Schienenverkehr – Alternativen für den Diesel

Author: Joachim Geiger

09. März 2022 Innovation

Die elektrische Traktion unter einer Oberleitung ist im europäischen Schienenverkehr das Maß der Dinge. Wären da nicht jede Menge Haupt- und Nebenstrecken, auf denen immer noch der Diesel brummt. Immer mehr Bahnbetreiber bringen jetzt ihre Fuhrparks auf Vordermann – gefragt sind alternative Antriebe für eine lokal emissionsfreie Zugfahrt.

Das grüne Gewissen ist auch in der Eisenbahnbranche ein mächtiger Motivator. Menschen und Güter schnell, sicher und klimaneutral auf Gleisen befördern? Dafür ist die elektrische Traktion die erste Wahl. Dem Brüsseler Dachverband der europäischen Eisenbahnindustrie UNIFE zufolge sind in Europa im Schnitt die Hälfte der Linien mit Oberleitungen elektrifiziert. Länder wie die Schweiz, Belgien und Niederlande warten zwar mit einem vergleichsweise kurzen Liniennetz auf, bieten dafür aber einen sehr hohen Grad an Elektrifizierung. In Deutschland und Frankreich – mit Streckenlängen von rund 39.000 und 27.000 Kilometern die Spitzenreiter in Europa – liegt der Anteil der Abschnitte mit Oberleitung bei moderaten 61 und 59 Prozent. Unterm Strich beziehen 80 Prozent des gesamten Schienenverkehrs in Europa die Antriebsenergie aus externer Stromversorgung. Das klingt erst einmal sehr nachhaltig. Bei genauerem Hinsehen wird jedoch deutlich, dass sich die wahre ökologische Herausforderung in den verbleibenden 20 Prozent versteckt. Schließlich müssen die Räder landauf landab auch auf Haupt- und Nebenstrecken ohne eigenen Fahrdraht rollen. Das ist bislang vor allem ein Job für die Dieseltraktion. Tatsächlich sind in Europa 25 dieselbetriebene Baureihen mit etwa 4.400 Triebwagen auf Achse – rund die Hälfte davon fahren in Deutschland.
Dem fahrdrahtlosen Schienenverkehr steht eine massive Umwälzung bevor
Die meisten Bahngesellschaften in Europa würden ihre Dieselloks lieber heute als morgen ausmustern. Die Deutsche Bahn etwa schreibt sich die schrittweise Abschaffung des Diesels bis 2040 auf die grüne Fahne. Zur Verwirklichung dieser Ambition gibt es mehrere Optionen. Zum Beispiel ließen sich Teilstrecken und Endbahnhöfe durch den Ausbau von Oberleitungen elektrifizieren. Bei Kosten von bis zu zwei Millionen Euro pro Kilometer wäre das aber ein teures Unterfangen. Die DB plant daher aktuell nur die Elektrifizierung von rund 760 weiteren Schienenkilometern bis 2030. Anstatt viel Geld in die Infrastruktur zu investieren, setzen Bahnbetreiber lieber auf eine neue Generation von Fahrzeugen. Schwer angesagt sind Lokomotiven, die mehrere Fahrmodi beherrschen – die elektrische Traktion unter der Oberleitung und die Fahrt mit alternativem Antrieb auf Teilstrecken, die keinen eigenen Fahrdraht besitzen. Die Hamburger Unternehmensberatung SCI Verkehr geht in einer im August 2020 vorgelegten Marktstudie von einer massiven Transformation im fahrdrahtlosen Schienenverkehr aus. Demnach sollen Züge mit Batterietechnologie (Battery Electric Multiple Unit/BEMU) und Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (Hydrogen Electric Multiple Unit/HEMU) bis Mitte des Jahrzehnts in den Kernmärkten Westeuropas den Dieseltriebzug im Neufahrzeuggeschäft einholen.
Bahnexperten sehen die vielseitigen Batteriezüge in einem leichten Vorteil
Welcher alternative Antrieb in diesem Rennen am Ende die Nase vorn hat? Einschlägige Studien sehen das technologische Konzept der batterieelektrischen Züge im Vorteil. Ein BEMU ist im Prinzip ein Elektrotriebwagen mit einem Akkumulator als Energiespeicher. Auf elektrifizierten Strecken bezieht das Fahrzeug den Fahrstrom ganz klassisch aus der Oberleitung. Kommt dann ein Abschnitt ohne eigenen Fahrdraht, wechselt der Zug automatisch in den Batteriemodus – in diesem Fall liefern die Akkus die Energie für den weiteren Vortrieb. Geladen wird unter der Oberleitung während der Fahrt oder im Stand mit Ladeleistungen von einem Megawatt und mehr. Eine andere Lademöglichkeit bieten so genannte Elektrifizierungsinseln, für die einzelne Abschnitte einer Strecke eigens mit Fahrdraht ausgerüstet werden müssten. In Frage kommen auch spezielle Ladestationen – die ersten Exemplare befinden sich in Süddeutschland bereits in einer Testphase. Bleibt die Reichweite als Gretchenfrage für den Einsatz eines Batteriezugs: Die meisten Hersteller rechnen mit einer Spanne von 80 bis 120 Kilometern, die ein Fahrzeug in einem Rutsch fahren kann. Da rund 90 Prozent der nicht-elektrifizierten Strecken in Deutschland kürzer sind als 70 Kilometer, dürften sich die meisten Stromlücken im Schienennetz mit einem BEMU überbrücken lassen. Eine perfekte Referenz in Sachen Reichweite ist derzeit der Batteriezug Flirt Akku des Fahrzeugherstellers Stadler, der es Ende letzten Jahres mit einer Rekordfahrt ins Guinness Buch der Rekorde geschafft hat. Gemessen wurde eine Reichweite von 224 Kilometern, die das Fahrzeug im Batterie­modus auf der Strecke von Berlin-Gesundbrunnen nach Warnemünde bei Minustemperaturen und Schneefall zurückgelegt hat.
Der Wasserstoffzug spielt seine Stärken eindeutig bei der Reichweite aus
Auch wenn die batteriebetriebenen Züge ein enormes Leistungsvermögen an den Tag legen, ist damit nicht gesagt, dass sie einen Selbstzünder jederzeit ersetzen können. Jede Dieselstrecke hat schließlich ihre besonderen Fahranforderungen. Es liegt auf der Hand, dass sich Topografie, Streckenführung und klimatische Bedingungen ebenso wie die Ladeinfrastruktur auf die Reichweiten auswirken. „Bei einem höheren Energiebedarf, wie er bei starken Steigungen oder extremen Klimabedingungen erforderlich ist, kann einem Batteriezug schon mal die Puste ausgehen“, weiß Dr. Christoph Flink, Vice President Hydrogen Economy Program Management in der DEKRA Service Division Industrial Inspection. Wie der Experte erklärt, hätte ein Wasserstoffzug mit einem solchen Szenario keine Probleme – immerhin kann die Reichweite bis zu 1.000 Kilometer betragen.
Auch bei DEKRA Rail im niederländischen Utrecht stehen Wasserstoffzüge bereits auf der Agenda. Anfang 2020 haben Experten der Schienensparte ein Pilotprojekt der Provinz Groningen begleitet, das die Eignung eines mit grünem Wasserstoff betriebenen Zuges auf der Strecke von Groningen nach Leeuwarden untersuchen sollte. „Wir haben das Projekt offiziell als Gutachter in Fragen der Technik, Sicherheit und Zulassung begleitet“, berichtet Jean-Paul van Hengstum, Geschäftsführer von DEKRA Rail. Das klare Resultat: Der Wasserstoffzug ist eine nachhaltige Alternative zum Dieselbetrieb.
In technischer Hinsicht rangiert der HEMU in der Kategorie der elektromotorischen Antriebe – Brennstoffzelle und Batterie arbeiten im Betrieb Hand in Hand. Kommt es beim Beschleunigen zu einer Leistungsspitze, reicht der Strom aus den Brennstoffzellen allein nicht aus. Die Batterie muss dann zusätzliche Kapazitäten bereitstellen. Erst wenn weniger Traktion gefragt ist, lädt die Brennstoffzelle die Batterie wieder auf. Ein Strombezug aus der Oberleitung kommt bei einem HEMU allerdings nicht in Frage – das Fahrzeugkonzept sieht schlicht keinen Stromabnehmer vor. Die Wasserstoffzüge kommen daher in erster Linie auf Strecken ohne Oberleitung zum Einsatz. Damit entspricht das Betriebskonzept exakt dem für den Diesel. Warum aber mit der Hybridisierung nicht einen Schritt weitergehen? DEKRA Experte Dr. Flink kann sich vorstellen, dass die Verbindung von Wasserstoffantrieb mit einer Oberleitung Effizienz und Flexibilität der Fahrzeuge noch einmal deutlich steigern könnte.
Der Dieselmotor findet in alternativen Fahrzeugkonzepten seine Nische
Die Bahnbetreiber müssen letztlich sorgfältig prüfen, welche klimaneutralen Loks auf ihren Dieselnetzen die besten Alternativen bieten. Der Verkehrsverbund Oberelbe zum Beispiel hat genau dazu zusammen mit den Technischen Universitäten Dresden und Berlin ein Entscheidungspapier entwickelt, das im September 2021 vorgestellt wurde. Demnach sind aus ökonomischer Perspektive Oberleitungs-/Batterie-Hybridfahrzeuge oder klassische elektrische Züge anderen alternativen Antriebsformen vorzuziehen. Laut Studie punkten die batteriebetriebenen Züge im Vergleich zu den Wasserstoffzügen vor allem durch die geringeren Energie- und Instandhaltungskosten. Das Programm der alternativen Antriebe beschränkt sich übrigens längst nicht auf die rein elektrische Traktion. Auch den Diesel sollten Bahnbetreiber nach wie vor auf dem Schirm halten. Die Rede ist von Loks, die auf Strecken mit Oberleitung elektrisch fahren, auf anderen Abschnitten dagegen mit dem Dieselmotor. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel die letzte Meile zum Bahnkunden mit dem Verbrenner befahren. Auch schwerere Übergabefahrten sollen sich damit abdecken lassen. Die Deutsche Bahn hat beim Fahrzeughersteller Siemens Mobility bereits 150 Fahrzeuge der Baureihe Vectron Dual Mode bestellt, die mit diesen Hybrideigenschaften aufwarten.
In Deutschland sind die Alternativen auf der Schiene im Anmarsch
Die Fahrzeughersteller Alstom, Siemens Mobility und Stadler haben alle Triebfahrzeuge im Portfolio, die sich auf nicht-elektrifizierten Teilstrecken lokal emissionsfrei betreiben lassen. Die Auftragsbücher sind mit Bestellungen für BEMU und HEMU gut gefüllt. Siemens Mobility wird ab Mitte 2023 an die Südwestdeutsche Landesverkehrs-AG 20 Batteriezüge vom Typ Mireo Plus B liefern. Der Nahverkehrsverbund Schleswig-Holstein wiederum erwartet noch in diesem Jahr 55 Einheiten der Baureihe Flirt Akku des schweizerischen Herstellers Stadler, während der Verkehrsverbund Mittelsachsen elf Fahrzeuge vom Typ Alstom Coradia Continental geordert hat. Ebenfalls groß ist das Interesse an den Wasserstoffzügen. Die Landesnahverkehrsgesellschaft Nieder­sachsen will in diesem Jahr im Weser-Elbe-Netz 14 Dieseltriebzüge durch genauso viele Einheiten des Wasserstoffzugs Alstom Coradia iLint ersetzen. Ende 2022 wird der Rhein-Main-Verkehrsverbund 27 Wasserstoffzüge des gleichen Typs im Regelbetrieb auf die Gleise stellen – die Hessen werden damit die größte Wasserstoffzugflotte der Welt im Einsatz haben. Siemens Mobility wird zusammen mit der Deutschen Bahn den ersten Probebetrieb mit der Baureihe Mireo Plus H ab Mitte 2023 in Bayern und ab 2024 in Baden-Württemberg angehen.
Die erste rein batterieelektrische Lok fährt in Nordamerika
Das Verdienst, die erste rein batterieelektrische Lokomotive auf die Gleise gestellt zu haben, geht nach Pittsburgh im nordamerikanischen Bundesstaat Pennsylvania. Fahrzeughersteller Wabtec hat eine Akku-Lok entwickelt, die keinerlei Verbindung zu einer Oberleitung mehr benötigt. Die Wabtec FLXdrive besitzt eine Batteriekapazität von sagenhaften 2,4 Megawattstunden und soll zunächst vor allem im Rangierdienst zum Einsatz kommen. Aber auch auf der Strecke könnte die Lok hilfreiche Dienste leisten, wie ein dreimonatiges Pilotprojekt in Kalifornien belegt. Gemeinsam mit zwei Dieselloks war sie in einem Zug auf mehr als 21.000 Kilometern in hügeligem Gelände mit vielen Steigungen unterwegs. Das für Bahnbetreiber erfreuliche Resultat der Mehrfachtraktion: Der Einsatz der Elektrolok hat den Dieselverbrauch im Schnitt um elf Prozent reduziert. Jetzt plant Wabtec eine E-Lok mit einer Kapazität von mehr als sechs Megawattstunden.