TT- Freunde Schweiz

++++ 2022-06-22 ++++ Auf der Suche nach den letzten Zehntelprozenten beim Wirkungsgrad - oder Siliziumkarbid (SiC) als Heilsbringer und neuer Stern am Halbleiterhimmel

Wir schrieben neulich an dieser Stelle, dass die Drehstromtechnik bei den Traktionsstromrichtern „ausentwickelt“ und Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad kaum mehr steigerbar sind. Ein wenig müssen wir uns aber doch korrigieren. Um den viel zu früh verstorbenen Schauspieler Helmut Fischer in diesem Zusammenhang zu zitieren: „A bisserl was geht immer“.

So ist es auch im Bereich der Traktionsstromrichter. Überall entlang der Umwandlungskette und auch bei den Hilfsbetrieben kratzt man bei den Herstellern die letzten Zehntelprozent beim Wirkungsgrad zusammen, denn es geht hier um Wettbewerbsvorteile und viel Geld für die Kunden in Form von unnötig bezahlten Betriebskosten.

Nebenstehende Tabelle zeigt typische Wirkungsgrade der Komponenten eines Antriebsstranges einer Lokomotive oder Triebzuges. Die Luft nach oben ist dünn geworden, die Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten sind kaum noch zu steigern. Und mehr als 100% geht ohnehin nicht.

Bei jedem Zehntel- Prozent welches „gefunden“ wird, summiert sich dies in einem Lokomotivleben zu vier-, fünf- oder gar sechsstelligen Summen an Einsparungen, welche sonst nur in Verlustwärme umgesetzt würden. Die Traktionsstromrichter (also der Vierquadrantensteller und der Pulswechselrichter) haben heute zusammen einen Wirkungsgrad von ca. 97%, d.h. es werden bei einer modernen Lokomotive bei Volllast (6400 kW) immer noch gegen 200 kW in Wärme umgesetzt.
Diese Wärme muss aufwändig von den Halbleiterchips (üblicherweise heute wassergekühlte IGBT- Module) abgeführt und aus den Stromrichterschränken herausgeführt werden. Denn je weniger Temperaturstress die Halbleiterbauelemente ausgesetzt sind, desto geringer sind die Ausfallraten.
Neben der riesigen Verschwendung an elektrischer Energie ist zusätzlich noch ein grosser Aufwand zur Abführung der Verlustwärme erforderlich (Wasserkühlkreislauf, Pumpen, Wärmetauscher, Lüfter).

Und hier kommen moderne Leistungshalbleiterbauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) ins Spiel. Sie gelten als die wichtigste Innovation in der modernen Leistungselektronik seit langem.

Seit einigen Jahren schickt sich diese nächste Generation an Halbleitermaterialien bei Leistungshalbleitern an, beginnend von den niedrigen Leistungsklassen, das bisher vorherrschende Silizium zu verdrängen. Zwar gab es in den letzten 50 Jahren mehrere Technologiewechsel bezüglich der Wirkungsweise der Leistungsschalter vom Thyristor über den GTO zum IGBT, allen gemeinsam war aber das Halbleitermaterial Silizium.

Denn nach den Thyristoren der Anfangszeit in den 1970er und 80er Jahren, war es lange Zeit bis in die 1990er Jahre der GTO (Gate Turn-off Thyristor) und dann bis in die Gegenwart der IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode - Insulated gate bipolar transistor), die jeweils zu ihrer Zeit die erste Wahl für den Leistungsteil der Traktionsstromrichter waren.
Das Material Siliziumkarbid (SiC) und seine vorteilhaften Eigenschaften ist schon seit Jahrzehnten bekannt. Immer wieder versuchten sich Hersteller erfolglos an dem verlockenden, aber schwierig und teuer herzustellenden Halbleitermaterial.
Ende der 1960er Jahre beschäftigte sich auch die BBC (heute ABB) kurzzeitig mit Siliziumkarbid (SiC). Das Projekt wurde jedoch aufgegeben, als sich herausstellte, dass hierzu die Qualität von monokristallinem SiC noch erheblich gesteigert werden musste.

Erst in den 1990er Jahren verbesserte sich die Qualität von SiC-Kristallen deutlich, als dieser Werkstoff in grossen Mengen als Substrat für Leuchtdioden verwendet wurde. ABB nahm die Entwicklung von SiC-Hochspannungselementen in den 1990er Jahren wieder auf, doch erneut konnten die Anforderungen für bipolare Höchstspannungselemente nicht erfüllt werden, und das Programm wurde fallengelassen.
Hersteller wie Infineon, Cree (heute Wolfspeed) und Mitsubishi nahmen neben ABB in den 1990ern ebenfalls die Entwicklungsarbeit auf.
Aber erst nach der Jahrtausendwende konnten erste marktfähige Produkte präsentiert werden. Mitsubishi präsentierte dann 2011 einen Traktionsstromrichter für eine U-Bahn und konnte damit erstmals den Nachweis der "Bahnfestigkeit" erbringen.

Typische Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten eines Antriebsstranges. Bei den Stromrichtern, heute bereits mit exzellenten Wirkungsgraden unterwegs, ist nur noch wenig Luft nach oben.

Tabelle: Siemens

Der Traktionsstromrichter eines Vectrons, von einem solchen tonnenschweren Schrank benötigt es pro Drehgestell jeweils einen.

Bild: Siemens

Ohne Halbleiterbauelemente fährt kein moderner Zug:
Hier beim Vectron- Dual- Mode speisen zwei Vierquadrantensteller (grün) den Gleichspannungszwischenkreis.
Pro Drehgestell ist jeweils ein Pulswechselrichter (orange) vorhanden.

Bild: Siemens

Die drei  Halbleiter-Technologiegenerationen von Leistungshalbleitern die sich in den letzten Jahrzehnten abgelöst haben.

Der Vergleich wesentlicher Eigenschaften von Silizium (Si) und Siliziumkarbid (SiC) zeigt die Überlegenheit des neuen Halbleitermaterials und deren Vorteile.  Im Vergleich zu klassischen Silizium (Si)- Bauelementen ermöglicht SiC effizientere und kompaktere Traktionsstromrichter.
Bild: TI

Seit einigen Jahren nimmt Siliziumkarbid mit jährlichen Wachstumsraten von 30% und mehr Fahrt auf, denn es wird insbesondere bei den erneuerbaren Energien (Wechselrichter) und bei der boomenden Elektromobilität sowohl fahrzeugseitig, als auch für die immer leistungsfähiger werdenden Ladestationen eingesetzt.

Die nötigen Herstellprozesse bekommen die (wenigen) Hersteller des Basismaterials immer besser und kostengünstiger hin. Allerdings bleibt das Ausgangsmaterial trotz aller Anstrengungen (grössere Wafer, kleinere Waferdicke, verbesserte Ausbeute etc) immer noch teuer.

Fast nur Vorteile von SiC:

Es sind einige gravierende Vorteile die elektronische Schaltelemente aus Siliziumkarbid (SiC) bieten. Im Vergleich zu Silizium hat Siliziumkarbid umfassende Vorteile bei hohen Temperaturen, hohen Spannungen und bei hohen Schaltfrequenzen.
Was die Temperaturbeständigkeit, genauer gesagt die Sperrschichttemperatur angeht, so kann das SiC- Material höher belastet werden als das „klassische“ Silizium.

Deswegen und aufgrund der geringeren Verluste kann mit SiC- Material die Kühlung kleiner und einfacher ausgelegt werden. Hilfreich ist auch die fast 3 x bessere Wärmeleitfähigkeit von SiC (siehe auch die Tabelle oben).

Durch die deutlich höheren Schaltfrequenzen reduzieren sich auch die zugehörigen Induktivitäten und Kapazitäten in der externen Beschaltung, die hinsichtlich ihrer Baugrösse auf etwa 1/10 reduziert werden können.

Durch einen grösseren Bandabstand (2,39 eV (3C-SiC) bis 3,33 eV (2H-SiC) statt der von Silizium (1,1 eV) ist ein SiC-MOSFET im Vergleich zu einem aus Silizium in der Lage, eine bis zu zehnmal höhere elektrische Feldstärke auszuhalten.
Bei gleicher Sperrspannung sind SiC-Chips daher dünner und daher in der Lage schneller zu schalten als Leistungschips basierend auf Silizium. Ausserdem sind die Durchlasswiderstände geringer.
All das führt dazu, dass Umrichter mit SiC- Leistungsmodulen deutlich bessere Wirkungsgrade aufweisen. Je nach Anwendungs- und Betriebsfall liegen die Einsparungen bei bis 70 %, aber dazu kommen wir später noch im Detail.

Siliziumkarbid füllt perfekt die Lücke zwischen dem klassischen Silizium und dem ebenfalls noch recht neuen Gallium-Nitrid (GaN) aus.
Es sind bei SiC deutlich höhere Schaltfrequenzen als bei den etablierten GTO und IGBT auf Siliziumbasis möglich, bei gleichzeitig (mittlerweile) ausreichend hohen Leistungen für einen "ausgewachsenen" Traktionsstromrichter.

Bild: Texas Instruments

Es passt gut ins Bild - denn am 10.5.2022 verkündete Siemens- Mobility eine strategische Partnerschaft mit Mitsubishi als Hersteller von IGBT- Modulen auf SiC-Basis.
Der batteriebetriebene Mireo ist ein vorrangiger Kandidat, da es hier besonders auf eine effiziente Umwandlung der in den Batterien gespeicherten Traktionsenergie ankommt.

Bild: Siemens

Ab hier wird es jetzt noch etwas technischer:

Die SiC- Module von Mitsubishi wie hier im Bild das "Full SiC-"- Modul FMF750DC-66A, sind im Moment so etwas wie der Goldstandard bei den Traktionsstromrichtern.

Immerhin 3300 Volt und 750 Ampere kann so ein Modul schalten. Gegenüber einem reinen Silizium - IGBT liegen die Schaltverluste um (bis zu) 75 % niedriger.

Die Durchlassverluste sind der eine Teil der Einsparungen, der andere Teil wird durch die geringeren Schaltverluste erzielt.
So ist es möglich, Schottky-Dioden (Schottky-barrier-diodes - SBDs) zu verwenden, die nicht bei den Silizium- IGBT verwendet werden können. SBD's können deutlich schneller schalten und erlauben deutlich höhere Sperrspannungen.
Infolgedessen können höhere Taktraten beim Schalten realisiert werden.

Bilder: Mitsubishi

Weitere Vorteile der SiC- Technik:

Bremsen und Energierückgewinnung:
Eine weitere Möglichkeit der Energieeinsparung liegt im Bremsvorgang und der Energierückgewinnung. Während des Bremsens werden die Leistungshalbleiter normalerweise mehr beansprucht als während der Beschleunigung. Das liegt vor allem an der kleineren Fläche der Freilaufdiode im Vergleich zur IGBT-Chipfläche. Daher ist die Menge an regenerativer Bremsenergie begrenzt, insbesondere bei höheren Zuggeschwindigkeiten.

Bei SiC-Leistungsmodulen unterstützt der SiC-MOSFET die Diode in diesem kritischen Betrieb. 
Auch durch die mögliche höhere Betriebs- und Sperrschichttemperatur erhöht sich die maximale Leistung im Gleichrichterbetrieb (Rückspeisen). Es kann mit der gleichen Modulgrösse jetzt potenziell mehr Energie zurückgewonnen und zurückgespeist werden.
Da insbesondere bei höheren Zuggeschwindigkeiten mit höherer Bremsleistung rekuperiert werden kann, steigt der Anteil der zurückgewonnenen Energie stark an. Dadurch werden zudem die mechanischen Bremsen entlastet und Wartungsintervalle verkürzt. Dies spiegelt sich am Ende auch in den Betriebskosten wieder (siehe auch Diagramme rechts).

Heizung, Klimatisierung und Belüftung:
Zweitgrösster Verbraucher elektrischer Energie im Fahrgastbetrieb sind die sogenannten Fahrgastkomfortanwendungen, im englischen „Hotel Loads“ genannt. Ihr elektrischer Energiebedarf kann bis zu 50 Prozent des Gesamtenergiebedarfs eines Zuges erreichen. Auch hier hilft der verbesserte Wirkungsgrad bei den Hilfsbetriebeumrichtern Energie einzusparen.

Die beiden Diagramme oben zeigen im Vergleich die Schaltfrequenzen konventioneller Module (oberes Diagramm) und des "Full-"SiC - Moduls FMF750DC-66A über einen weiten Leistungsbereich.
Zwei Dinge sind bemerkenswert: Zum einen die 5 - 10 mal höheren Schaltfrequenzen beim SiC und die Abhängigkeit der Schaltfrequenz vom Stromdurchfluss beim SiC im unteren Diagramm.

Zum anderen liegt genau hier ein Wermutstropfen, denn die SiC- Module fühlen sich bei geringen und mittleren Lasten besonders "wohl". Bei hohen Strömen steigen die Verluste überproportional an. Oder umgekehrt betrachtet ist es dann mit den Einsparungen nicht mehr so weit her.
Insofern führen von den Herstellern geclaimte Einsparungen, welche in einem günstigen Betriebszustand gemessen wurden, in die Irre.

Oben noch einmal ein Diagramm zum gleichen Thema von der Seite der Einsparungen her betrachtet.

Gerne gibt man seitens der Hersteller werbetechnisch an wie "bis zu 80% weniger Verluste", was zwar nicht gelogen ist, aber wie oben gezeigt nur den günstigen Zustand widerspiegelt, wenn beispielsweise nur 20% des Nennstromes fliessen.
Bei Volllast sieht die Welt anders aus, denn dann sind "nur noch" 30% Einsparung erreichbar - immerhin. 
Am Ende hilft nur eine Vergleichsmessung vorher / nachher bei genau definierten Betriebsbedingungen und Lastwerten.

Noch ein interessanter Aspekt:
das Diagramm oben zeigt, dass die verbesserte Rückspeisefähigkeit eines SiC- Traktionsstromrichters das mechanische und verlustbehaftete Bremsen im oberen Geschwindigkeitsbereich deutlich reduzieren kann.

Bilder: Mitsubishi

Ausblick:

Schon seit einigen Jahren haben SiC- Leistungsmodule den Leistungsbereich erreicht, wo sie für Bahnanwendungen (Traktionsstromrichter und Hilfsbetriebeumrichter) interessant werden.
Beginnend von den kleineren Leistungsklassen (z.B. in U- Bahnen) stossen SiC- Leistungsmodule  nun auch in die Leistungsklasse der „grossen“ Traktionsstromrichter vor.

Wir dürfen gespannt sein bis die Hersteller von Traktionsstromrichtern diese mit der entsprechenden SiC-Technik anbieten werden.
Die Entwicklung der 3,3 kV-Technik ist bei Mitsubishi nach eigenen Angaben seit 2017 abgeschlossen, wie hier berichtet wird. Seither wendet man sich der 6,5 kV- Technik zu, um höhere Leistungsdichten zu realisieren. Allerdings sind noch keine kommerziellen Produkte am Markt, was auf erhebliche Schwierigkeiten hindeutet.

Ein interessantes Interview mit Dr. Bernd Laska, Leiter der Entwicklung für MoComp Traktionsumrichter am Standort Nürnberg der Siemens AG zum Thema SiC und Traktionsstromrichter findet sich hier.
Er ist an vorderster Front dabei, wenn es darum geht, Schienenfahrzeuge bzw. deren Antriebsstrang weiterzuentwickeln und die ehrgeizigen Energieeffizienzziele der Fahrzeughersteller einerseits und der Kunden andererseits zu erfüllen.

Nachfolgend und abschliessend noch einige Begriffsklärungen:

Vergleich zweier Generationen Hilfsbetriebeumrichter.
Bemerkenswert ist die Verdoppelung der Leistungsdichte, d.h. bei gleichem Gewicht und Volumen wird die Leistung durch den Einsatz von SiC-  Halbleitern nahezu verdoppelt.

Dies ist nur möglich, weil die Verluste sich in etwa halbiert haben, was man an dem deutlich gestiegenen Wirkungsgrad erkennen kann. Sekundäreffekte solcher Entwicklungssprünge sind dann beispielsweise Gewichts- und Volumeneinsparungen, aber auch Geräuschreduzierung aufgrund geringerer oder wegfallender Lüftergeräusche.

Bild: Siemens

Thyristor:
Ein Thyristor ist ein Schalter, der durch einen Stromimpuls an seinem Gate eingeschaltet werden kann. Er kann nicht beliebig abgeschaltet werden, sondern schaltet sich beim nächsten Nulldurchgang des Stroms von selbst ab. Folglich eignet sich der Thyristor nur für Anwendungen, bei denen bereits ein Wechselstrom vorhanden ist.

Gate Turn-Off Thyristor (GTO):
Der GTO-Thyristor ist ein Schalter ähnlich dem Thyristor. Im Gegensatz zum Thyristor kann der GTO jedoch an einem beliebigen Punkt der Wechselstromschwingung abgeschaltet werden. Aufgrund einer inhärenten Instabilität durch die Bildung von Stromfilamenten beim Abschalten benötigt er eine Schutzbeschaltung (Snubber).

Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT):
Der IGBT ist ein bipolarer Transistor, der seinen Gate-Strom aus einem MOS-Kanal erhält. Solange extreme Betriebsbedingungen vermieden werden, weist das Element keinerlei Instabilitäten auf und kann mit minimaler oder ganz ohne Schutzbeschaltung betrieben werden.

++++ 2022-03-16 ++++   DAK - Kommt die (digitale) automatische Kupplung oder kommt sie nicht ?

Bereits seit dem 19. Jahrhundert sind die Eisenbahnen daran den gefährlichen, anstrengenden und zeitraubenden Kuppelvorgang zu vereinfachen und zu verbessern.
Im Jahre 1873 starteten im damals neu gegründeten deutschen Reich die Eisenbahnen eine Ausschreibung hierzu, aber es fand sich noch keine passende Lösung für das bereits damals bestehende Problem.

Erst die Patente des Ingenieurs Karl Scharfenberg am Anfang des 20. Jahrhunderts brachten eine praktikable technische Lösung für ein drängendes Problem.
Mit einiger Verzögerung ab den 1920er Jahren begann sich das Prinzip der automatischen Kupplung in Form der Scharfenbergkupplung in Europa langsam durchzusetzen.

Auch in den USA war man seit dem Ende 19. Jahrhunderts an dem Thema dran und schuf mit der halbautomatischen Janney- Kupplung einen ersten Standard.
Etwa zeitgleich zu Scharfenberg meldete der Engländer Willison seine Kupplung zum Patent an. In den USA setzte sich alsbald diese sehr robuste Kupplung durch, konnten mit dieser von nun an wesentlich höhere Zugkräfte übertragen werden. Ein Vorteil aller automatischen Mittelpufferkupplungen gegenüber den Schraubenkupplungen.
Auch die damalige Sowjetunion übernahm die Willison- Kupplung und führte diese leicht modifiziert ab 1932 unter dem Titel SA-3 ein (auf russisch CA-3 = Советская автосцепка, 3-й вариант, sowjetische Automatikkupplung, dritte Variante).

Somit war nach dem zweiten Weltkrieg die "Willison-Kupplung" und die daraus abgeleitete SA-3 in Ost und West die dominierende Kupplung.

Währenddessen ruhte in Europa die Entwicklung nicht.
Insbesondere in der damaligen DDR wurde seit den 1950er Jahren das Thema Mittelpufferkupplung weiter vorangetrieben. Die zu entwickelnde Kupplung sollte mit der russischen SA-3 kuppelbar sein, Druckluft-, später auch elektrische Leitungen mitkuppeln und für Reisezug- sowie Güterwagen und Lokomotiven einheitlich ausgeführt werden.
Die Forderung nach dem Verbinden von Leitungen bedingte die Abkehr vom unstarren Prinzip der SA-3 Kupplung. 1963 beteiligten sich auch die Sowjetischen Eisenbahnen, es kam zur Bildung eines gemeinsamen Konstruktionsbüros.

Um 1970 konnten die Kupplungen dann sowohl auf Prüfständen als auch im Einsatz ihre Betriebsfähigkeit und Dauerfestigkeit sowie ihre Kompatibilität nachweisen. Eine europaweite Einführung wurde in der Folge jedoch immer wieder verschoben.
Da die entwickelte Automatikkupplung (AK) nicht ohne Hilfsmittel mit der Schraubenkupplung kompatibel war, wäre ein europaweiter, simultaner Umstieg notwendig gewesen, den einige Mitgliedsländer finanziell nicht bewältigen konnten. Die als Systembestandteil mitentwickelte Gemischtkupplung (=Kupplungsadapter) war seinerzeit nur im Rangierdienst zugelassen. Letztendlich scheiterte an diesem technischen Detail die Einführung.

Die Entwicklung war aber nicht umsonst, denn die fertig entwickelte Kupplung und ihre Nachfolger (Bauarten Intermat bzw. AK69e) wurden seither in Sonderanwendungen eingesetzt. Zu nennen ist hier der Einsatz in schweren Erzzügen in Deutschland und den Niederlanden, da hier die Automatikkupplung ihre deutlich höhere Zugfestigkeitsgrenze voll ausspielen konnte.

Die Erfordernis einer simultanen europaweiten Umstellung, welche letztendlich das Scheitern in den 1970er Jahren mit sich brachte, wäre aus heutiger Sicht nicht mehr erforderlich, da entsprechende Adapter verfügbar sind.

Nach den gescheiterten Versuchen, die Automatische Kupplung (AK) in den 1970er- und die Z-AK in den 1990er-Jahren einzuführen, werden aktuell intensive Bemühungen zum Austausch des Schraubenkupplungssystems durch eine Digitale Automatische Kupplung (DAK) durchgeführt.

Die Bezeichnung „digital“ soll auf die Übertragung von Daten und Energie durch die Kupplung hindeuten.

Der aktuelle Handlungsbedarf ist gross. Allein DB Cargo kuppelt am Tag in Deutschland etwa 54.000 Wagen und Züge.
Der gesamte europäische Schienengüterverkehr kommt sogar auf etwa 400.000 Kupplungsvorgänge am Tag. Um den Wagenladungsverkehr konkurrenzfähig zu machen sind dringend Produktivitätsfortschritte erforderlich. Die DAK ist hier wesentliche Voraussetzung, auch um weitere Rationalisierungsschritte wie beispielsweise die automatische Bremsprobe zu ermöglichen.

An einem Pilotprojekt welches von Juli 2020 bis Ende 2022 dauern soll, sind neben der DB und ihrer Tochter DB Cargo fünf weitere Unternehmen beteiligt: SBB Cargo und Rail Cargo Austria sowie die grossen Waggonvermieter Ermewa, GATX Rail Germany und VTG.

In dem aktuellen Auswahl- und Pilotverfahren haben sich zwei Akteure sehr positiv hervorgetan:
Einmal das deutsche Verkehrsministerium (BDMV), welches das Vorhaben mit 14 Millionen € an Fördergeldern unterstützt und die SBB Cargo, welche in einem gross angelegten Feldversuch die Voith- Kupplung bereits seit 2019 im Binnenverkehr einsetzt.

Ähnlich wie beim autonomen Fahren wird der Automatisierungsgrad in Stufen definiert. Gefordert wird der Typ 4, der Typ 5 soll zu einem späteren Zeitpunkt nachrüstbar sein.  

Grafik: BDMV

Europa und Teile Afrikas sind die letzten Rückzugsgebiete der Schraubenkupplung.

Bild: BMDV (Bundesministerium für Digitales und Verkehr)

Die vier anfänglichen Kandidaten für die DAK.

In einem ersten Schritt ging es um die (Vor-) Auswahl einer geeigneten Lösung. Hierzu waren vier Bewerber mit unterschiedlichen Lösungsansätzen angetreten, die spanische CAF mit einem modifizierten SA-3 Kupplungskopf, Faiveley mit einem "Schwab"- Kupplungskopf, Dellner und Voith mit einem  Scharfenberg- Kopf.

Bild: BMDV

Aktueller Einsatz von verschiedenen Automatikkupplungen in Europa.     Bild: BDMV

Die Projektteilnehmer der DAK - drei grosse international tätige Waggonvermieter und die Güterverkehrssparten der Bahnen aus Deutschland, Österreich und der Schweiz.

Versuchsbetrieb der DAK mit zahlreichen Sensoren und Messaufnehmern.  

Bild: SBB Cargo

Erprobung "in der Fläche" in der Schweiz:
Anfänglich 25 Lokomotiven und 100 Wagen wurden hierzu mit 200 Wagen- und 50 Hybridkupplungen von Voith ausgestattet.
In einem zweiten Schritt hat man den kompletten intermodalen Inlandstransport ab Juni 2021 automatisiert.
Das entspricht einer Erweiterung auf 11 von aktuell sechs Binnenterminals in der Schweiz.
Hierfür wurden weitere 206 Wagen- und 16 Hybridkupplungen beschafft.

Bild: SBB Cargo

Hinweis: Wer sich in das Thema tiefer einlesen möchte, dem sei der für das deutsche Verkehrsministerium (BDMV) verfasste Bericht zum Thema DAK empfohlen - Link:
https://www.netzwerk-bahnen.de

Selbst der brachialen Anfahrzugkraft zweier Re 6/6 soll die neue DAK standhalten.

Denn jeder der vier DAK- Kandidaten kann mindestens 1000 kN an (Dauer-) Zugkraft aushalten.
Bei Schraubenkupplungen liegt dieser Wert bei 450- 500 kN.        

Bild: SBB Cargo

Fazit und Ausblick:

Die Chance für die europaweite Einführung der DAK war noch nie so gross wie jetzt. Zielvorgabe ist, die Einführung innerhalb von sechs Jahren bis 2030 abgeschlossen zu haben. Daher soll die Einführung auch spätestens 2023/ 2024 beginnen. Wesentliche Voraussetzung sind weiterhin positive Ergebnisse bei der Flächenerprobung durch die SBB Cargo.

Denn laut einer Studie im Auftrag des deutschen Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) ist die Einführung der DAK eine echte Mammutaufgabe: in den 27 EU-Ländern, in Grossbritannien, der Schweiz und Norwegen müssen bis zu 490.000 Güterwagen und 17.000 Triebfahrzeuge umgerüstet werden.

Ein Hightech-Teil, die DAK            Bild: DB Cargo

++++ 2021-06-20 (erweitert 2021-06-26) ++++  Batterie oder Wasserstoff  - Wer gewinnt das Rennen um den Dieselersatz ?  (Teil 1)

Derzeit überschlagen sich die Meldungen zu neuen Antriebstechniken im Eisenbahnbereich. In der Entwicklung und bereits im Einsatz sind batterieelektrische Züge, ebenso aber auch erste mit Wasserstoff betriebene Züge als neuer heiliger Gral der Antriebstechnik und der Energiespeicherung.
Hintergrund sind die weltweit sich ständig verschärfenden Klimaziele. Hierzu muss auch der Verkehrssektor seinen Anteil zur Reduktion der CO₂- Emissionen leisten.  Wobei es für die Eisenbahn ganz einfach wäre, wenn wie in der Schweiz alles bereits flächendeckend elektrifiziert wäre und die elektrische Energie vollständig aus regenerativen Quellen gewonnen würde (Schweiz derzeit 90%, Österreich 100%, Deutschland 61%).

Doch selbst in der Schweiz verbrauchen die verbliebenen Rangier- und Baudienstfahrzeuge erhebliche Mengen an Dieselkraftstoff, worüber man sich aufgrund der langen Produktlebenszyklen (wir reden da teilweise von bis zu 50 Jahren) Gedanken macht. In der Schweiz und in anderen Ländern ist man bereits daran durch entsprechende Umstellungs- und Beschaffungsmassnahmen die Dekarbonisierung voranzubringen.

Beginnen wir aber in den USA und schauen wo dort die Reise momentan hingeht.

Neben dem Nord-Ost-Korridor und einigen Vorortstrecken gibt es bis heute kaum elektrifizierte Abschnitte im amerikanischen Netz. Und es wird sie auch absehbar auf den langen Güterstrecken durch den Kontinent nicht geben.

Der amerikanische Ansatz, die FLXdrive von Wabtec (vormals GE).
Bild: Wabtec

Zu gross wären die klimatischen, finanziellen, infrastrukturellen und technischen Anforderungen. Daher werden die Gütertransporte auf der Schiene in den USA bis in die Gegenwart ausschliesslich mittels Dieseltraktion erbracht.

Die heutige Dieseltraktion in Nordamerika hat etliche Jahrzehnte an Entwicklung hinter sich und ist hinsichtlich Effizienz und Reifegrad in ihrer bisherigen Form kaum mehr steigerbar.
Trotzdem tut sich in den USA, zumindest hinsichtlich der weiteren Optimierung des Dieselbetriebes, etwas. 
In einer Kooperation stellten Wabtec, der grösste Hersteller von Lokomotiven in den USA und die BNSF, eine der grössten Eisenbahngesellschaften der USA, Ende 2020 eine Batterielokomotive als Versuchsträger auf die Beine.

Ziel ist es diese "Batterielok" im Verbund mit üblicherweise zwei weiteren Standard- Lokomotiven auf den Bergstrecken einzusetzen. Dort soll die Batterielok als "Booster" arbeiten, um auf der anschliessenden Talfahrt per generatorischer Bremsung die Batterien wieder aufzuladen.

Immerhin 11% Verbrauchsersparnis und damit auch eine entsprechende Reduktion der CO₂ - Emissionen will man damit erreichen, wie die ersten Monate des Probebetriebes ergaben.

Viel Platz nimmt bei der FLXdrive der Batteriespeicher ein.  Die Energiemenge die darin gespeichert ist, entspricht aber gerade einmal 240 l Diesel.
Über den Wirkungsgrad gerechnet (Batterie und Motor statt Verbrennungsmotor/ Generator/ Motor) sind es immerhin der Gegenwert von ca. 700 Litern Diesel,  die von der Batterie über die Fahrmotoren an den Antriebsachsen ankommen.

Bild: General Electric Transportation (2018), heute Wabtec

Allerdings zeigt diese Pilotierung bereits jetzt, dass der Batteriespeicher mit respektablen 2400 kWh Inhalt an den brutalen und langen Anstiegen nicht ausreicht und daher bereits jetzt der Ruf nach einer 6000 kWh Speicherlok laut wird.

Ob ein mehr als doppelt so grosser Speicher noch auf einer Lok untergebracht werden kann, oder ob es dann womöglich einen "Batterietender" geben wird, ist noch offen und hängt wesentlich von der verfügbaren Batterietechnologie und deren Energiedichte ab. Das beschriebene und aktuell pilotierte Verfahren des Batterie- Boosters lässt sich ohnehin nur auf geeigneten Gebirgsstrecken mit passenden Steigungs- und Gefällstrecken einsetzen.

So soll zukünftig ein Kraftpaket für die Bergstrecke aussehen. Zwei Standardlokomotiven und eine Batterielok im Verbund.

Bild: BNSF

Aufhorchen lässt dann eher eine Meldung von Mitte Juni 2021, dass Wabtec zusammen mit General Motors (GM) an einem Wasserstoff-Brennstoffzellen- Antriebssystem für Lokomotiven arbeitet. GM und dessen Partner Honda wiederum arbeiten seit Jahren an der gemeinsamen Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen.

Sinngemäss heisst es dazu in der Mitteilung: GM und Wabtec haben eine unverbindliche Vereinbarung über den Bau von Lokomotivmotoren unterzeichnet, die Ultium-Elektrobatterie des Automobilherstellers und sein Hydrotec-Wasserstoff-Brennstoffzellensystem zu verwenden, teilten die Unternehmen am Dienstag mit.

Die nächste Generation, obwohl technologisch noch fern am Horizont, wird schon aktiv von Wabtec beworben.
Mit einem Speicher von 6000 kWh werden bis zu 30% Einsparung versprochen. 
"Up to" ist das entscheidende Wort im Anzeigentext  - Marketing, da sind die Amerikaner eben unerreicht.
Der Batterietender wäre dann offenbar vom Tisch.
Denn nicht mehr Lithium-Ionen-Batterien, sondern hunderte Module einer wieder aufladbaren Lithium-Metall-Batterie sollen zum Einsatz kommen. Allerdings wird es erst in 2023 zu einer Pilotfertigung in den USA kommen, so der Partner und Hersteller der Batteriepacks, GM.

Bild: Wabtec

Für GM würde der Deal eine weitere Möglichkeit bieten, seine Ultium- Batterietechnologie zu verkaufen und sein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem in die Produktion zu bringen.
Wabtec seinerseits würde einen emissionsfreien Antriebsstrang für seine Lokomotiven erhalten, da sich das Unternehmen verpflichtet hat, bis 2030 30 % seiner Zugmotoren mit ökoeffizienter Technologie zu betreiben.

"Durch die Zusammenarbeit mit GM bei der Ultium- Batterie und der Hydrotec- Wasserstoff- Brennstoffzellentechnologie können wir den Weg der Bahnindustrie zur Dekarbonisierung und den Weg zu emissionsfreien Lokomotiven beschleunigen, indem wir diese beiden wichtigen Antriebstechnologien nutzen", sagte Wabtec Chef Rafael Santana in der Erklärung.

Die BNSF hat bereits einen ersten eigenen Gehversuch mit Wasserstoff im Jahre 2008 absolviert, als ein Demonstrator als Rangierlok aufgebaut wurde. Nach einer ersten Evaluierung verschwand dieser anscheinend aber sehr schnell in der Versenkung.

Bild: BNSF

Zwischenzeitlich gibt es für die Switcher und Shunter, so heissen die Rangier- und Übergabelokomotiven in den USA, einen neuen Anlauf.
Mit vier Millionen Dollar Fördergeldern des eher fortschrittlichen Bundesstaates Kalifornien wird Sierra Northern Railway, eine kleine Eisenbahngesellschaft die in Nordkalifornien tätig ist, in 2022 einen Versuchsprototypen einer Rangierlokomotive aufbauen. Hierfür liefert Ballard Power Systems Brennstoffzellenmodule an die Sierra Northern Railway.

Nach dem Probebetrieb in 2022 ist eine Inbetriebnahme in 2023 geplant. Hierzu wird ein 200 kW Brennstoffzellensystem FCmove-HD von Ballard zusammen mit einem Wasserstoffspeicher mit 220 kg Kapazität und einer 500 kWh Batterie sowie den entsprechenden Zusatzeinrichtungen und Steuerungssoftware zusammengeführt.
Der Druck das Projekt zum Erfolg zu führen ist hoch, denn man will eine technologische Basis schaffen. Alleine in Kalifornien sind hunderte von Dieselloks in den städtischen Agglomerationen unterwegs.

Statt einer konventionellen Remotorisierung werden in der Versuchslok von Sierra Northern Railway bis auf die Fahrmotoren alle bestehenden Antriebskomponenten einer Bestandslok entfernt.

200 kW Leistung der Brennstoffzelle klingen wenig, aber sie reichen aus, da der gemittelte Leistungsbedarf einer solchen Rangierlok diesen Wert nicht überschreitet und die Spitzenbedarfe der Batterie entnommen werden.

Bild: Sierra Northern Railway

Eine Rangierlokomotive verbraucht durchschnittlich fast 200'000 Liter Diesel pro Jahr, insgesamt wird alleine für diesen Sektor in Kalifornien das Einsparpotential auf etwa 50 Millionen Liter Diesel geschätzt.

In Kanada ist man ebenfalls am Thema Wasserstoffantrieb dran. Auch hier führt der Weg zum Wasserstoff über eine entsprechende Brennstoffzelle der kanadischen Firma Ballard.
Allerdings geht man in Kanada einen Schritt weiter und wagt sich mit der Brennstoffzellentechnik an eine Streckenlokomotive heran. Die CP (Canadian Pacific) will eine bestehende dieselelektrische Streckenlokomotive nachrüsten und deren Dieselantrieb und den Traktionsgenerator durch Wasserstoff-Brennstoffzellen- (HFC) kombiniert mit Batterietechnologie zum Antrieb der elektrischen Fahrmotoren ersetzen.

Es sollen im noch dieses Jahr von Ballard sechs 200 kW Brennstoffzellenmodule an die CP geliefert werden. Die Module werden damit insgesamt 1,2 MW Leistung für den Betrieb der Lokomotive bereitstellen.

Sobald die Lokomotive betriebsbereit ist, wird die CP nach eigenen Angaben "Versuche im Bahnbetrieb und Qualifikationstests durchführen, um die Eignung der Technologie für den Güterbahnsektor zu bewerten."

Wasserstoff scheint auf den langen Strecken des nordamerikanischen Kontinents die einzige Alternative zur Elektrifizierung zu sein.

Bild: CP

Knapp zusammengefasst:
kurzfristig hat die Batterietechnik in Nordamerika die Nase vorn, langfristig wird man am Wasserstoff nicht vorbeikommen, denn die Speicherdichte ist um ein Vielfaches höher als mit Batterietechnik. Allerdings sind beim Wasserstoff auch die technischen Hürden wesentlich höher.
Der Weg ist daher noch lang, bis man im schweren Streckendienst mit dem Wasserstoffantrieb so weit ist den Diesel tatsächlich zu ersetzen.

(Ende Teil 1 )

++++ 2021-07-25 ++++  Batterie oder Wasserstoff  - Wer gewinnt das Rennen um den Dieselersatz ?  (Teil 2)

Der Diesel ist tot, es lebe der Diesel

Kehren wir nach Europa zurück. Und hier ist die Lage noch etwas verwirrender und komplexer.

Aufgrund der in Europa mehr oder weniger weit verbreiteten Elektrifizierung, zumindest der Hauptstrecken, sind im Güterverkehr zunehmend auch Zweikraftloks oder Dual-Mode Loks im Kommen.  Diese sind zwar keine bahnbrechend neue Erfindung, setzen sich aber zunehmend in speziellen Einsatzgebieten durch, sowohl als Streckenloks, aber auch als Rangierloks.

Bei den Streckenloks gibt es zwei unterschiedliche Ansätze.
Zum einen die klassischen Elektroloks mit Last-Mile-Diesel wie bei den TRAXX von Bombardier und beim Vectron von Siemens. Hier geht es darum mit einem relativ kleinen (optionalen) Dieselaggregat die Lok und ggf. auch einen schweren Zug in nicht elektrifizierten Anschlussgleisen über kurze Strecken zu bewegen bis wieder der Fahrdraht zur Verfügung steht. Ziel ist es beim Verschub an den Start- und Endpunkten auf die entsprechenden Rangierloks samt Personal verzichten zu können.

Stark im Kommen sind in Mitteleuropa aber "echte" Dual Mode- Streckenloks wie die Stadler EuroDual und der Siemens Dual Mode- Vectron. Hier ist jeweils ein grosses Dieselaggregat als Streckendiesel installiert, womit auch längere Dieselstrecken ohne Fahrleitung bewältigt werden können.

Ein Vertreter der Dual-Mode Loks: die Stadler Euro Dual

Bild: Green Cargo

Während man bei Siemens mit dem Dual Mode- Vectron (90 Tonnen, 300 kN Anfahrzugkraft, 2400 kW elektrisch/ Diesel) und dem Dual Mode Light- Vectron (84 Tonnen, 300 kN Anfahrzugkraft, 2200 kW elektrisch/ 950 kW Diesel) das untere und mittlere Leistungsspektrum abdeckt, hat Stadler eine schwere Streckenlok  (132 Tonnen, 500 kN Anfahrzugkraft, 6000 kW elektrisch/ 2800 kW Diesel) im Programm, welche für alle Anwendungsfälle ausreichend Leistung bereit hält.

Die Vorteile einer solchen Dual Mode- Lösung sind:
+ durchgängige Traktion, d.h. kein Umspannen unterwegs auf die jeweils andere Traktionsart
+ kein Vorhalten von Rangierloks an den (häufig entlegenen) Endpunkten
+ deutlich niedrigere Betriebskosten (Kraftstoffkosten und Wartungskosten des Dieselteils) wenn bei hohem Fahrleitungsanteil überwiegend elektrisch gefahren werden kann und Dieselfahrten unter Fahrdraht entfallen können.

Aber auch eher triviale Dinge wie nächtliche Abstellmöglichkeiten gestalten sich in Zeiten "verschlankter" Infrastrukturen deutlich einfacher, wenn fernab der Knotenpunkte keine mit Fahrdraht versehenen Abstellmöglichkeiten zur Verfügung stehen.

Insbesondere bei seltenen oder unregelmässig verkehrenden Leistungen (z.B. Holzverkehre) kann die gesamte Transportkette mit einer Lok und ggf. Lokführer abgewickelt werden.
 
Jenseits der Streckenlokomotiven setzen sich auch bei den Rangier- oder Verschublokomotiven ebenfalls Zweikraftloks (Kombination von Diesel- und Elektroantrieb) durch. Beispiel ist die Eem923 der SBB- Cargo.

Bild:  Wikipedia

Es zeigen sich bereits jetzt bei der EuroDual von Stadler zwei Dinge:
- Reine Dieselmaschinen, wie die Class66, welche Transporte auf der Langstrecke unter Fahrdraht durchführen, weil irgendwo ein Stück fahrdrahtfreie Strecke auf dem Transportweg liegt, werden durch die Stadler EuroDual verdrängt.
- Durch die gestiegene Effizienz in der Transportkette können mit der EuroDual mittlerweile echte Neuverkehre generiert werden, welche vorher nicht rentabel waren oder es können solche vom LKW zurückgeholt werden.

Aber auch im Personenverkehr kommen immer mehr neue Antriebsformen zum Einsatz. Hier kommt eine Entwicklung der letzten Jahrzehnte den neuen Antriebsarten zu Hilfe. Denn nicht nur im Regionalverkehr haben Triebwagen immer mehr die Leistungen von lokbespannten Wagenzügen übernommen und diese in immer mehr Nischen abgedrängt.
Denn der Triebwagen ist in vielerlei Hinsicht dem lokbespannten Zug überlegen, seien es Anschaffungs- und Unterhaltskosten oder auch nur die Wendemöglichkeit, da der Triebwagen per se schon ein Wendezug ist. Es sind aber auch Gewichtsvorteile vorhanden und das geringere Gewicht kommt den neuen Antriebsformen zupasse.

Wasserstoff

Beginnen wir mit Alstom, denn dort hat man recht früh angefangen sich mit der Wasserstofftechnik auseinanderzusetzen und hat bereits 2016 einen Prototypen des Lint auf die Schiene gestellt. Dieser ist seit 2020 erfolgreich in Niedersachsen im Planeinsatz.
Die Technik dahinter ist schnell erklärt, aber trotzdem hochkomplex und anspruchsvoll.

In zwei Wasserstofftanks werden 90 kg Wasserstoff mit hoher Energiedichte und hohem Druck auf dem Zugdach in gespeicherter Form mitgeführt.

Alstom hat per Mitte 2021 bereits 42 Exemplare seines mit Wasserstoff angetriebenen Lints verkauft.

Bild: Alstom

Zwei Brennstoffzellen der Fa. Ballard mit jeweils 200 kW Leistung wandeln den Wasserstoff in elektrische Energie um.
Der elektrische Antrieb des Lint stellt eine Anfahrzugkraft von 87 kN und eine Leistung von 544 kW zur Verfügung. Die Reichweite soll je nach Einsatzprofil aufgetankt bei 600 bis 1000 Kilometern liegen, die Höchstgeschwindigkeit bei 140 km/h. Der zweiteilige Zug bietet 150 Sitz- und 150 Stehplätze.
Da Brennstoffzellen schlecht auf die sich ständig wechselnden Traktionsanforderungen reagieren können und nicht wie ein Verbrennungsmotor moduliert werden können, ist auch noch ein Batteriespeicher mit 110 kWh Kapazität im Spiel, welcher einerseits Überschussenergie der Brennstoffzellen speichert und umgekehrt die Spitzenbedarfe beim Anfahren abdeckt und beim (generatorischen) Bremsen zusätzlich geladen wird.

Dass man in Niedersachsen mit dem Versuchsbetrieb angefangen hat, ist einerseits dem Alstom- Werk im nahen Braunschweig geschuldet, aber auch die topographisch wenig anspruchsvolle norddeutsche Tiefebene ist für ein Erstprojekt eher vorteilhaft.

Der (Wasserstoff-) Pfad von der (regenerativ) erzeugten elektrischen Energie bis zum Rad des Zuges ist ein langer, verlustreicher Weg mit vielen Prozessschritten und Umwandlungen (rote Pfeile).

Bild: Siemens- Energy

Problematisch ist der bis auf 700 bar (Erdgasfahrzeuge 200 bar) komprimierte Wasserstoff. Denn dieser hat erst bei hoher Komprimierung die gewünschte Energiedichte. Wasserstoff muss in der Regel erst durch Elektrolyse erzeugt und anschliessend aufwändig komprimiert werden.

Bei der Rückumwandlung über die Brennstoffzelle in elektrischen Strom, der Zwischenspeicherung in der Batterie, und dem Weg über die Traktionsstromrichter und schliesslich über die Motoren entstehen weitere, nicht unerhebliche Verluste bis daraus die Bewegungsenergie am Rad entsteht.

Auch Siemens springt auf den Wasserstoff- Zug auf und wird den Mireo in einer öffentlich geförderten Pilotstellung im Raum Tübingen in Baden-Württemberg auf die Schienen stellen. Eine weitere Teststellung wird ebenfalls ab 2023 in Bayern realisiert. Bei diesen Teststellungen sollen Züge mit jeweils zwei Ballard- Brennstoffzellen mit je 200 kW Leistung zum Einsatz kommen.
Die Ballard 200 kW- Brennstoffzelle entwickelt sich zunehmend zum Goldstandard für Eisenbahnanwendungen.
Niederflurbauweise und eine maximale Innenraumausnutzung zwingen auch hier beim Mireo zu einer Installation der Komponenten auf dem Dach.

Bild:  Siemens

Das Elend mit dem Wirkungsgrad

Der (energetische) Aufwand für den Wasserstoffantrieb ist enorm. Und ganz schlimm sieht es aus, wenn am Ende gar Kraftstoffe aus elektrischer Energie erzeugt werden sollen ("Power to Liquid").
Bei der Elektrolyse von Wasserstoff rechnet man mit ca. 70 % Wirkungsgrad, bei der Komprimierung von Wasserstoff gehen weitere ca. 12 % verloren (also 88% Wirkungsgrad für diesen Prozessschritt) und die Verstromung in der (PEM)- Brennstoffzelle hat nur um die 35% Wirkungsgrad. Das Diagramm unten zeigt, warum die Akkutechnik gegenüber dem Wasserstoff rein rechnerisch im Vorteil ist.
Hinzu kommen dann noch weitere Verluste durch die Teilspeicherung in der Batterie, die Traktionsstromrichter, und am Ende der Kette noch der Elektromotor. Dieser hat zwar über 90% Wirkungsgrad, welche es für sich gesehen dann auch nicht mehr herausreissen. Denn dummerweise multiplizieren sich die Wirkungsgrade innerhalb einer mehrstufigen Umwandlungskette.

Man kann froh sein, wenn beim Wasserstoff als Energieträger am Ende über die ganze Prozesskette am Rad ("well to wheel") gerade einmal 20 % der eingesetzten Energie in Vortrieb umgesetzt werden.
Allerdings sind Diesel- oder Benzinmotoren auch nicht besser und bringen im Teillastbetrieb ebenfalls keine besseren Wirkungsgrade zustande, wobei die Prozesskette von der Förderquelle bis zum Tank beim fossilen Brennstoff noch völlig ausgeblendet ist.

Bei der Energiebilanz liegt die Batterie dank niedriger Verluste in jedem der Umwandlungsschritte klar vorn.
Allerdings ist die Speicherfähigkeit (Gewicht, Volumen) stark begrenzt, so dass sich aktuelle Eisenbahnanwendungen derzeit auf (Leicht-)Triebwagen beschränken.

Aufgrund des schlechten Gesamtwirkungsgrades ist die Frage umso drängender, woher der Wasserstoff kommt und mit welchem Strommix dieser erzeugt wird. Was bei Pilotprojekten bei Wasserstoffanwendungen noch zweitrangig ist, ist bei Folgeprojekten herausragend wichtig, denn es geht am Ende um die Substituierung von fossiler Energie.

Bei der Vergabe der Taunusnetze in Hessen im Jahr 2020 konnte Alstom mit dem Wasserstroff- Lint punkten, weil der Wasserstoff als industrielles Abfallprodukt im nahegelegenen Höchst bei Frankfurt zur Verfügung stand. Dort soll dann auch die Betankung stattfinden.

Für den Wasserstoff- Lint in Niedersachsen wird der komprimierte Wasserstoff dagegen per Spezialtransporter aus den Niederlanden herangeschafft. Noch sind viele Fragen, vor allem in der Logistikkette, auch unter Umweltaspekten nicht sauber gelöst.

Darüber hinaus gibt es auch ganz praktische Fragen, denn der verflüssigte Wasserstoff muss isoliert bei mindestens - 250°C gelagert werden. Lange Standzeiten über mehrere Tage ohne eine Entnahme führen dann zur Erwärmung, zum Druckanstieg und zum zwangsweise Ablassen des Überdrucks. Irgendwann ist der Druckspeicher leer, ohne dass ein Meter gefahren wurde.

Also doch Batterie ?

Wie so oft, gibt es auch bei einem solch komplexen Thema mehrere Antworten und Wahrheiten.
Denn mit dem Fortschreiten der Batterietechnologie eröffnen sich insbesondere bei den (leichten) Triebwagen neue Möglichkeiten.
Stadler, Siemens und die spanische CAF konnten bei den Ausschreibungen der vergangenen zwei Jahre in Deutschland ihre Regionaltriebwagen in ihren batterieelektrischen BEMU- Varianten (BEMU = Battery Electric Multiple Unit) platzieren. 

Bereits 2019 gewann Stadler die erste Ausschreibung für 55 batteriebetriebene Triebzüge in Schleswig- Holstein.
Der erste Zug einer Vorserie des Stadler Flirt Akku soll Ende 2022 geliefert werden.

Bild:  Stadler

Ein solches Fahrzeug hat einen entsprechend dimensionierten Akku (bei Stadler auf dem Dach) mit welchem die fahrleitungsfreien Strecken überbrückt werden. Auf Strecken unter Fahrdraht wird der Akku entsprechend nachgeladen.
Teilweise wird, wie in Schleswig-Holstein vorgesehen, die Infrastruktur um zusätzliche Ladeinseln erweitert oder es wird die bereits bestehende Fahrleitung je nach Betriebserfordernis verlängert.
Da viele Nebenstrecken nicht nur in Schleswig-Holstein nach wie vor nicht elektrifiziert sind und eine Voll- Elektrifizierung teuer und in weiter Ferne ist, ist der Akku- Triebwagen (BEMU) aktuell und zunehmend das Mittel der Wahl.

Während die spanische CAF am Niederrhein und Stadler in Schleswig-Holstein erfolgreich war, konnte Siemens das Ortenau- Netz in Baden-Württemberg gewinnen. Als technische Herausforderung gilt dort die Überwindung von über 400 m Höhenunterschied auf der nicht elektrifizierten Strecke von Hausach hoch nach Freudenstadt im Schwarzwald.

Die Hersteller von Batterietriebzügen geben derzeit Reichweiten von etwa 80 km, teilweise auch von über 100 km auf oberleitungsfreien Abschnitten an. Stadler kooperiert bei den batterieelektrischen Zügen mit der TU Berlin und nennt mittlerweile eine Reichweite von bis zu 185 km für seinen Akku- Flirt, wenn dieser ohne Fahrdraht auskommen muss.

Die erzielbare Reichweite hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie dem Streckenprofil, dem Betriebsprogramm, den Witterungsbedingungen, den Aussentemperaturen und nicht zuletzt durch die installierte Akkukapazität. Durch betrieblich optimal eingebundene Nachelektrifizierungen wie in Schleswig-Holstein vorgesehen,sowie die Erhöhung der installierten Batteriekapazität kann der Streckenelektrifizierungsaufwand verringert werden – insbesondere bei schwer elektrifizierbaren Abschnitten wie in Tunneln.
Nicht zu unterschätzen sind aber auch flankierende Massnahmen wie optimierte Energiemanagementstrategien, die Schulung des Personals zu besonders energiesparendem Fahren, sowie der Einsatz energieeffizienter Nebenaggregate wie Wärmepumpen.

In der Reichweite klar überlegen sind aktuell die Wasserstoffzüge mit Brennstoffzellen, denn dort werden von den Herstellern der Züge aktuell Reichweiten von ca. 800 km genannt.

Solche druckfesten Wasserstofftanks werden wie beim Mireo mit Wasserstoffantrieb üblicherweise auf dem Dach installiert.

Bild: Siemens

Legt man die typischen täglichen Fahrleistungen im Schienenpersonennahverkehr (SPNV) darüber, so zeigt sich, dass die heutigen Dieselfahrzeuge (DMU) für die meisten Einsatzprofile über eine genügend hohe Reichweite verfügen und Wasserstofffahrzeuge (FCEMU = Fuel Cell Electric Multiple Unit) können zumindest einen grossen Teil der derzeitigen Fahrzeugumläufe ohne untertägige Betankung absolvieren.
Für die Batteriefahrzeuge (BEMU) ist in Abhängigkeit von der nicht elektrifizierten Streckenlänge eine in der Regel mehrfache Nachladung der Traktionsbatterien innerhalb des Fahrzeugumlaufs erforderlich.

Das Elend mit der Energiedichte und dann ist da noch etwas und das nennt sich LOHC

Die Probleme in der Handhabung des Wasserstoffs wurden schon angedeutet. Es ist aber vor allem das Problem der niedrigen Energiedichte, die eine Speicherung von Wasserstoff unter hohem Druck bzw. in verflüssigtem Zustand erfordert, um Energiedichten ähnlich wie bei den bekannten fossilen Energieträgern wie Diesel oder Benzin zu erreichen. Denn ein Liter (unkomprimierter) Wasserstoff hat einen Energieinhalt von gerade einmal 0,0035 kWh, ein Liter Diesel dagegen 9,7 kWh, das ist etwa das 27'000-fache !
Und hier kommt LOHC ins Spiel. Eine organische Flüssigkeit (LOHC = „Liquid Organic Hydrogen Carrier“) dient als Trägerflüssigkeit für Wasserstoff. Schon ein einziger Liter dieser Flüssigkeit bindet über 650 Liter Wasserstoff. Von ihrer Handhabung und den physikalischen Eigenschaften her ist die ölige Substanz üblichen Kraftstoffen recht ähnlich und lässt sich mit Tanklastern und in Zügen einfach transportieren.  

Mit der Energiedichte sieht es mit dem im LOHC gebundenen Wasserstoff schon besser aus, denn nun sind in einem Liter etwa 2 kWh Energie gebunden. Damit liegt die Energiedichte immerhin bei gut 20% von Diesel.

In einer Kooperation mit dem Helmholtz- Institut in Erlangen sollen die Möglichkeiten von LOHC an einem Versuchsträger (Vectron- Lokomotive) weiter erforscht werden.

Bild: Siemens

Wenn das LOHC "verbraucht" ist, wird es in einem separaten Tank aufgefangen und kann wieder "aufgeladen" werden, da der Prozess komplett reversibel ist. Auch dafür muss (Raum-) Kapazität vorgehalten werden, was die "Energiedichte" weiter verschlechtert.
Das Thema LOHC verlässt gerade eben erst das Labor und weitere Teststellungen und eine Industrialisierung werden folgen (müssen).
Aber auch hier wird die Energiedichte ein operationelles Problem sein. Nimmt man einen auch unter Oberleitung betreibbaren Dual Mode- Vectron mit seinen schon eher knapp bemessenen 2400 Litern Diesel Tankinhalt als Referenz, so wäre mit LOHC ein Tankinhalt von ca. 12'000 Litern vorzuhalten.
Hinzu kommen die Auffangtanks für das LOHC. Selbst bei Doppelnutzung der Tanks müsste ein Volumen von etwa 15'000 Litern vorgehalten werden. Schwer vorstellbar, wie solche Volumen und Gewichte noch auf einem Vierachser untergebracht werden sollen.