₂-Betrieb)
eines BEMU mit einer vergleichsweise kleinen ins
Höchstgeschwindigkeit km/h 160 160 160 160 140 140
(140 im Batterie (140 im Batterie (140 im Batterie tallierten Batteriekapazität gegenüber einem reinen
betrieb) betrieb) betrieb)
Oberleitungstriebzug eher gering sein.
Speicherkapazität H₂-Tank kg H₂ – – – 180 bis 260
Speicherkapazität Batterie kWh 300 – 440 ~ 700 220 ~ 200
(installiert) Hinzu kommen die für die Nachladung erforder
Betankungszeit minimal min 15 lichen Infrastrukturkosten, die im Rahmen einer
Nachladezeit minimal min 7 – 10 12 Gesamtkostenbetrachtung berücksichtigt werden
(Schnellladung) müssen, also Oberleitungsanlagen und Einspeise
Reichweite km 35 – 40 (derzeit) 40 – 80 ca. 80 70 – 120 600 – 1000 500 – 600 (800 – 1000) anlagen bei BEMU bzw. Wasserstofftankstellen
80 – 100 (60 – 120) (150 km unter opti
(perspektivisch) malen Bedingungen) für FCEMU. Die Kosten für die Nachelektrifizierung
Batterie 3 Module à 73,5 kWh 2-4 Module (4-6 2 Module à 110 kWh 2 Module hängen von der Charakteristik der bestehenden
(300 kWh) NMC/C Module) NMC/LTO (220 kWh) NMC/C NMC/LTO
Streckenelektrifizierung ab, bei einem hohen
Lebensdauer Batterie a 5 – 10 15 15
Ausstattungsgrad mit Oberleitungen sind gegebe
Erster Fahrgastregelbetrieb 2023 2022 2023 2018/2021
(Ortenau) (NAH.SH) (ZVMS/ZVNL) (Elbe-Weser) nenfalls auch nur punktuelle oder auch gar keine
Nachelektrifizierungen erforderlich.20 21
Unterschiede entstehen auch in den Betriebs Eine vollständige Streckenelektrifizierung mit A bbildung 8 Mögliche Fahrzeug- und Infrastrukturkonzepte FCEMU und BEMU
kosten der beiden Antriebssysteme. FCEMU haben Einsatz von Oberleitungstriebzügen ist bei einer
aufgrund der verlustbehafteten Energiewandlung hohen Taktfrequenz, das heißt Halbstunden- und
in der Brennstoffzelle eine geringere Antriebs teilweise Stundentakt, in der Regel die wirtschaft
effizienz als BEMU. Damit einhergehend sind im lichste Option⁵ und ist ferner geboten bei einer
Fall, dass der Wasserstoff elektrolytisch auf Basis hohen betrieblichen Relevanz der Strecke, zum Erneuerbare Energien
von abgaben- und steuerbelastetem Strom erzeugt Beispiel für Umleiter- und Entlastungsverkehre. Stromnetz Stromnetz
wird, auch die Traktionsförderkosten höher als die
von BEMU mit einer Direktstromnutzung. Bei einer
Nebenprodukt
Nutzung von preisgünstigem Prozesswasserstoff Wasserstoff Umrichter bzw.
Transformator
aus der chemischen Industrie hingegen können die
Energiekosten gegebenenfalls sehr gering sein.
Zusätzlich entstehen Kosten für die Aufbereitung Industrie Batteriespeicher
H₂
bzw. den Austausch von Komponenten bedingt
durch die Alterung der Batterien, der Brennstoff Oberleitungsinselanlage
zellen und der Wasserstofftanks. Der Kostenver Transport per
gleich zwischen BEMU und FCEMU ist also stark Trailer oder Zug
einzelfallspezifisch von den jeweiligen Randbe
dingungen abhängig und war nicht Gegenstand der
Strecke nicht elektrifiziert
Untersuchung.
5 Vgl. dazu auch Müller, André; Stephan,
Unterwerk /
Arnd (2017): Wissenschaftliche Bewer
Umrichterwerk
tung von alternativen, emissionsarmen
Antriebskonzepten für den bayerischen
SPNV. Gutachten für die Bayerische
Eisenbahngesellschaft mbH (BEG).
Berichtsnummer 2017-EB-008-1
Wasserstoffherstellung Verdichtung Speicherung Strecke elektrifiziert
per Elektrolyse22 Ru b rikentitel 23
Beitrag zum Klimaschutz Anteilen an erneuerbaren Energien handelt. Der
A bbildung 9 Beispielhafte CO₂-Emissionen je Fahrzeug bei 30 Jahre Einsatzdauer
inkl. Fahrzeugherstellung in Abhängigkeit der CO₂-Intensitäten der Energiebereitstellung
(CO₂-Emissionen) Grund hierfür liegt in den technologisch beding
ten Energiewandlungsverlusten (Elektrolyse,
Anders als bei Pkw spielen bei Triebzügen die Verdichtung und Speicherung über Brennstoffzelle
DMU
CO₂-Emissionen der Herstellung von Fahrzeug und bis Fahrmotor). Bei einer Umstellung auf eine
DHEMU
Komponenten im Vergleich zu den CO₂-Emissio wasserstoffbasierte Wirtschaft müssen bei einer Windenergie
nen der Energiebereitstellung und -nutzung im Bilanzierung der CO₂-Emissionen jedoch weitere, BEMU Strommix Deutschland 2030 Kernannahmen zu Verbräuchen
Fahrzeug nur eine untergeordnete Rolle und den Einsatz von FCEMU begünstigende Aspekte Strommix Deutschland 2018 und CO₂-Emissionen aus Fahr
nehmen erst bei weitgehend dekarbonisierter (z. B. Nutzung von Überschussstrom, Netzdien SMR (OGH₂) betrieb /Energiebereitstellung:
Energieerzeugungskette einen relevanten Anteil lichkeit) berücksichtigt werden. Insofern ist auch SMR (LH₂) 30a x 175.000 km/a, D
MU: 1 l/km,
FCEMU Onsite Elektrolyse (Wind) DHEMU: 1,05 l/km, BEMU: 4,4
ein (vgl. Abbildung 7). Der Grund dafür liegt in die Direktnutzung von Strom aus Erneuerbare-
Onsite Elektrolyse (2030) kWh / km, FCEMU: 0,25 kg H₂/km,
den sehr hohen Kilometerleistungen und langen Energien-Anlagen (Variante „Windenergie“) zur 94 % Wirkungsgrad Stromnetz;
Onsite Elektrolyse (2018)
Einsatzdauern von Triebzügen über 30 und mehr Nachladung von BEMU auf die zeitliche und Emissionsfaktoren mit Vorkette
Jahre, selbst wenn die erforderlichen Austausch örtliche Parallelisierung von Stromdargebot und 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 (in g CO₂ / kWh): Diesel: 313,6,
t CO₂ Strommix 2018 / 2030: 504/205,
intervalle von Batterien, Brennstoffzellen und Stromnachfrage (Nachladung) beschränkt. Die
Wind: 25,5, Onsite Elektrolyse
Wasserstofftanks einbezogen werden. üblicherweise mindestens partielle stationäre
2018 / 2030/Wind: 775 / 316 / 39,2,
Ein- und Ausspeicherung verringert damit den Ausschnitt
SMR LH₂ / CGH₂: 540/386)
BEMU emittieren bei Betrachtung der gesamten CO₂-Vorteil von BEMU gegenüber FCEMU.
Energieerzeugungskette aufgrund der hohen DMU
Antriebseffizienz auch unter dem heutigen DHEMU
Strommix deutlich weniger CO₂ als DMU. Die mit Windenergie
BEMU Strommix Deutschland 2030
der Herstellung des Wasserstoffs verbundenen
Strommix Deutschland 2018 Fahrbetrieb / Energiebereitstellung
CO₂-Emissionen sind für den Fall von FCEMU
SMR (OGH₂) Herstellung "Basiszug"
über den Lebenszyklus nur dann geringer als SMR (LH₂)
Batterie / Erstausrüstung + Austausch
die Emissionen von Dieseltriebzügen, wenn es FCEMU Onsite Elektrolyse (Wind)
BZ / Erstausrüstung + Austausch
sich um Elektrolysewasserstoff mit sehr hohen Onsite Elektrolyse (2030)
Onsite Elektrolyse (2018) H₂-Tank / Erstausrüstung + Austausch
0 250 500 750 1.000
t CO₂24 Lok al emissionsf r eie Tech nologieoptionen für nicht und teil el ektrifizierte Linien 25
Bewertung der Eignung der Bimodale und trimodale Antriebe (BEMU + D(H)
Wettbewerbsverfahren und Beschaffung hybrider Fahrzeuge laufen entweder
Antriebsoptionen oder BEMU + FC) können die Vorteile der hohen bereits bestellte Fahrzeuge noch oder sind in Vorbereitung. Die Aufgaben
Energieeffizienz von BEMU-Fahrzeugen mit der träger erarbeiten für ihre Wettbewerbsnetze
Die Eignungspotenziale von BEMU und FCEMU hohen Energiedichte von Dieselkraftstoff oder Bisher wurden in Deutschland 41 FCEMU und 86 die Antriebs- und Energieversorgungsstrategie
lassen sich anhand konkreter Streckeneigen Wasserstoff verbinden und somit die Einsatzreich BEMU durch fünf Landesgesellschaften bestellt selbstständig in Abstimmung mit dem Bund sowie
schaften bestimmen. Maßgeblich sind dabei unter weite und -flexibilität von batteriebetriebenen (vgl. Tabelle 2). Weitere Vergabeverfahren für die der DB Netz AG.
anderem die bestehende Elektrifizierung einer Fahrzeugen deutlich erhöhen. Nachteilig sind die
Strecke bzw. der Strecken in einem Linienbündel hohe technische Komplexität des Antriebsstrangs
sowie ferner die Anforderungen an die betrieb und damit einhergehend hohe Investitions- und
liche Flexibilität der Fahrzeuge. Betriebskosten.
Dieselhybridantriebe (DHEMU) bieten Vorteile Verbesserungen bei Einzeltechnologien und
aufgrund sehr hoher Reichweiten und der Mög -systemen werden in den nächsten Jahren dazu
lichkeit zur Umrüstung und Weiternutzung von beitragen, die Fahrzeugreichweiten zu erhöhen
Bestands-DMU. Allerdings sind hier in der Regel und die Lebensdauerkosten der Hybridantriebs
Tabelle 2 Von den Bundesländern bis 12 / 2019 bestellte Fahrzeuge mit hybriden Antrieben
nur eine partielle Emissionsfreiheit und eine konzepte zu verringern. Kernaspekte sind hier
Reduzierung des Dieselkraftstoffbedarfs im ein Entwicklungen bei der Lithium-Ionen-Technologie,
stelligen bis unteren zweistelligen Prozentbereich Wasserstofftanks und Brennstoffzellen in Bezug
Netz & Aufgabenträger Typ Fahrzeug Baureihe Anzahl Betriebsaufnahme
möglich. auf Leistungs- und Energiedichte, Lebensdauer
Elbe-Weser-Netz (LNVG) FCEMU Alstom Coradia iLINT 654 14 2021
und Kosten. Weitere wichtige Stellhebel sind
Taunus-Netz (RMV) FCEMU Alstom Coradia iLINT 654 27 2022
bedarfs- und wirkungsgradoptimierte Hilfs- und
Komfortverbraucher und leichtbauoptimierte Fahr Netze Nord und Ost (NAH.SH) BEMU Stadler Flirt Akku 427 55 2022/23
zeug- und Komponentenstrukturen. Ortenau-Netz (NVBW/SFBW) BEMU Siemens Mireo Plus B 463 20 2023
RE 6 Chemnitz-Leipzig (ZVMS) BEMU Alstom Coradia BEMU 440 11 2023
Summe 12726 27
A bbildung 10 Aktuelle Wettbewerbsnetze und Pilotprojekte mit Hybridtriebzügen 3 Marktpotenzial hybrider Antriebe
inkl. bereits bestellter Fahrzeuge
XMU Ost + XMU Nord (NAH.SH)
im deutschen SPNV
55 BEMU (FLIRT Akku)
~ 9,3 Mio. Zug-km / a
Betriebsaufnahme: 2022 / 23
Warnow II (VMV) Die Ableitung des Marktpotenzials der heute mit In den Jahren 2019 bis 2038 werden über alle neu
12– 17 DMU
Weser-Elbe-Netz (LNVG) (optional XEMU möglich) Dieseltriebzügen bedienten SPNV-Linien erfolgte anlaufenden Verkehrsverträge hinweg in Summe
2 FCEMU (iLint) im Probebe ~ 1,5 Mio. Zug-km / a
trieb s eit 2018 Betriebsaufnahme: 2024 im Kontext der zugehörigen Wettbewerbsnetze, voraussichtlich 305 Mio. Zug-km in den heute
14 FCEMU (iLint) ab 12 / 2021 um für Gesamtdeutschland eine konsistente Fahr mit Dieseltriebfahrzeugen bedienten Netzen in
~ 1,3 Mio. Zug-km / a Heidekrautbahn (VBB)
~ 7 FCEMU (100 % EE-H₂) zeugantriebsstrategie ableiten zu können. die Betriebsaufnahme gehen (vgl. Abbildung 10).
Niederrhein-Münsterland- ~ 0,65 Mio. Zug-km / a
Netz (VRR / NWL) Betriebsaufnahme: 2024 Davon werden 74 Mio. sicher durch DMU bedient
45 – 60 XEMU
6,1 Mio. Zug-km / a Ostbrandenburg (VBB)
Für den Zeitraum von 2019 bis 2038 wurden im werden. Von den restlichen 231 Mio. verteilt sich
Betriebsaufnahme: 2025 ~ 6,3 Mio. Zug-km / a Rahmen der Studie insgesamt 132 Betriebsauf ein Teil bereits heute fest auf BEMU (49,8 Mio.)
Betriebsaufnahme: 2024
Taunus-Netz nahmen neuer SPNV-Vergabenetze identifiziert, bzw. FCEMU (5,6 Mio.) sowie auf BEMU oder
27 FCEMU (iLint) MDSB 2025 + (ZVNL)
~ 1,83 Mio. Zug-km / a 15 – 20 XEMU die für den Betrieb mit Hybridtriebzügen in Frage FCEMU (3,8 Mio.). Der große Rest ist hinsichtlich
Betriebsaufnahme: 12 / 2025 ~ 1,5 Mio. Zug-km / a
Betriebsaufnahme: 2025
kommen, da sie zum Zeitpunkt der Betriebsauf der zukünftigen Antriebsart noch offen (171 Mio.).
Elektronetz Saar RB – nahmen nicht komplett elektrifiziert sein werden. In der Tendenz sind also derzeit mehr Batterie-
Los 2 (ZPS) RE6 Leipzig-Chemnitz (ZVMS)
~ 6 BEMU (oder 11 BEMU (Alstom Coradia Während bei den Betriebsaufnahmen in den Oberleitungshybridtriebzüge als Brennstoffzellen
4 Dieselfahrzeuge) Continental) geplant
~ 0,5 Mio. Zug-km / a ~ 0,65 Mio. Zug-km / a Jahren bis 2023 noch überwiegend DMU zum hybridtriebzüge vorgesehen.
Betriebsaufnahme: 12 / 2021 Betriebsaufnahme: 2023
Einsatz kommen, steht die Art der Traktion bei
Pfalz-Netz (ZSPNV Süd) Schwarztalbahn Betriebsaufnahmen ab 2024 oft noch nicht fest (in
61 – 82 BEMU ~ 2 FCEMU (Piloteinsatz)
~ 6,5 Mio. Zug-km / a ~ 0,36 Mio. Zug-km / a Abbildung 10 mit offen bezeichnet) und ist damit
Betriebsaufnahme: 2024 Betriebsaufnahme: 2022
perspektivisch für Fahrzeuge mit Hybridantrieben
Ortenau-Netz (NVBW) Linienstern Mühldorf
20 BEMU (Mireo) FCEMU-Einsatz
geeignet. Nicht betrachtet werden reine E-Netze
~ 2,5 Mio. Zug-km / a wird auf Teilstrecken geprüft (EMU), wobei zukünftige sichere Elektrifizierungen
Betriebsaufnahme: 12 / 2021 Betriebsaufnahme: 2024
von Strecken berücksichtigt wurden.
Weitere Projekte
In verschiedenen Bundesländern
sind weitere Probebetriebe mit
Technologieoffen Elektrifizierte Streckenabschnitte einzelnen Fahrzeugen geplant.
FCEMU Nicht Elektrifizierte Streckenabschnitte
BEMU
Stand: 12 / 2019 (kein Anspruch auf Richtigkeit und Vollständigkeit)28 M ar k tpot enzial hy br ider A ntr iebe im deutschen SPNV 29
A bbildung 11 Neue Verkehrsverträge (Zeitpunkte der Betriebsaufnahmen) nach Art der Traktion in Nachfolgend wird das Potenzial für BEMU und Bei einer konsequenten Umstellung von Diesel-
diesel- und hybridfahrzeugrelevanten Netzen bis 2038 FCEMU nicht getrennt nach Antriebstechnologie, auf hybride Antriebe im Zuge des Beginns eines
sondern integriert als gesamtes Potenzial für lokal neuen Verkehrsvertrags (d. h., gegebenenfalls vor
emissionsfreie Hybridfahrzeuge ausgewiesen. gesehene Weiternutzung von Bestandsfahrzeugen
Mio Zug-km neu startender Verkehrsverträge bliebe unberücksichtigt) wurde ein bundesweites
Ob und inwiefern in den noch nicht feststehenden Neufahrzeugpotenzial zwischen 1.759 (min.) und
35 Netzen letztlich BEMU oder FCEMU zum Einsatz 2.539 (max.) Fahrzeugen bis 2038 abgeleitet (vgl.
kommen, hängt von sehr vielen Faktoren ab und Abbildung 11). Die Spannbreite ergibt sich aus der
30
muss Gegenstand weiterführender netz- und Unsicherheit, wie viele Fahrzeuge konkret für die
linienspezifischer Detailuntersuchungen sein. zukünftigen Netze benötigt werden.
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Grundsätzlich lassen sich auch topografisch und Der abgeschätzte Neufahrzeugbedarf unterstellt,
betrieblich herausfordernde Strecken mit BEMU dass bei Betriebsaufnahmen ab 2023/2024
15 befahren, das Vorhandensein einer hinreichenden systematisch tatsächlich Hybridneufahrzeuge zum
Nachladeinfrastruktur vorausgesetzt. Ferner gilt Einsatz kommen und keine Dieselneufahrzeuge
10 sowohl für FCEMU als auch für BEMU, dass die beschafft oder DMU-Bestandsfahrzeuge weiterge
Antriebsleistung ausreichend dimensioniert sein nutzt werden.
5 muss, insbesondere wenn Fahrpläne spurtstarker
Dieselfahrzeuge, wie zum Beispiel der weitver Infolge der hohen Dynamik im SPNV-Sektor
0
breiteten Baureihe 650 (RegioShuttle), vorgegeben unterliegen die hier ermittelten Zahlen einem
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werden. kontinuierlichen Wandel, das heißt, die Werte
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Jahr Beginn Verkehrsvertrag
ändern sich aufgrund neuer Informationen aus den
Bundesländern regelmäßig.
offen DMU
FCEMU / BEMU BEMU
FCEMU30 M ar k tpot enzial hy br ider A ntr iebe im deutschen SPNV 31
Abbildung 12 Jährliches Hybrid-Neufahrzeugpotential (nach Jahr des Beginns des Verkehrsvertrags) Insgesamt resultieren damit antriebskonzept Zusätzlich entstehen Kosten (und damit Finan
bedingte Investitionsmehrkosten bis 2038 von zierungsbedarf) für notwendige Ergänzungselek
2,6 Mrd. € (min.) bis 3,8 Mrd. € (max.) unter trifizierungen, für Oberleitungsinselanlagen (für
Zugrundelegung von durchschnittlich 1,5 Mio. € BEMU) inklusive Einspeiseanlagen bzw. Wasser
Anzahl Triebzüge Mehrkosten je Hybridfahrzeug gegenüber der stofftankstellen (für FCEMU) sowie für sonstige
Bemessungsgrundlage DMU bzw. EMU (Preisstand Anpassungen an den Bahnbetriebsanlagen wie
400 konstant 2019). Bei einer zu erwartenden Verrin zum Beispiel Werkstätten und Abstellanlagen, die
gerung der Mehrkosten gegenüber der Referenz den Fahrzeugkosten hinzugerechnet werden müs
350 technologie infolge unter anderem von technolo sen. Die Höhe der entstehenden Kosten hängt von
gisch und marktlich getriebenen Skaleneffekten der konkreten Zusammensetzung der zukünftigen
300
verringert sich die Spannbreite entsprechend. Bei BEMU/FCEMU-Flotte ab.
nur 0,5 Mio. € Preisaufschlag je Hybridtriebzug
250
gegenüber dem konventionellen Triebzugpendant Um eine Wettbewerbsfähigkeit alternativer
betragen die kumulierten Mehrkosten entspre Antriebe im ÖPNV mit bestehenden konvention
200
chend 0,9 Mrd. € (min.) bis 1,3 Mrd. € (max.). ellen Technologien zu gewährleisten und um den
150 Markthochlauf dieser Technologien im SPNV zu
unterstützen, sind in den kommenden Jahren ent
100 sprechende Bundesförderprogramme notwendig.
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max. 20 51 86 252 279 153 163 178 259 377 171 135 85 10 115 100 40 67
min. 20 51 69 165 193 107 115 114 190 246 127 95 63 7 66 70 30 32
Summe Anzahl Fahrzeuge – max. (berechnet)
Summe Anzahl Fahrzeuge – min. (berechnet)32 Abbildu ng en und Tab el l en 33
4 Ausblick / Weiterer Forschungsbedarf Abbildungen
A bbildung 1 Betriebsleistungen im SPNV mit Elektro- und
Weiterer Forschungsbedarf ergibt sich im Bereich Dieseltraktion 6
der Fahrzeugtechnik sowie im Bereich von System A bbildung 2 Anzahl aktiver Dieseltriebzüge nach Herstel
analysen, die die konkreten infrastrukturellen lungsjahr (ab 1970), Datenauswertung auf Basis
Randbedingungen für Hybridtriebzüge betrachten Fahrzeugeinstellungsregister Eisenbahnbundes
und auch die Kopplung mit Erneuerbare-Energien- amt (ohne Diesellokomotiven) 8
Anlagen berücksichtigen: A bbildung 3 Elektrifizierungsmuster dieselbetriebener
Auswirkungen des Einsatzes weiterent SPNV-Linien in Deutschland 10
wickelter und neuer Speichertechnologien A bbildung 4 Antriebsoptionen im SPNV 12
auf die Einsatzpotenziale von Hybridtrieb A bbildung 5 Hybridtriebzüge im deutschen SPNV in der
zügen im SPNV Zulassung oder bereits im Fahrgasteinsatz 14
Einsatzmöglichkeiten weiterer Hybridan A bbildung 6 Antriebsoptionen und ihre Komponenten
triebskonfigurationen wie zum Beispiel BEMU im SPNV 14 / 15
mit Brennstoffzellen als Range-Extender und A bbildung 7 Reichweiten von BEMU, FCEMU und DMU vor
Umrüstungsoptionen von DMU und EMU auf dem Nachladen bzw. Nachtanken sowie typische
Hybridantriebe tägliche Fahrleistungen im SPNV 17
Potenzial für Hybridantriebe bei Strecken A bbildung 8 Mögliche Fahrzeug- und Infrastrukturkonzepte
reaktivierungen FCEMU und BEMU 21
Detaillierte Ausbauszenarien der Ladeinfra A bbildung 9 Beispielhafte CO₂-Emissionen je Fahrzeug bei
struktur und der Wasserstofftankstellen unter 30 Jahre Einsatzdauer inkl. Fahrzeugherstel
Berücksichtigung der Potenziale der Sektor lung in Abhängigkeit der CO₂-Intensitäten der
kopplung, also beispielsweise der Einbindung Energiebereitstellung 23
von Erneuerbare-Energien-Anlagen für die
Wasserstofferzeugung34 35
Auftraggeber
NOW GmbH
Fasanenstraße 5
10623 Berlin
Abbildung 1 0 Aktuelle Wettbewerbsnetze und Pilotprojekte
+49 (0)30 311 66 16 – 00
mit Hybridtriebzügen inkl. bereits bestellter Fahr
zeuge 26
Ansprechpartner / Redaktion
Abbildung 1 1 Neue Verkehrsverträge (Zeitpunkte der Betriebs
Oliver Hoch
aufnahmen) nach Art der Traktion in diesel- und
Programm Manager Elektromobilität
hybridfahrzeugrelevanten Netzen bis 2038 28
+49 (0)30 311 61 16 – 38
Abbildung 1 2 Jährliches Hybrid-Neufahrzeugpotenzial (nach
oliver.hoch@now-gmbh.de
Jahr des Beginns des V erkehrsvertrags) 30
Verfasser
Johannes Pagenkopf, Toni Schirmer,
Tabellen Mathias Böhm, Christoph Streuling,
Sebastian Herwartz
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
(DLR), Institut für Fahrzeugkonzepte
Tabelle 1 SPNV-Fahrzeuge mit Hybridantrieben. Teilweise
Angaben für Prototypen, spätere Serienfahr
zeuge können davon kundenspezifisch
abweichen (DLR-Fahrzeugkonzeptdatenbank) 18 / 19
Tabelle 2 Von den Bundesländern bis 12 / 2019 bestellte
Fahrzeuge mit hybriden Antrieben 25
Gestaltung
kursiv Kommunikationsdesign
Peter Frey
Erscheinungsjahr 2020
ID-Nr. 208813236 + –
DC DC
HBU
DC DC
D -Tank
Fremdeinspeisung
+ –
Traktionsbatterie
AC DC
HBU
DC DC
ASR
DC
AC
FMSie können auch lesen
