MTU und Deutsche Bahn erproben Hybridzug - Antriebslösungen für den öffentlichen Personennahverkehr
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Antriebslösungen für den öffentlichen Personennahverkehr
MTU und Deutsche Bahn erproben Hybridzug
Wer: DB RegioNetz Verkehrs GmbH Westfrankenbahn
Was: Hybrid-Powerpack
Warum: Mit der technischen Expertise von MTU und dem Betrei-
ber-Know-how der DB AG energieeffiziente und ökolo-
gisch nachhaltige Transportdienstleistungen im Sektor
Bahn vorantreiben
Wo: Bahnstrecke Aschaffenburg-Miltenberg, Deutschland
Europa Deutschland
Bis zu 25 Prozent weniger Kraftstoffver- Aschaffenburg/Miltenberg — Hybride An- Westfrankenbahn und MTU gemeinsam an ei-
brauch und emissionsfreies Fahren sind mit triebssysteme bieten die Chance, den Kraft- nem Hybridantrieb für den Schienenpersonen-
dem MTU-Hybrid-Powerpack möglich. Die stoffverbrauch deutlich zu senken. Vor allem verkehr — und betreten damit Neuland in Europa.
Deutsche Bahn und MTU erproben einen Anwendungen, in denen Hilfsantriebe einen
Nahverkehrstriebwagen der Baureihe 642, großen Teil der Leistung beanspruchen, kön- Komponenten und Funktionsweise
der mit dem Prototyp des von MTU entwi- nen von dieser Technologie profitieren. Neben Bei dem Hybrid-Powerpack handelt es sich um
ckelten Hybrid-Powerpacks angetrieben Baumaschinen oder landwirtschaftlichen Fahr- einen Unterflurantrieb, der von MTU entwickelt
wird. Der Test soll beweisen, dass diese zeugen trifft dies auch auf Züge zu, insbeson- und am Prüfstand in Friedrichshafen erprobt wur-
Technik alltagstauglich ist und ökologische dere Nahverkehrszüge. „Da Nahverkehrszüge de. Der Dieselmotor des Typs 6H 1800 R75 hat
und ökonomische Vorteile gegenüber dem auf eine relativ hohe Endgeschwindigkeit kom- eine Leistung von 315 Kilowatt bei 1.800 min -1,
derzeitigen Stand der Technik bietet. men und Strecken bedienen, auf denen in kur- der Elektromotor eine Leistung von bis zu
zen Abständen Haltepunkte liegen, können 400 Kilowatt. Zusätzlich integrierte MTU in das
Hybridantriebe ihre Stärken in solchen Fahr- Hybrid-Powerpack eine SCR-Abgasnachbehand-
zeugen ganz besonders ausspielen“, erläutert lung mit Harnstofftank, mit der die seit 2012
MTU-Projektleiter Ingo Lehmann. Um herauszu- geltende Emissionsstufe EU IIIB erfüllt wird. Der
finden, inwieweit sich die Hybridtechnologie für grundlegende Vorteil eines Powerpacks liegt
den alltäglichen Bahnverkehr eignet, arbeiteten darin, dass es alle Einzelkomponenten des An-
die Bahntochter DB RegioNetz Verkehrs GmbH triebs in einen gemeinsamen Tragr ahmen zu
Claus Werner, Projektleiter Deutsche Bahn
„Dieses Projekt ist ein bedeutsamer Meilenstein
auf dem Weg zum flächendeckenden Einsatz
emissionsarmer und umweltfreundlicher Züge auf
nichtelektrifizierten Strecken.“
Aufbau des Hybrid-Powerpacks
1 Dieselmotor
2 E-Motor/-Generator
3 Getriebe
4 Abgasnachbehandlung
5 AdBlue® -Tank
6 Lithium-Ionen-Batterie
7 Traktionsumrichter
8 Anlagensteuerung
9 Bordnetzversorgung
einer gemeinsamen kompakten Einheit integ- Besonders wirtschaftlich ist diese Technik auf
riert. Die Antriebskomponenten müssen so Nahverkehrsstrecken mit häufigem Bremsen
nicht einzeln in das Fahrzeug eingebaut und zu und Beschleunigen im Stop-and-Go-Betrieb.
einem Antriebssystem kombiniert werden. Au- Die Energiereserven liefern dabei nicht nur die
ßerdem lassen sich die verschiedenen Kompo- nötige Kraft, um anzufahren oder zu beschleu-
nenten so über wenige Schnittstellen in das nigen, sondern versorgen auch die elektrischen
Gesamtsystem einbinden. Nebenverbraucher wie die Klimakompressoren
des Fahrzeugs mit Strom. Indem die bisher
Als Parallelhybrid kann das Antriebssystem ent- mechanisch angetriebenen Klimaverdichter
weder mit dem Dieselmotor, mit dem Elektromo- elektrifiziert wurden, rollt das Fahrzeug noch
tor oder mit einer Kombination aus Diesel- und energieeffizienter über die Schienen. Generell
Elektromotor betrieben werden: Eine speziell für können mit Hybridtechnologie der Kraftstoff-
MTU entwickelte Elektromaschine wird an der verbrauch und Kohlendioxidausstoß um bis zu
Kurbelwelle montiert und kann als Generator 25 Prozent gesenkt werden. In sensiblen Berei-
oder als Elektromotor fungieren. Ein Frequenzum- chen ist so ein geräusch- und emissionsarmer
richter steuert je nach Bedarf den Energiefluss Bahnbetrieb möglich.
von der Batterie zum Antrieb und zurück. Da-
durch lässt sich die Betriebsart flexibel auf das Der Hybridantrieb der Zukunft: gemeinsam
jeweilige Streckenprofil anpassen. Beim Bremsen zum Ziel
wird ein Teil der kinetischen Energie in elektri- Für das Pilotprojekt bündelte MTU seine techni-
sche Energie umgewandelt und in dem Li-Ionen- sche Expertise mit dem Betreiber-Know-how der
Batteriemodul zwischengespeichert. Gegenüber Deutschen Bahn: MTU entwickelte das Hybrid-
hydrostatischen Systemen zur Rückgewinnung Powerpack, testete das Powerpack und die Lithi-
von Energie zeichnen sich Li-Ionen-Zellen vor um-Ionen-Batterien am Prüfstand und lieferte
allem durch ihre deutlich höhere Energiedichte den Prototyp. Die Deutsche Bahn integrierte die
und eine hohe Zyklenfestigkeit aus. Die in den Komponenten und Systeme in ein Bestandsfahr-
Batterien gespeicherte elektrische Energie wird zeug der Baureihe VT 642, führt die Erprobung
beim Anfahren oder Beschleunigen über einen durch und sorgte dafür, dass der Nahverkehrs
Gleichstrom/Wechselstrom-Umrichter an den triebzug für den Fahrgastbetrieb zugelassen
Generator abgegeben, der dann als Elektromotor wird. Gefördert wurde das Vorhaben vom Bun-
das Schienenfahrzeug antreibt. So kann bei Be- desministerium für Verkehr, Bau und Stadtent-
darf — etwa bei Tunnelfahrten, bei Einfahrten in wicklung im Rahmen des Projektes Modell-
Bahnhöfen oder bei Fahrten durch dicht besiedel- regionen Elektromobilität, das von der NOW
te Gebiete — die Energie aus den Batterien für die GmbH Nationale Organisation für Wasserstoff-
Fahrt verwendet werden. und Brennstoffzellentechnologie koordiniert wird.
Schema des Hybrid-Antriebssystems
AUX Nebenabtriebe
Diesel Dieselmotor
KSG Kurbelwellenstartergenerator
TRU Traktionsumrichter
BAT Lithium-Ionen-Batterie
K Kupplung; W: Wandler
SG Schaltgetriebe
AG Achswendegetriebe
Der umgerüstete Nahverkehrswagen vom Typ VT 642 ist mit Hilfe
eines dieselgetriebenen MTU-Hybrid-Powerpacks auf deutschen
Schienen unterwegs.
Einen entsprechenden Förderbescheid über versorgung sowie ein zentraler Schalt-
1,9 Millionen Euro überreichte Verkehrsminister schrank — optimal angeordnet, um Fahrdynamik
Ramsauer im September 2010 auf der Bahnmes- und Sicherheit weiterhin zu gewährleisten. 9
se Innotrans an die Projektpartner. Am gesam-
ten Entwicklungs- und Erprobungsprojekt sind 6
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neben MTU die DB RegioNetz Verkehrs GmbH
Westfrankenbahn und die DB Systemtechnik mit
den Standorten Kassel, München und Minden
sowie das Fahrzeuginstandhaltungswerk Kassel
der Deutschen Bahn beteiligt.
Bei der Umrüstung des dieselmechanischen
4
Triebwagens mussten einige Besonderheiten
berücksichtigt werden. „Die optimale Mas-
severteilung spielte eine große Rolle“, er- 8 2
1
läutert Claus Werner, Projektleiter der
Deutschen Bahn. Die übergeordnete 3 8
Leittechnik im Bereich der Software 5
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sollte möglichst unberührt belas-
sen werden, um eine wirtschaftli-
che Hybridisierung von Bestands- 5 AdBlue® -Tank
fahrzeugen zu erreichen. Der Auf-
6 Lithium-Ionen-Batterie
bau der Dachkonstruktion wurde
grundlegend geändert: Beim Hyb- 1 Dieselmotor 7 Batteriekühlsystem
ridzug sitzen dort die Li-Ionen-Bat- 2 E-Motor / Generator 8 Anlagensteuerung
terien und deren Klimaanlage, die neu
entwickelte CO2-Klimaanlage zur Klimatisie- 3 Getriebe 9 Bordnetzversorgung
rung des Fahrgastraumes einschließlich des nöti- 4 Abgasnachbehandlung (SCR) 10 Traktionsumrichter
gen Hilfsbetriebeumrichter zu ihrer Spannungs-
versorgung, der DC/DC-Wandler zur Bordnetz-
Mögliche Betriebsstrategien des Hybridantriebs
Damit der gesamte Antriebsstrang möglichst Strategie 1: Konventioneller Dieselbetrieb hof oder bei der Fahrt durch Wohngebiete kann das
verbrauchs- und emissionsoptimiert arbeitet, Der Leistungsaufwand erfolgt ohne Elektromotor Fahrzeug rein elektrisch betrieben werden. Durch
muss die Betriebsweise der Einzelkomponenten nur über den Dieselmotor. Dieser arbeitet beim den elektrischen Antrieb verbraucht das Fahrzeug
optimal kombiniert werden. Über eine entspre- Beschleunigen mit voller Leistung, im normalen bei dieser Strategie trotz gleicher Leistung wie im
chende Betriebsstrategie ist es möglich, den Fahrbetrieb (Cruise-Modus) und bei langsamen reinen Dieselbetrieb weniger Kraftstoff, gibt weniger
Kraftstoffverbrauch von Nahverkehrstriebzügen Fahrten im Bahnhof nur mit einem Teil der Lei- Schadstoffe an die Luft ab und fährt leiser.
erheblich zu senken. Beim Hybridantrieb ist stung. Beim Bremsen geht die gesamte Energie
deshalb das Ziel, den Verbrennungsmotor so zu ungenutzt verloren. Strategie 3: Hybrid „Boost“
belasten, dass er möglichst dauerhaft in seinem Wird das Fahrzeug mit einem kombinierten Antrieb
optimalen Betriebspunkt arbeitet. Strategie 2: Hybrid „Eco“ aus Diesel- und Elektromotor betrieben und die
Alternativ zum herkömmlichen Betrieb kann ein E-Maschine als Leistungsreserve für Leistungsspit-
normaler Dieselmotor mit einem Elektromotor ge- zen eingesetzt, kann ein größerer Motor darge-
koppelt werden. Bei einer kennfeldoptimierten Stra- stellt werden. Beim Beschleunigen wird der Diesel-
tegie wird der Dieselmotor im Bestpunkt gefahren motor voll belastet und zusätzliche Leistung über
und zusätzliche nötige Energie (wie etwa beim An- den Elektromotor bereit gestellt — ein Triebwagen
fahren) über die E-Maschine bereit gestellt. Beim kann schneller beschleunigen und auch extreme
Beschleunigen stellt der Elektromotor einen Teil der Steigungen zügig bewältigen. Im Mittel wird der
Leistung zur Verfügung, der Dieselmotor wird da- Dieselmotor bei dieser Strategie höher ausgela-
durch nicht voll belastet. Bremst das Fahrzeug, wird stet, wodurch das Fahrzeug insgesamt effizienter
Energie zurück gewonnen und gespeichert. Im Bahn- betrieben werden kann.
Mögliche Betriebsarten des Hybridantriebs 1 Dieselmotor im normalen Fahrbetrieb 1 Im normalen Fahrbetrieb wird das Schienenfahrzeug nur vom Diesel- motor angetrieben. Dieser zeigt seine Stärke vor allem in anspruchs- vollen Betriebsphasen: Hier arbeitet der Motor in einem Betriebspunkt mit besserer Auslastung und innerhalb eines besseren Kennfelds, was wiederum den spezifischen Kraftstoffverbrauch verringert. 2 Kombinierter Betrieb von Diesel- und Elektromotor Ist maximale Leistung gefordert, arbeiten der Diesel- und der Elektro- motor in Kombination. Der Elektromotor liefert zusätzliches Drehmo- 2 ment, wodurch der Triebwagen bei Bedarf noch schneller beschleunigen und bergauf fahren kann. Dies hilft, die Fahrzeiten zu optimieren und Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß deutlich zu reduzieren. Zum Anlassen des kalten, bzw. warmen Motors (Start-Stopp), wird die E-Ma- schine eingesetzt. Der sanftere Start schont den Dieselmotor und wirkt sich zudem kraftstoffsparend auf den Betrieb aus. In Betriebsphasen mit schwacher Auslastung wird der Motor so belastet, dass er in einem energetisch günstigeren Betriebspunkt arbeitet (Lastpunktanhebung). Die überschüssige Energie lädt über einen Generator die Traktionsbat- terie auf und lässt sich später je nach Bedarf wieder einsetzen. 3 3 Elektromotor für besonders leisen und schadstoffarmen Betrieb Der Elektromotor wird zum Hauptantrieb, wenn ein Schienenfahrzeug möglichst leise und emissionsarm betrieben werden soll — wie beispiels- weise in Wohngebieten, während des Aufenthalts im Bahnhof oder bei der Fahrt durch einen Tunnel. Durch die elektrische Komponente ist der Hy- bridantrieb auch energieeffizienter, wenn die Drehzahlen im niederen Bereich bleiben, wie beim Anfahren oder während einer langsamen Fahrt. 4 Bremsenergie-Rekuperation zum Aufladen der Batterie 4 Beim Hybridantrieb wird die Bremsenergie in elektrische Energie umge- wandelt und in den Traktionsbatterien gespeichert. Diese Energie kann später wieder genutzt werden, etwa zur Beschleunigung des Fahr- zeugs. Besonders wirtschaftlich ist die Hybridtechnik deshalb auf Nah- verkehrsstrecken mit häufigem Bremsen und Beschleunigen (Stop and Go), da hier viele Lade- und Entladezyklen erfolgen. 5 Stromversorgung des Zugs bei Stillstand Normalerweise ist die Lichtmaschine am Riemenantrieb am Diesel befestigt und erzeugt bei Bewegung elektrische Spannung für das 5 Bordnetz. Läuft der Diesel nicht, entleert sich der Akku sehr schnell. Die komplette Versorgung für das Bordnetz läuft deshalb über Lithium- Ionen-Zellen, die eine deutlich höhere Energiedichte als ein vergleich- bares hydrostatisches Rekuperationssystem aufweisen. Die Elektrifizierung mechanischer Nebenverbraucher kann so vom Motor entkoppelt werden und auf den tatsächlichen Bedarf abgestimmt wer- den. Türen, Anzeigegeräte, Fahrerpult, Innenbeleuchtung und andere Verbraucher werden so zuverlässig mit Strom versorgt, ohne dass der Dieselmotor laufen muss — wie etwa beim Stillstand im Bahnhof. Der Zeitpunkt, wann der Kurbelwellen-Startergenerator als Elektromotor und wann als Generator eingesetzt wird, ist von entschei- dender Bedeutung für die Energiebilanz des Hybridantriebssystems. Die Optimierung übernimmt deshalb das Steuergerät des Hybrid- Powerpacks: es kann Strecken- und Fahrplandaten von einer externen Quelle nutzen oder die Anforderungen der Strecke und des Fahrplans während des Betriebs selbständig erlernen.
Streckenprofil Aschaffenburg -
Miltenberg
• Streckenlänge: 37 Kilometer
• Haltestellen: 14
• Rote Bereiche: Der Zugführer
kann die zuvor gespeicherte
Energie (grüne Bereiche) für das
Anfahren oder als boost — also
als Zusatzleistung — beim Be-
schleunigen verwenden.
190 m
10 km 20 km 30 km
170 m
150 m
130 m
110 m
Antriebslösung mit Zukunftspotenzial: Lehmann, Projektleiter für die Entwicklung und nutzen. So könnten Hybridfahrzeuge auf sol-
Bildnachweis: Seite 1 bis 5, MTU.
Einsatz im Alltag Erprobung des MTU-Hybrid-Powerpacks. Dabei chen Strecken verkehren, auf denen dieselbe-
Nach der Zulassung für den Fahrgastbetrieb wird die Technologie modular aufgebaut sein. So triebene Schienenfahrzeuge nicht zugelassen
kommt der Hybrid-Nahverkehrswagen bei der kann sie grundsätzlich auf andere Motorbaurei- sind — wie beispielsweise in Tunneln oder über-
Westfrankenbahn am bayerischen Untermain hen oder auf andere Anwendungen wie beispiels- dachten Bahnhöfen. Davon profitieren letztend-
zwischen Aschaffenburg und Miltenberg zum weise Arbeitsmaschinen übertragen werden. lich auch die Fahrgäste: Sie können aus einer
Einsatz. „Mit 14 Haltestellen auf 37 Kilometer größeren Anzahl an Zugverbindungen auswählen
Streckenlänge bietet die eingleisige Strecke Für Hersteller von Schienenfahrzeugen und und dürfen sich auf dem Bahnsteig und bei einer
ideale Voraussetzungen zur Erprobung des Betreiber bietet der Hybridantrieb ein enormes Zugfahrt über einen niedrigeren Geräuschpegel
Hybridantriebes im Stop-and-Go-Betrieb“, er- Zukunftspotenzial. Die aktuelle europäische und bessere Luftqualität freuen. „Hybridantrie-
läutert Claus Werner. Die Erkenntnisse, die sich Emissionsstufe EU IIIB und kommende Abgas be bieten im Schienenpersonennahverkehr mit-
aus dem Fahrgastbetrieb ergeben, werden in stufen können eingehalten und gleichzeitig tel- und langfristig ökonomische und
entsprechende Nachfolgeprojekte einfließen. Betriebskosten verringert werden. Vorhandene ökologische Vorteile gegenüber dem heutigen
Außerdem sollen technische Standards für wei- Dieseltriebwagen lassen sich umweltfreundlich Stand der Technik“, resümiert Claus Werner.
tere Hybridisierungskonzepte geschaffen wer- remotorisieren und sind damit ebenso zuverläs- „Dieses Projekt ist somit ein bedeutsamer Mei-
den. „Ziel ist es, in den kommenden Jahren, die sig, wirtschaftlich und umweltschonend auf den lenstein auf dem Weg zum flächendeckenden
Technik in weiteren Fahrzeugen zu erproben und Gleisen unterwegs wie Neufahrzeuge. Einsatz emissionsarmer und umweltfreundlicher
die Serienreife für die Hybridtechnologie für Außerdem lassen sich dank Hybridtechnologie Züge auf nicht elektrifizierten Strecken.“
Nahverkehrstriebwagen zu erlangen“, so Ingo bestehende Schieneninfrastrukturen effizienter
MTU Friedrichshafen GmbH
A Rolls-Royce Power Systems Company
www.mtu-online.com April 2013
MTU ist eine Marke der Rolls-Royce Power Systems AG. Schnell
laufende MTU-Motoren und Antriebssysteme sind in Schiffen,
Schienenfahrzeugen, Landwirtschafts-, Industrie- und Bergbaufahr-
zeugen, militärischen Fahrzeugen, in Energiesystemen und in der
Öl- und Gasindustrie im Einsatz. Das Portfolio umfasst Dieselmo-
toren mit einer Leistung bis 10.000 Kilowatt (kW), Gasmotoren bis
2.150 kW und Gasturbinen bis 35.320 kW. Für die Steuerung und
Überwachung der Motoren und Antriebsanlagen entwickelt und
produziert das Unternehmen maßgeschneiderte Elektroniksysteme.
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