01.01.2014 Seite 108 0

Stadtbahnen der Zukunft

Abstract

Stadtbahnen erfahren unter dem Begriff „Light Rail“ seit etwa 20 Jahren weltweit eine Renaissance. Ursachen hierfür sind einerseits die Wachstumsgrenzen des motorisierten Individualverkehrs in den immer stärker verdichteten Siedlungsräumen, getrieben von den restriktiven Anforderungen des Flächenbedarfs und der Umweltverträglichkeit. Andererseits hat die technologische Entwicklung zu einer deutlichen Steigerung der Leistungsfähigkeit und zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Stadtbahnen geführt.
Der Einführungsvortrag zur ETG-Fachtagung „Elektrische Fahrzeugarchitekturen für Schienenfahrzeuge“ am 24./ 25.09.2013 in Kassel hat ausgehend vom gegenwärtigen Entwicklungsstand einen Ausblick auf die zukünftigen technischen und betrieblichen Innovationsfelder von Stadtbahnsystemen gegeben.

 

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Prof. Dr.-Ing. Arnd Stephan

1 Einführung

Mit dem Begriff „Stadtbahnen“ werden heute spurgeführte innerstädtische Verkehrssysteme bezeichnet, die sich überwiegend des klassischen Rad-Schiene-Systems zur Spurführung bedienen und elektrisch angetrieben sind. Hervorgegangen sind die heutigen Stadtbahnen zum einen aus den klassischen Straßenbahnen, die ab Ende des 19. Jahrhunderts dank der rasanten Verbreitung elektrischer Antriebe die innerstädtische Mobilität revolutionierten. Eine zweite Entwicklungslinie stellten die Metros und S-Bahnsystem dar, die im Unterschied zu den Straßenbahnen über eigene, vom sonstigen Verkehr getrennte Infrastrukturen verfügten. Stadtbahnen stellen heute eine Symbiose beider Entwicklungsrichtungen dar, die Grenzen sind oft fließend.
Ihren Erfolg verdanken die Stadtbahnen im Wesentlichen ihrer hohen betrieblichen Leistungsfähigkeit, die sich aus dem technologischen Merkmal der Zugbildung verbunden mit den Vorteilen der elektrischen Traktion ergibt. Weltweit werden derzeit über 300 neue Stadtbahnprojekte vorangetrieben, in den zukünftigen Mega-Cities sind sie meist das unverzichtbare Rückgrat der urbanen Mobilität.
Getrieben von den zunehmend restriktiven Anforderungen an die Umweltverträglichkeit des Verkehrs und an den innerstädtischen Flächenverbrauch hat auch die Politik reagiert. So findet man beispielsweise im Weißbuch der Europäischen Kommission KOM (2011)14 zehn Ziele für ein wettbewerbsorientiertes und ressourcenschonendes Verkehrssystem, die nur durch den weiteren Ausbau öffentlicher Verkehrssysteme erreichbar sein werden:

  • Halbierung der Nutzung „mit konventionellem Kraftstoff betriebener Pkw“ im Stadtverkehr bis 2030 und vollständiger Verzicht bis 2050 (1),
  • CO2-freie Stadtlogistik in städtischen Zentren bis 2030 (2),
  • Anbindung aller Flughäfen an das Schienennetz (2050) (6),
  • Verkehrssicherheit: Senkung der Zahl der Unfalltoten im Straßenverkehr auf Null bis 2050 (Halbierung bis 2020) (9),
  • Prinzip der Kostentragung durch Nutzer und Verursacher (10).

Daraus lassen sich für den Verkehr der Zukunft folgende Thesen ableiten:

  • Der Stadtverkehr der Zukunft wird weitgehend elektrisch sein.
  • Der Landverkehr der Zukunft wird bei großen Transportleistungen und hohen Geschwindigkeiten ebenfalls elektrisch sein.
  • Zur Schonung der Ressourcen muss es – trotz weiterhin hoher Mobilität – in den Städten weniger Verkehr geben.

Die derzeit stark diskutierte private Elektromobilität bietet hierfür zwar Visionen an, kann allerdings wesentliche innerstädtische Zukunftsprobleme wie Verkehrsflächenbedarf (insbesondere auch für den ruhenden Verkehr), Zunahme von Zweit-/ Drittwagen, Lärm oder Unfallgeschehen nur unzureichend lösen. Insofern haben Stadtbahnsysteme gute Chancen, auch weiterhin ein Wachstumsbereich zu sein.

 

2. Innovationsfelder

Für die Weiterentwicklung im Bereich der Bahntechnik können grundsätzlich die folgenden technischen Innovationsfelder angeführt werden:

  • Fahrdynamische Grundfunktionen: Tragen, Führen, Antreiben
  • Fahrzeugbau: Zugkonzept, Fahrzeugstruktur
  • Energieversorgung: Erzeugung, Übertragung, Speicherung
  • Antriebstechnik: Motoren, Umrichter, Antriebskonfigurationen
  • Hilfsbetriebe: Netzarchitekturen, Lastmanagement, Komfortfunktionen
  • Fahrzeugleittechnik: Funktionsintegration, Automatisierung, Diagnose

Kommunikationssysteme: fahrzeugintern und zur Infrastruktur

Zusätzlich zu den o.g. technischen stehen auch bahnbetriebliche Innovationsfelder im Fokus:

  • automatisierte Fahrzeugdisposition
  • adaptive Fahrprofilsteuerung
  • automatisierte Bahnbetriebssteuerung
  • Integration in Gesamtverkehrsstrategien

Hinsichtlich der Zielfunktionen zukünftiger Entwicklungen gibt es unterschiedliche Interessenlagen:

Für die Kunden der Bahnsysteme zählen vorrangig Leistungsfähigkeit (fahrdynamisch, betrieblich), Verlässlichkeit (Zuverlässigkeit / Verfügbarkeit) und Komfort (Angebot, Beförderungsqualität).

Die Betreiber der Bahnsysteme setzen ihrerseits die Prioritäten bei Wirtschaftlichkeit im Lebenszyklus, Kompatibilität zum Bestand, Migrationsfähigkeit sowie Anpassungsfähigkeit an die Nachfrage (Auslastung).

Für die Gesellschaft allgemein zählen Umweltverträglichkeit (Ressourcen, Energie und Emissionen), städtebauliche Integration (Flächenbedarf, visuelle Wirkungen, …) und Image.

Hinsichtlich der technischen Innovationen sollen nachfolgend einige Beispiele diskutiert werden.

Von Beginn an hat es in der Bahntechnik unzählige Überlegungen zu alternativen Systemen für die Trag- und Führfunktion gegeben. Als wesentliche Alternativen zu Stahlrad/ Stahlschiene sind heute nur die Paarung Gummirad/ Beton sowie die Magnetbahntechnik auf dem Markt. Beide haben sich jedoch im Nahverkehr allenfalls in Nischen durchsetzen können. Die Ursachen hierfür sind vor allem in der Wirtschaftlichkeit zu suchen. Im Gegensatz zu unkonventionellen Systemen gibt es für klassische Bahnen einen weltweiten Lieferantenmarkt, die Integrations- bzw. Migrationsfähigkeit in bestehende Systeme ist weitgehend gegeben. Zudem sind Leistungsfähigkeit und betriebliche Flexibilität auf einem sehr hohen Niveau. Der Energiebedarf von Schienenbahnen ist technologisch bedingt geringer als bei Alternativsystemen, die kontinuierliche Energiezuführung sorgt zudem dafür, dass es keinerlei Reichweiten- oder Verfügbarkeitsproblematik gibt. Lediglich beim Thema Lärm sind unkonventionelle Systeme besser. Grundsätzliche Änderungen der Technologie sind beim Thema Spurführung somit zukünftig kaum zu erwarten.

Beim Thema Fahrzeugbau ist eine enorme Vielfalt von Lösungen zu verzeichnen. Dies betrifft einerseits die Fahrzeugkonzepte (z.B. Einzelwagen, durchgehende Langfahrzeuge) und andererseits die wagenbaulichen Aspekte. Je nach Anforderungen der Betreiber und der konkreten Randbedingungen der Infrastruktur variieren Technologien und Materialien. Wichtigste Kriterien sind Beanspruchung und Dauerfestigkeit, Fertigungsaufwand, Instandhaltbarkeit, betriebliche Flexibilität und Lärmreduzierung. Auch hier wird es vielgestaltig bleiben.

Ein wichtiges Innovationsfeld ist die Energieversorgung. Die Erzeugung von Elektroenergie für den Transport bewegt sich derzeit im Spannungsfeld zwischen Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Hier wird es – eingeleitet durch die Energiewende – zukünftig Änderungen geben, die den Umweltvorteil elektrischer Bahnen weiter erhöhen. Die hohe Lastdynamik des Bahnbetriebs erfordert dabei jedoch weiterhin den Energiebezug aus leistungsstarken, zentralen Netzen.

Auf dem Gebiet der Energieübertragung zu den Fahrzeugen wird an Alternativsystemen zu Fahrleitungen gearbeitet, allerdings sind auch hier bisher nur Demonstratoren und allenfalls Nischenanwendungen entstanden. Klassische Fahrleitungen sind leistungsstark, zuverlässig und wirtschaftlich. Induktive Systeme für Fahranwendungen lassen sich nur mit hohem Aufwand
umsetzen (neue Fahrbahn, Zusatzausrüstung im Fahrzeug, Energiespeicher) und haben für Bahnanwendungen vergleichsweise geringe Leistungen.

Die Energiespeicherung bei elektrischen Bahnen bringt nur relativ bescheidene Effizienzgewinne, die sich derzeit wirtschaftlich nur in Ausnahmefällen darstellen lassen. Die Energiespeicherung kann hingegen dann sinnvoll sein, wenn damit neue betriebliche Funktionalitäten erschlossen werden können. Dies kann z.B. das abschnittsweise fahrleitungslose Fahren in Problembereichen sein. Allerdings bedarf es dafür weiterer großer Anstrengungen bei der Weiterentwicklung der Speichertechnologie.

Derzeit sind folgende Treiber für den Energiespeichereinsatz zu erkennen:

  • Lokal emissionsfreie Antriebe im Stadt- und Regionalverkehr: Reduzierung der Umweltwirkungen von Verbrennungsantrieben,
  • Rekuperation von Bremsenergie in nichtelektrifizierten Netzen: Verbesserung der Energieeffizienz von Verbrennungsantrieben,
  • neue Energieübertragungssysteme (z.B. induktiv): Pufferung der Leistungsbegrenzung, Ermöglichung der Rekuperation,
  • (abschnittsweise) fahrleitungsloses Fahren bei elektrifizierten Systemen: Reduzierung des Infrastrukturaufwandes in Problembereichen,
  • Lastmanagement in Netzen (DC-Bahnstromnetze, Fahrzeugbordnetze): Erhöhung der Netzstabilität, Downsizing von Komponenten,
  • verbesserte Bremsenergienutzung bei Gleichstrombahnen: Erhöhung der Energieeffizienz.

Stadtbahnen sind bereits heute Vorreiter beim Thema Energieeffizienz. Bei guter Auslastung liegen die Vergleichswerte zum Automobil aktuell im Bereich von 1 … 1,5 Liter Diesel pro Person und 100 km im Stadtverkehr, wobei die gesamte Kette der (heute noch ineffizienten) Elektroenergieerzeugung über thermische Kraftwerke eingerechnet ist.

Bei den elektrischen Antrieben haben sich im Bahnbereich – anders als bei den Automobilen – die Asynchronmaschinen weitgehend behaupten können. Permanenterregte Synchronmaschinen sind die Ausnahme, auch wenn es einzelne Anwendungen gibt. Ursachen hierfür sind vorrangig Zuverlässigkeits- und Instandhaltungsfragen im Bahnbetrieb sowie die Wirtschaftlichkeit. Eine grundsätzliche Herausforderung für die Antriebstechnik bleibt die Lärmreduzierung. Bei der Umrichtertechnik spielt das Thema Obsoleszenz inzwischen eine große Rolle. Langlebige Produkte wie Bahnfahrzeuge leiden unter den kurzen Innovationszyklen im Bereich der Halbleiter- und der Kommunikationstechnologien. Konzepte der Hersteller und Betreiber orientieren auf Schnittstellenkompatibilität.

Auch die Hilfs- und Nebenbetriebe in den Fahrzeugen rücken zunehmend ins Blickfeld. Hinsichtlich der Bordnetzarchitekturen spielt die Standardisierung von Bordnetzspannungen und -komponenten eine Rolle. An die Netze werden höhere Verfügbarkeitsanforderungen, teilweise verbunden mit sicherheitsrelevanten Aufgaben, gestellt. Ein intelligentes Lastmanagement, verbunden mit dem Einsatz von Energiespeichern, eröffnet Potenziale zur Verbrauchsreduzierung und zum Downsizing von Komponenten.

Ein vordringliches Innovationsfeld stellt die Leittechnik dar. Infolge der schnell voranschreitenden Funktionsintegration nimmt der fahrzeuginterne Informationsaustausch zwischen allen Subsystemen stark zu. Ausgewählte Teilsysteme kommunizieren bereits mit der Infrastruktur außerhalb der Fahrzeuge. Komfort- und Entertainmentfunktionen werden stark nachgefragt, sind hinsichtlich ihrer Technologien aber äußerst kurzlebig. Die Automatisierung des Fahrbetriebs erfordert zunehmend lokale Intelligenz im Fahrzeug, z.B. in Form von Fahrerassistenzsystemen. Der Fahrbetrieb insgesamt wird dabei unterstützt von zentraler Intelligenz mit dem Ziel, die Durchlassfähigkeit der Strecken zu erhöhen, die Betriebsstabilität zu verbessern und den Energiebedarf zu senken. Im Bereich der Diagnose geht die Entwicklung weg von der komponentenorientierten Einzeldiagnose hin zur ganzheitlichen Diagnose auf Fahrzeug– oder sogar Flottenebene.

3 Zusammenfassung und Ausblick

Moderne Stadtbahnsysteme der Zukunft

  • werden meist Schienenbahnen, können aber auch Bussysteme sein
  • haben eigene Infrastrukturen getrennt vom Individualverkehr
  • sind elektrisch angetrieben
  • werden (teil-)automatisiert sein
  • haben eine kontinuierliche elektrische Energieversorgung in Abschnitten mit hohem Leistungsbedarf und an Haltestellen
  • können elektrische Energiespeicher für Zusatzfunktionalitäten haben (z.B. abschnittsfreies autonomes Fahren, Bordnetzmanagement)
  • müssen schnelle Kapazitätsanpassungen ermöglichen
  • müssen neue Informationsschnittstellen zur Infrastruktur und zur Betriebsleittechnik haben
  • brauchen eine regenerative Energieerzeugung

Stadtbahnen sichern auch in Zukunft die Mobilität in großen Agglomerationen. Sie ermöglichen leistungsfähige Verkehre mit geringeren Umweltwirkungen als Konkurrenzsysteme. Herausforderung bleibt das Thema Lärm. Stadtbahnen haben neben technischen vor allem noch hohe betriebliche Innovationspotenziale.

Und das vielleicht Wichtigste zum Schluss: Stadtbahnen sind ein hervorragendes Instrument zur Stadtentwicklung.

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