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Einsatzpotenzial hybrider Antriebe im deutschen
Schienenpersonennahverkehr (Studie für NOW – aktueller Stand)
Johannes Pagenkopf, Mathias Böhm, Toni Schirmer
DLR - Institut für Fahrzeugkonzepte
6. NOW-Konferenz Elektromobilität vor Ort
Stuttgart, 26.03.2019
DLR.de • Folie 1
DLR.de • Folie 2
Marktanalyse alternative Antriebe im SPNV in Deutschland
DLR-Studie für die NOW
• Hintergrund:
• Ermittlung Einsatzpotentiale hybrider Antriebe im
SPNV
• Bearbeitungszeitraum:
• Januar – Q3 2019
• Fokus:
• Marktübersicht Hybridfahrzeuge
• Analyse Diesel-SPNV-Linien
• Einfluss Elektrifizierung auf Eignung hybrider
Antriebe
• Abschätzung Marktpotential Hybridfahrzeuge
• Berücksichtigung parallel laufender Studien:
• Voll-&Teilelektrifizierung (PTV, TUD, TUB)
• Begleitforschung X-EMU (VDE)
• FCHJU–Fuel Cell Trains study (Roland Berger)
DLR.de • Folie 3
AP 0: D-Traktion und
Elektrifizierung im SPNV
• 54% (60%)* des deutschen Schienennetzes sind elektrifiziert
europäisches Mittelfeld
• 680,5 Mio. SPNV-Zug-km (E+D-Traktion) im Jahr 2017
• davon in D-Traktion: 36% (ca. 240 Mio. Zug-km)**
• D-Betrieb heute in Teilabschnitten unter OL
• Elektrifizierungsziel des Bundes: 70%
• strecken- und fahrzeugseitige Maßnahmen
• Untersetzung im BVWP sowie durch zusätzliches
Bundes-Elektrifizierungsprogramm
• konkrete Projekte und Finanzierung noch offen
* Nach UIC: 60 % (Bezug nur Strecken des Bundes – DB AG ), Nach Destatis: 54 % (gesamtes EBO-Netz inkl. NE-Bahnen).
SPNV-Dieseltraktion
Bildquelle: DB Regio (https://www.dbregio.de/db_regio/view/mdb/
db_regio/zukunftswerkstatt/mdb_278211_un
ter_strom.pdf)
** Nach BAG-SPNV
73
75
53
61
34
37
21
21
16
9
6
9
14
7
3
51
32
27
11
20
15
18
17
10
17
16
8
1
1
0
0 50 100 150
Bayern
Nordrhein-…
Baden-Württemberg
Berlin-Brandenburg
Niedersachsen
Hessen
Rheinland-Pfalz
Sachsen
Sachsen-Anhalt
Schleswig-Holstein
Thüringen
Meckl.-Vorp.
Hamburg
Saarland
Bremen
SPNV-Betriebsleistungen (Mio. Zug-km)
Elektrisch (Mio. Zug-km)
Diesel (Mio. Zug-km)
Datenquelle: BAG-SPNV 2018
1 25
3.0582.698
271
1.5651.160907
5.784
7.258
1.6752.595
17.740
12.449
599
11.358
2.039
6.042
4.7936.736
1.635
449
2.457
6.328
10.770
1.708
4.244
1.609 9011.7591.786
100%
90%
76% 75% 73% 71% 71%
64% 64% 62%59%
56%54% 56%
50%47%
44%41% 39% 37% 37%
34% 34% 34% 34%
24% 22%
13% 13%
8% 8%0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
20.000
Elek
trif
izie
run
gsgr
ad
Län
ge n
ich
t-el
ektr
ifet
e Li
nie
n (
km)
Länge nicht elektrifiziertes Netz (km) Elektrifizierungsgrad
Datenquellen: UIC Railisa, Eurostat
DLR.de • Folie 4
AP 1: Antriebskonzepte für den SPNV
Fahrzeug- und Infrastrukturoptionen
• Art der Traktionsenergiezuführung ist
zentrales Unterscheidungsmerkmal:
• Dieseltankstelle
• Oberleitung/Ladestation
• Wasserstofftankstelle
Nomenklatur:
• DMU – Dieseltriebzug
• EMU – Oberleitungs-Elektrotriebzug
• BEMU – Oberleitungs-Batterie-Hybrid-Triebzug
• FCEMU – Brennstoffzellen-Hybrid-Triebzug
• DHEMU – Dieselelektrischer Hybrid-Triebzug
MU = Multiple Unit (Triebzug)
(Auswahl, weitere Antriebskonzepte sind grundsätzlich möglich)
DLR.de • Folie 5
AP 1: Hybridfahrzeuge im SPNV
Hybridisierte Fahrzeuge
für den SPNV
DHEMU: Siemens Desiro Eco-train Hybrid BR 642
(www.railjournal.com)
BEMU: Stadler FLIRT Akku BR 427 (Quelle:
https://railway-news.com)
BEMU: Siemens Cityjet eco (Prototypumbau eines
EMU Desiro ML) (Quelle: Siemens 2018)
BEMU: Bombardier Talent 3 BEMU BR 442
(Quelle: Bombardier)
FCEMU: Alstom iLINT BR 654
(Quelle: Alstom)
EMU BEMU
DHEMU FCEMU
BEMU + FC
BEMU + D(H)
Bisher nicht (in D) umgesetzt:
Weitere Antriebskonzepte denkbar. Topologien der Fahrzeuge weichen ggf. von den dargestellten Topologien ab.
HBU: Hilfsbetriebeumrichter.
Antriebstopologien (beispielhaft):
in der Zulassung oder
bereits im FG-Einsatz
Variante Batterieladung
auch zusätzlich extern
via Pantograph über
Oberleitung denkbar.
DLR.de • Folie 6
Vergabeverfahren & Pilotprojekte
für Hybridtriebzüge im SPNV
• Erste Vergabeverfahren für
Fahrzeuge mit Hybridantrieben laufen
derzeit
-> technologieoffen
-> spezifisch BEMU oder FCEMU
• Zusätzliche Pilotprojekte für zeitlich
befristete Testbetriebe mit (einzelnen)
Fahrzeugen in Vorbereitung
NAH.SH – Netz Ost + Nord ~52 Züge (technologieoffen)
~10 Mio. Zug-km/a
Betriebsaufnahme: 2022/23
VBB – Heidekrautbahn 7 FCEMU (100 % EE-H2)
~0,65 (bis 1,3) Mio. Zug-km/a
Betriebsaufnahme: Dez. 2022
Geplanter Probebetrieb mit
einzelnen Hybridfahrzeugen
DHEMU / FCEMU / BEMU
(u. a in Bayern und BaWü)
Weser-Elbe Netz (LNVG) 2 FCEMU im Probebetrieb seit 2018
14 FCEMU ab Dez. 2021
Niederrhein-Münsterland (VRR) >50 Züge (technologieoffen)
Betriebsaufnahme: Dez. 2024
Taunusnetz (RMV) ~26 FCEMU
Betriebsaufnahme: Dez. 2022
Ortenaunetz (NVBW) 10-15 Züge (technologieoffen)
~2 Mio. Zug-km/a
Betriebsaufnahme: Dez 2021
Stand März 2019
RB 72 (ZPS) 6 BEMU / ~0,5 Mio. Zug-km/a
Betriebsaufnahme: Dez. 2021
Pfalznetz (ZSPNV Süd) Antriebsart wird noch festgelegt
Betriebsaufnahme: Dez. 2021
(kein Anspruch auf Vollständigkeit)
DLR.de • Folie 7
AP 1: Charakteristika von Diesel- und Hybridfahrzeugen
• Reichweiten BEMU/FCEMU mit einer Tankfüllung
/Batterieladung geringer als von DMU Verteilung
Nachlade-/Betankungsinfrastruktur entscheidend
• Ca. 2.500 Dieseltriebzüge (DMU) in Betrieb,
Neufahrzeuge i.d.R. 2- und 3-Teiler
• Auf Nebenstrecken oft kleine Gefäßgrößen im
Einsatz (1-Teiler analog RS 650), HVZ in
Mehrfachtraktion
• Spez. Leistung DMU tlw. 10 kW/t,
Hybrid-Fahrzeuge: 7-9 kW/t (Prototypfahrzeuge)
• Fahrpläne sind auf (teilweise sehr spurtstarke)
Bestandsfahrzeuge ausgelegt
Daten nach VDE-XEMU-Workshop, 27.02. mit Zahlen
von Leenen (Fahrzeugfinanzierung im SPNV, 2012)
(Ansatz Eigenmasse/Dienstmasse, spez. Leistung am Rad (psch. Ansatz Wirkungsgrad Kraftübertragung: 80 %;
Daten für Hybridfahrzeuge tlw. geschätzt)
112
25
0 50 100 150
EMU
DMU
Fahrgäste
Fahrgäste/Zug im SPNV (Durchschnitt) // Quelle: VDE 2019/SCI 2012
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
DMU
FCEMU
BEMU
km
Spannbreite typische tägliche km je Diesel-
Fahrzeug im SPNV
Reichweiten der Antriebskonzepte vor Nachladung bzw.
Betankung
Grafik aktualisieren VT 612 (RegioSwinger)
VT 628
VT 642 (Desiro)
VT 648/623 (Lint 41)
VT 650 (RegioShuttle)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Spez
ifis
che
Lei
stu
ng
am R
ad (
kW/t
)
Fahrzeuglänge (m)
Anzahl D-Triebzüge in Deutschland (2018)
500 100
Bombardier Talent 3 BEMU(OL-freier Betrieb)
Stadler Akkuflirt
Bombardier Talent 3 BEMU (Betrieb unter OL)
Alstom iLINT
DLR.de • Folie 8
AP 2: Bewertungskriterien für den Einsatz hybrider Antriebe (Auswahl)
• Technische Machbarkeit, LCC und CO2
• Elektrifizierungsgrad der Linien
• Sektorenkopplung, Synergieeffekte gemeinsamer H2-Distributionsinfrastrukturnutzung
• Elektrifizierungsschwierigkeiten, Fahrzeugumrüstbarkeit auf reinen Oberleitungsbetrieb
• Freiheitsgrade:
• Fahrzeugtechnik (Speicherenergie auf Fahrzeug)
• Infrastruktur (Anzahl und Anordnung von Nachladeinfrastruktur bzw. Wasserstofftankstellen)
• Betriebsprogramm (Netz- und Linienzuschnitt, Umlaufplanung, Wendezeiten)
• Hybride Antriebe kein Ersatz für (ohnehin geplante) weitere Streckenelektrifizierung, Kriterien:
• verkehrliche Bedeutung (Knotenpunkte, Umleiter-/Entlastungsstrecken, Schaffung elektrif. Korridore)
• Ggf. sind Hybridfahrzeuge auch als Übergangslösung bis zu einer Komplettelektrifizierung denkbar
• Grundsätzlich:
BEMU/FCEMU-Eignung stets für jeweiliges Ausschreibungsnetzes konkret und detailliert
zu betrachten (Betriebs- und Energiesimulation)
DLR.de • Folie 9
AP 2: Elektrifizierung des SPNV-Liniennetzes (heute)
Heterogenes Elektrifizierungsmuster
• Elektrifizierungseigenschaften erster Anhaltspunkt für Bewertung BEMU-Vorteilhaftigkeit
• zu überbrückende nicht-elektrifizierte Streckenlänge
• Anzahl und Verteilung der vorhandenen Nachladeabschnitte
• Linien- und Umlaufplangestaltung; Nachladedauer & -länge
Aus: Pagenkopf, Johannes und Boehm, Mathias und Haas, Jan Lucas und Friedrich, Horst E. (2018) Analysis of German diesel operated regional railway lines' patterns with regard to the application of battery and fuel cell electric trains. The Fourth International Conference on Railway Technology - Railways 2018, 3.-7. Sept. 2018, Sitges, Spanien.
• 57 % der Linien zu weniger als 1/10 der
Länge elektrifiziert
In der Studie: Aktualisierung Liniendaten
anhand geplanter Elektrifizierung und
Neukonzessionen
Abschnitt mit Oberleitung
Abschnitt ohne Oberleitung
Diesel-SPNV-Linien in Deutschland (nach Linienlänge, absteigend sortiert)
Län
ge A
bsch
nit
t (k
m)
Ausschnitt
An
za
hl
Die
se
l-S
PN
V-L
inie
n
Anteil Oberleitungselektrifizierung an kompletter Streckenlänge
Aa
nza
hl L
inie
n
DLR.de • Folie 10
AP 2: Weitere Schritte
Klassifizierung Linien/Netze & Auswertung Konzessionen
• Analyse SPNV-Linien und Netze in Bezug auf Elektrifizierung
• Stand 2019
• BVWP-Vorhaben, Elektrifizierungsprogramm Bund
• Fahrzeuganzahl 2019 und Horizont Neubeschaffungen
• Auswertung anstehender Konzessionen mit Diesel-
/Hybridfahrzeugen (Jahr, Zug-km, Linien,…)
56,4
6,2
3,3
54
0,5
34,4
24,1
72,1
37,6
37,6
0 25 50 75 100
Berlin Ostkreuz – Löwenberg (Mark) – Templin Stadt
Berlin Ostkreuz - Berlin-Lichtenberg - Werneuchen
Berlin-Lichtenberg – Müncheberg – Kostrzyn
Berlin-Lichtenberg - Löwenberg (Mark) – Rheinsberg (Mark)
Löwenberg (Mark) - Rheinsberg (Mark)
RB
12
RB
25
RB
26
RB
54
RB
54
20
9.1
22
09
.25
20
9.2
62
09
.54
20
9.5
4
[km]
Beispielnetz Ostbrandenburg Los 2
Abschnitt mit OLA
Abschnitt nicht elektrifiziert
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 20 40 60 80 100 120 140
Elek
trif
izie
run
gsgr
ad
Länge des längsten nicht-elektrifizierten (Teil)Abschnitts [km]
Netz Ostbrandenburg Los 2
O - Start- undEndbf nichtelektrifiziert
1 - Start- oderEndbfelektrifiziert
2 - Start- undEndbfelektrifiziert
RB 12
RB 54
RB 25
RB 54 RB 26
DLR.de • Folie 11
AP 3: Weitere Schritte
Detailanalyse ausgewählter Linien in Bezug auf Eignung BEMU/FCEMU
Prüfung generalisierbare Aussagen auf
Gesamtliniennetz
Auswahl Hybridfahrzeugkonfigurationen
mit variablen Batteriekapazitäten, derzeitige Auswahl:
- 3-Teiler mit JDG (52-58 m, ~120 t, 1000 kW),
- Optional:
- 2-Teiler mit JDG (40-47 m, ~90 t, 800 kW)
Noch zu definieren: weitere Fahrzeug-& Umlaufparameter
H2-Tanks BZ
Batterie
…
Batterie Panto
DLR.de • Folie 12
AP 4: Weitere Schritte
Abschätzung Marktpotential für Hybrid-Fahrzeuge bis 2030
• Berücksichtigung Ausschreibungen neue Netze (Diesel-/ alternative Antriebe)
• Fahrzeug-Neubeschaffungsbedarf in den Vergabenetzen
DLR.de • Folie 13
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Fahrzeugkonzepte
www.dlr.de/fk