04.09.2020 Fachinformation

Wabenstruktur zur Elektromobilität

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ETG Geschäftsstelle

Der Fachbereich A2 „Bahnen mit elektrischen Antrieben“ der ETG im VDE beschäftigt sich mit dem Gesamtsystem „Elektrische Bahn“ und deckt damit naturgemäß viele Sachgebiete der Elektromobilität (kurz: E-Mobilität) ab. Das Gesamtwissen ist in langer Tradition – seit Vorstellung des ersten elektrischen Schienenfahrzeuges 1879 – sukzessive gewachsen und hat mit der Einführung der Leistungs- und Mikroelektronik in den letzten Jahrzehnten neue, bedeutende Impulse erhalten, die nun für Straßenfahrzeuge im Rahmen der E-Mobilitäts-Offensive ebenfalls breite Anwendung finden. Viele technische Grundlagen werden durch die zu begrüßende stürmische Entwicklung bei den elektrischen Straßenfahrzeugen derzeit neu herausgearbeitet und mit zum Teil abweichender Terminologie in einen neuen Kontext gestellt, so dass eine schlüssige und kohärente Darstellung der Zusammenhänge zuweilen leidet.

Der Fachbereich A2 hat sich daher zur Aufgabe gemacht, die Fragen der E-Mobilität ganzheitlich zu betrachten und zu strukturieren, um die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Technik und Betriebsweisen aufzuzeigen, sowie Gemeinsamkeiten aller elektrischen Verkehrsmittel herauszustellen. Der nachfolgend vorgestellte Ansatz verfolgt dabei das Ziel, eine Art wachsendes „Nachschlagewerk“ zu schaffen, das zunächst die relevanten Begriffe definiert und erläutert, sodann in einen allgemeingültigen Gesamtzusammenhang stellt und mit entsprechenden Quellen belegen will.

Wabenstruktur zur Darstellung von Zusammenhängen

Im Fachbereich A2 ist die Idee entstanden, die Zusammenhänge in Form einer Wabenstruktur wiederzugeben. Hierbei lässt sich durch das Hexagonal-Prinzip die Evidenz der Zusammenhänge rein optisch sehr gut darstellen und damit Themen trotz mehrfacher Zusammenhänge leicht miteinander vernetzen. Ferner können die einzelnen Themenfelder agil entwickelt werden, wenn das „Wissen“ jeder Wabe über das Web bereitgestellt und mit den Anwendern sogar interaktiv fortentwickelt werden. Mit jeder Wabe lassen sich zudem im Sinne einer Wissensdatenbank wichtige Quellen aus der Fachliteratur verlinken, so dass nach und nach ein wertvolles und omnipotentes Nachschlagewerk entsteht. Damit wird selbst für partiell Fachfremde oder bei spezifisch unbekannten Nachbargebieten fundiertes Wissen bereitgestellt. Aus der strukturierten Einordnung dieser Quellen zeigen sich implizit die Zusammenhänge auf.

Die Waben sind um das Kernthema „E-Mobilität“ wie Satelliten angeordnet (Bild 1). Jede Wabe im Zentrum eines Satelliten vertritt einen Kernaspekt, die darum angeordneten Waben stellen die untergliederten Subthemen dar.

Folgende Kernthemen wurden identifiziert:


A2-Elektromob.-Querschnitt-Bild

Querschnittsthemen

Der Themenkomplex E-Mobilität umfasst nicht nur rein technische Fragestellungen, sondern tangiert auch übergeordnete, gesellschaftsrelevante Themen. Zur gesamtheitlichen Bewertung der unterschiedlichen Lösungsansätze müssen diese Aspekte mit in die Betrachtung einbezogen werden, um zu einer möglichst objektiven und vergleichbaren Einschätzung zu kommen.

A2-Elektromob.-Querschnitt-Bild

Der Themenkomplex E-Mobilität umfasst nicht nur rein technische Fragestellungen, sondern tangiert auch übergeordnete, gesellschaftsrelevante Themen. Zur gesamtheitlichen Bewertung der unterschiedlichen Lösungsansätze müssen diese Aspekte mit in die Betrachtung einbezogen werden, um zu einer möglichst objektiven und vergleichbaren Einschätzung zu kommen.

Klimaziele 

Unter dem Schlagwort „Klimaziele“ werden verschiedene Aspekte diskutiert: der menschgemachte Ausstoß von CO2, der nach aktuellem Forschungsstand zu einer globalen Erderwärmung mit den entsprechenden Folgen führt, der Ausstoß gesundheitsschädlicher Stoffe wie u.a. Feinstaub und Stickoxide, sowie der ökologische Fußabdruck von technischen Lösungen und Verhaltensweisen.

a) CO2 Problematik

Zur national und international angestrebten Begrenzung des globalen Temperaturanstiegs durch die menschliche Freisetzung von Treibhausgasen wird der Verkehrssektor einen wesentlichen Beitrag liefern müssen. Die öffentliche Diskussion fokussiert aktuell sehr stark auf das Thema CO2 – Freisetzung und Elektromobilität im MIV. Dabei ist zu beachten, dass neben CO2 auch noch weitere klimarelevante Stoffe wie, z.B. Kältemittel von Klimaanlagen in die Betrachtung mit einzubeziehen sind.

Die Diskussion sollte sich auch nicht auf den 1:1 – Ersatz der aktuellen PKW, LKW und Bussen (siehe unter Abschnitt Straßenfahrzeuge) mit Verbrennungskraftmaschinen durch entsprechende Fahrzeuge mit alternativen Antrieben (z.B. batterieelektrisch) beschränken, sondern auch einen zu ändernden Modal Split in Betracht ziehen (siehe auch Flächenverbrauch).

b) Schadstoffe

Für die Bewertung der verschiedenen Lösungen zur E-Mobilität sind die globalen und lokalen Emissionen von Schadstoffen (Feinstaub, NOx, etc.) über den ganzen Lebenszyklus zu bewerten: Gewinnung und Verarbeitung der notwendigen Rohstoffe & Halbzeuge, Betrieb (Strommix, Reifen-/ Bremsenabrieb, etc.) und Verwertung & Entsorgung.

c) Ökologischer Fußabdruck

Zur Bewertung der Klimarelevanz einer technischen Mobilitätslösung sollte nicht nur der Energieverbrauch und die Emissionen im Betrieb betrachtet werden, sondern der gesamte Lebenszyklus (Produktion mit entsprechendem Ressourcenbedarf und Emissionen, Betrieb und Verwertung / Recycling). So sind z.B. batterieelektrische Fahrzeuge lokal emissionsfrei, benötigen aber spezielle Ressourcen (z.B. Lithium, seltene Erden) und Energie (z.B. Klimarelevanz definiert durch den Strommix) für die Herstellung, Betrieb und Verwertung.

Energieeffizienz

Zur Objektivierung ist die gesamte Kette der Energieerzeugung (siehe unter Abschnitt Energieerzeugung) und Energieumwandlung zu betrachten. Ziel sollte hier die möglichst effiziente Nutzung der Primärenergie sein. Bei der „klassischen“ elektrischen Traktion der Schienenbahnen mit kontinuierlicher Energiezuführung (z.B. Fahrleitung, 3. Schiene) ist sicher der Wirkungsgrad der Stromerzeugung in der Betrachtung dominierend, da die elektrischen Betriebsmittel für die Übertragung, Verteilung und Traktion prinzipbedingt schon über hohe Wirkungsgrade verfügen (siehe Abschnitt Elektrische Ausrüstung). Bei batterieelektrischen Antrieben ist dagegen der niedrigere Wirkungsgrad beim Laden, Speichern und Entladen für den Gesamtwirkungsgrad vermutlich signifikanter als im oberen Fall.

Wirtschaftlichkeit

Zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit verschiedener Lösungsansätze sind neben den reinen Herstell- und Betriebskosten (z.B. mehrfacher Akkutausch innerhalb der Lebensdauer der Fahrzeuge) auch die Kosten für die Errichtung / Ertüchtigung / Betrieb des notwendigen Umfeldes zu betrachten. So ist z.B. für den Einsatz größerer Batteriebusflotten eine entsprechende Ladeinfrastruktur für die zu erwartende Peak-Belastung des Verteilnetzes bereit zu stellen. Auch ist das derzeitige Verteilnetz zu den privaten Hausanschlüssen nicht für das Laden umfangreicher Flotten privater batterieelektrischer PKW ausgelegt (siehe auch Unterkapitel Ladestationen im Abschnitt Energieerteilung).

Flächenverbrauch

Schon heute gibt es eine Nutzungskonkurrenz des öffentlichen Raumes im urbanen Umfeld. Tendenziell streben die Städte an, die Fläche für den MIV zu reduzieren, um durch alternative Nutzung (ÖPNV, Fahrräder, Fußgänger) die Aufenthaltsqualität zu steigern. Lösungen der E-Mobilität müssen auch unter diesem Aspekt bewertet werden. So löst ein simpler 1:1 Ersatz der konventionellen PKW durch (autonome) elektrische Fahrzeuge nicht das „Platzproblem“ in den Innenstädten. D.h. der Parameter Beförderungskapazität / notwendige Fläche (in geeigneter Definition) dafür muss in die Bewertung eingehen, um den schienengebundenen elektrischen ÖV in seinem Nutzen objektiv bewerten zu können.

Sicherheit

Zur Umsetzung von E-Mobilität und autonomen Fahrens kommen immer stärker vernetzte elektronische Rechnersysteme zum Einsatz. D.h. es ergeben sich deutlich mehr Angriffspunkte zum „hacken“ dieser Systeme (durch die Vernetzung ist kein physischer Zugang zu den Schnittstellen auf dem Fahrzeug mehr notwendig). Zur Wahrung der Integrität der Systeme und damit der Einhaltung der Safety- und Security – Anforderungen ist daher diesem Thema deutlich mehr Aufmerksamkeit als in der Vergangenheit zu widmen und dies von Anfang an im Systemdesign zu berücksichtigen. (siehe auch Unterkapitel IT-Security im Abschnitt Vernetzung)

Recht / Ethik

a) Recht

In Bezug auf autonomes Fahren im öffentlichen Raum sind noch viele rechtliche Themen nicht geklärt. Der Übergang der Verantwortung für das Führen eines Fahrzeuges im öffentlichen Raum von einer natürlichen Person auf ein elektronisches System ist derzeit durch die entsprechenden Gesetze und Verordnungen nicht gedeckt. Damit verbunden ist die Frage der Haftung bei generellen Schäden und speziell bei Verletzungen oder Tod von Personen. Ist es der Hersteller der autonomen Systeme, der Betreiber oder Eigner, oder der Softwareentwickler der entsprechenden Algorithmen? Zulassungsverfahren bergen damit eine implizite Diskriminierung gegenüber anderen Verkehrsträgern in sich. 

b) Ethik

Hier sind im Wesentlichen zwei Aspekte zu nennen:
Beim autonomen Fahren sind hier besonders die Strategien zur Minderungen der Folgen bei unvermeidbaren Kollisionen zu betrachten: Soll z.B. ein schwerer SUV zum Schutz seiner Insassen einem gefährlichen Hindernis auf der Fahrbahn auf den Gehsteig ausweichen und dann schwere Verletzungen oder Tod von Passanten in Kauf nehmen ? Wie ist das im autonomen System zu bewerten und zu entscheiden? Wer trägt letztendlich dann auch die Verantwortung für das Handeln der autonomen Systeme?

Bei der E-Mobilität geht es eher um die gesellschaftlichen Auswirkungen des hohen Bedarfs an speziellen Rohstoffen (z.B. Lithium, seltene Erden) für batterieelektrische Lösungen. Unter welchen Randbedingungen werden diese Rohstoffe in den entsprechenden Ländern mit welchen ökologischen und gesellschaftlichen Auswirkungen (z.B. Kinderarbeit) gewonnen? 

In einer stark individualisierten Gesellschaft verhindern partikuläre Interessen häufig leider die Umsetzung von gesamtwirtschaftlich und für das Gemeinwohl sinnvollen Maßnahmen. Das bekannte St-Florians-Prinzip entwickelt sich zu einer immer bedeutenderen Hemmschwelle für gute und innovative Lösungen bzw. befördert dann politische Kompromisse, die fern jedes technischen und wirtschaftlichen Verstandes anzusiedeln sind. Die Entwicklung einer neuen Sozialethik drängt sich auf, damit der technische Umbruch als gesamtgesellschaftlich notwendige Aufgabe von allen gesehen und auch in diesem Sinne unterstützt wird.

A2-E-Mob-Vernetzung-Bild

Vernetzung

Die Vernetzung von Verkehrssystemen spielt für den zukünftigen Verkehr auf zwei Ebenen eine maßgebliche Rolle, einerseits auf einer technischen und andererseits auf einer organisatorischen Ebene.

A2-E-Mob-Vernetzung-Bild

Die Vernetzung von Verkehrssystemen spielt für den zukünftigen Verkehr auf zwei Ebenen eine maßgebliche Rolle, einerseits auf einer technischen und andererseits auf einer organisatorischen Ebene.

Unter technischer Vernetzung ist dabei vor allem die Kommunikation zwischen einzelnen Fahrzeugen, der Infrastruktur, großen Datennetzwerken sowie ggf. verschiedener Verkehrsträger untereinander zu verstehen, insbesondere zur Ermöglichung automatisierten Fahrens (siehe Abschnitt Bedienkonzept). Die organisatorische Vernetzung zielt vor allem auf die multimodale Vernetzung für den Kunden, der komplexer werdende Reiseketten angeboten werden sollen – und zwar ohne Hürden bei der Reiseplanung, beim Zugang und bei der Bezahlung.

Mobilitätsplattform
Als Mobilitätsplattformen werden meist internetbasierte Angebote bezeichnet, auf denen Verkehrsleistungen jederzeit verkehrsträgerübergreifend abrufbar angeboten werden können. Von bloßer Reiseinformation und Buchung bis zur Organisation der gesamten Reisekette gibt es digital vielfältige Angebote, die dem Anbietern und Kunden neue Möglichkeiten bieten und den Zugang zu Mobilitätsangeboten insgesamt erleichtern können. Technisch umgesetzt werden diese Angebote über Applikationen auf Smartphones oder ähnlichen Geräten, durch die der Zugriff auf die Dienste von überall, jederzeit und möglichst nutzerfreundlich ausgestaltet ist. Der erfolgreiche Anbieter von Mobilitätsplattformen besitzt damit eine gewisse Möglichkeit den Verkehrsmarkt über Unternehmensgrenzen hinweg zu beeinflussen und zu prägen.

Innovationen der Sharing Economy im Kfz- und Rad- bzw. Rollerverkehr und die angestrebte Automatisierung bestimmter Verkehrsträger ermöglichen es zukünftig noch komplexere multimodale Reiseketten zu gestalten und so das jeweils für den aktuellen Zweck praktikabelste Verkehrsmittel zu wählen. Multimodalität wird so zur Regel zu bei Mobilitätsangeboten und Reiseketten. Hierzu ist die vollständige Vernetzung aller Verkehrsträger in Buchungs- und Informationsmedien zur Gestellung ganzer Reiseketten statt einzelner Abschnitte eine noch immer nicht umgesetzte Aufgabe. So sollen Kunden beispielsweise sowohl auf öffentliche Nahverkehrsangebote als auch als Teil der Reisekette auf Car-und Bike-Sharing-Angebote über das gleiche Buchungs-, Abrechnungs- und Kundensystem zugreifen können. Ziel muss dabei sein, die Bereitstellung der Informationen und Dienstleistungen verkehrsträgerübergreifend auszuführen und multimodale Angebote zu entwickeln. Dazu gehört auch die Ausstattung mit Informations- und Unterhaltungsmedien für die Fahrgäste öffentlicher Verkehrsmittel und deren mobile Endgeräte (z.B. durch W-LAN und eine intensive Zusammenarbeit über Unternehmensgrenzen hinweg.

Verkehrsleitsystem
Ein Verkehrsleitsystem (siehe auch Kap. 2.7) beeinflusst den Verkehr auf Basis von dynamischen Verkehrsflussinformationen, die beispielsweise aus in der Straße installierten Sensoren, Lichtsignalanlagen-Steuergeräten, ÖPNV- und Taxiortungsdaten, etc. gewonnen werden. Die Beeinflussung erfolgt durch kollektive (z.B. Wechselverkehrszeichen und Wechselwegweiser) sowie durch individuelle Systemkomponenten (Navigationssysteme mit Leitsystemschnittstelle, über UKW-Frequenzen übertragene Informationen, etc.).

Hinzu kommen außerdem umfangreiche Überwachungsfunktionen von wichtigen Knotenpunkten oder Streckenabschnitten zur Stauvermeidung, Rettungsmittelbenachrichtigung oder insbesondere bei Tunnel- und Brückenabschnitten zur rechtzeitigen Sperrung bei Unfall- oder kritischen Stauereignissen. Auf umfangreich ausgebauten Verkehrswegen kommen zudem noch die Geschwindigkeitsregulierung und Spurfreigaben durch Wechselverkehrszeichen hinzu.
Im ÖPNV-Bereich entwickeln sich Verkehrsleitsysteme zunehmend durch die Anbindung an rechnergestützte Betriebsleitsysteme auch zu einem Optimierungsinstrument bei Bevorrechtigungsregelungen von ÖPNV-Fahrzeugen (z. B. verspätungs- oder knotenbelastungsabhängig). Hierbei kann dem Fahrpersonal auch eine energiesparende Fahrweise vorgeschlagen werden, sodass beispielsweise der nächste Knoten mit freier Fahrt erreicht wird. Solche Systeme befinden sich zurzeit auch in der Testphase für Individualfahrzeuge bzw. Fahrräder.
Die Relevanz von Verkehrsleitsystemen und deren Funktionsumfang nimmt mit dem Automatisierungsgrad von Verkehrsmitteln an Bedeutung zu, da für autonom fahrende Systeme insbesondere im Störungsfall präzisere Daten erhebliche Verkehrsflussverbesserungen, Stauvermeidung und Sicherheitsgewinne mit sich bringen können.
Der Stand der Technik liegt jedoch aktuell oft immer noch bei ausschließlich kollektiven Beeinflussungen, z. B. durch Umschaltung von Steuerungsprogrammen der Lichtsignalanlagen („Grüne Welle“ o. ä.), Umleitungsanweisungen durch Wechselverkehrszeichen etc. Eine Weiterentwicklung hin zur individuellen bzw. fahrzeugspezifischen Informationen steht noch aus.

Netzleittechnik
Die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik in Netzwerken, beispielsweise von Energie-übertragungsnetzen oder rohrgebundenen Netzen für Flüssigkeiten und Gase, wird unter dem Begriff Netzleittechnik zusammengefasst. Der Betreiber der Leittechnik ist im überwiegenden Fall auch der Netzbetreiber bzw. das Versorgungsunternehmen. An Einspeise- bzw. Entnahmepunkten ergeben sich jedoch ggf. umfangreiche Schnittstellen und Zugriffsrechte zu bzw. auf Fremdanlagen. So ist die Leistungsanforderung an Kraftwerke beispielsweise immer Teil der Netzleittechnik des Übertragungsnetzbetreibers.

Aufgabe der Netzleittechnik ist es, dem Betriebspersonal der Netzbetreibe die Betriebsführung der Netze zu ermöglichen. Dazu gehört das Last- und Erzeuger-/ Einspeisermanagement, die (sicherheitsrelevante) Netzüberwachung, Bewältigung von Störsituation und der Eingriff in das Netzgeschehen. Eingriffe und Überwachung können sowohl automatisiert und wo nötig auch manuell erfolgen. Basis der Netzleittechnik ist es, Prozessinformationen wie Zählwerte, Messwerte und Meldungen an eine zentrale Leitstelle zu übertragen. Nach einer bedienergerechten Aufbereitung können diese dem Bedienpersonal nutzungsgerecht dargestellt und ggf. Handlungsempfehlungen und Steuergrößen für automatisierte oder manuelle Eingriffe abgeleitet werden. Zum Eingriff werden Steuer- und Stellbefehle an am Netzprozess beteiligte Anlagen ausgegeben. Die Netzleitung erfolgt heute meist zentralisiert bzw. mit einem hierarchischen Architekturprinzip.

In Verkehrsnetzen wird die Netzleittechnik heute in Form von Verkehrszentralen, Überwachungseinrichtungen von besonderen Verkehrsanlagen oder der Leit- und Sicherungstechnik bei der Eisenbahn umgesetzt. Im Zuge neuer automatisierter Mobilitätskonzepte auf der Straße muss  eine entsprechende netzübergreifende Leittechnik auch auf der Straße aufgebaut werden, die in der Lage ist bei Störungsereignissen, Überlastung etc. steuernd einzugreifen.
Der hohe Automatisierungsgrad von Netzleittechnik jeglicher Art ermöglicht Störungsanalysen, Simulationen von Netzzuständen (beispielsweise Sperrungen, Netzfehlerfälle, Neubau, Ermittlung/ Einstellung optimaler Netzzustände, etc). Dies hat unter anderem auch für das Betriebspersonal-Training und Schulungszwecke hohe Bedeutung, da automatisierte Netze auch im Fehlerfall manuell und intuitiv bedient werden müssen und oft nicht am realen Objekt trainiert werden kann.

Diagnose
Die genaue Bestimmung der Fehlerursache und des Fehlerorts eines Fehlers in einem technischen System wird als Fehlerdiagnose bezeichnet. Die Phasen der Fehlererkennung, des Fehlermanagements und der Fehlerdiagnose werden häufig in der „Diagnose“ zusammengefasst, Fehlerkompensation und Fehlerkorrektur folgen im zeitlichen Anschluss. In der Luftfahrzeug- und Bahntechnik werden bereits heute automatische Fahrzeugdiagnosesysteme eingesetzt, die die Funktion eines Gerätes intern oder extern überwachen und bei Fehlfunktionen umfangreiche Diagnosedaten für die Instandsetzung sowie den Bedienenden bereitstellen. Sind redundante Geräte (heiße Redundanz) vorhanden, so können auch über einen Vergleich der Funktionsergebnisse beider Geräte Fehlererkennungs- und Diagnosedaten gewonnen werden. Die Ergebnisse können dabei über Funk dem Betreiber übermittelt werden, sodass Handlungsempfehlungen und vorbereitende Maßnahmen für eine Instandsetzung getroffen werden können.
Neben der Funktion der eigentlichen Fehlerdiagnose nimmt die Diagnose von langsamen Zustandsveränderungen im Prozess - hin zu einer mehr prädiktiv geprägten Instandhaltung - eine zunehmende Bedeutung ein. Diese dient einer zustandsbedingten Instandhaltung, d. h. frühzeitigen Eingriffen bei sich verschlechternden Parametern, bevor eine Komponente versagt. Dies gilt sowohl für Fahrzeugkomponenten als auch für viele Infrastrukturbestandteile wie Fahrleitungen, Weichen, Schienenstöße etc., deren Zustand durch Fehlererkennungs- und ggf. externe Diagnoseeinrichtungen, beispielsweise an Fahrzeugen mit häufiger Vorbeifahrt, vermessen und im Anschluss prädiktiv beurteilt werden können. Die Bereitstellung der diagnosefähigen Daten muss dabei von Betreibern der Fahrzeuge erfolgen. Das Konzept der fahrzeugbasierten Zustandsdiagnose könnte mit Fahrzeugen im Straßenverkehr, denen es zunehmend möglich wird mit der Infrastruktur zu kommunizieren und die über ohnehin umfangreiche erfassende Sensorgen verfügen, weiterentwickelt und genutzt werden.

Die Diagnose erhält insbesondere beim hochautomatisierten Fahren eine immense Rolle, da hier bei allen Verkehrsträgern auf Dauer kein sachkundigen Personen im Fahrzeug mehr zu erwarten sind, die in bestimmten Verfahren Fahrzeuge zur manuellen Weiterfahrt oder Räumung bedienen können. Es müssen deshalb einerseits bereits Ausfälle prädiktiv vermieden werden, sodass die Kadenz von Ausfallereignissen reduziert werden kann. Noch entscheidender sind andererseits jedoch hochdetaillierte und höchstzuverlässige Fehler- und Diagnosedaten, die eine Fernbeurteilung von Fehlerzuständen ermöglichen und so auch in hochautomatisierten Systemen Streckenräumungen und den sicheren Betrieb ohne Eingriff vor Ort zulassen. Diese bedeutet auch, dass auf Basis einer stark auszubauenden Fahrzeugdiagnose sicherheitsrelevante Fehler zuverlässig und adäquat eingeschätzt werden können müssen.

IT-Security
Vernetzte Mobilitätssysteme schaffen neue umfangreiche Kommunikationsschnittstellen von und zu Fahrzeugen aller Verkehrsträger. Dasselbe gilt für umfangreiche infrastrukturbezogene Einrichtungen, die durch die Partizipation an der Fahrzeugdiagnose und anderer Sensoren „intelligenter“ werden sollen. Insbesondere Kraftfahrzeuge und das Internet wachsen dabei immer mehr zusammen. Ziele durch die Vernetzung großer Datenmengen sind eine steigende Verkehrsleistungsfähigkeit bei gleicher Infrastruktur, die Schaffung von mehr Sicherheit und die Reduzierung von Umwelt- und Klimabelastungen. Es entstehen zusätzliche Daten und Informationsströme, die manipuliert oder verändert werden könnten und/ oder ggf. hohe datenschutzrechtliche Relevanz besitzen. Zum Schutz vor Datenmanipulation oder vor Missbrauch der für die Fahrzeugkommunikationssysteme erforderlichen Daten, sind Datenschutzprinzipien zu standardisieren und rechtliche und ethnische Fragen zum Recht an den eigenen Daten zu klären.

Technisch werden die sicherheitsrelevanten Systeme in der Fahrzeugelektronik wie Motor- und Bremssteuerung, Lenkung etc. von Navigations-, Telematik- und Infotainment-Anwendungen soweit möglich getrennt. Es handelt sich so beispielsweise beim Navigations- und Infotainmentnetzwerk im Fahrzeug und bei der Motorsteuerung um zwei unterschiedliche Datennetzwerke. Wo Kommunikation zwischen den Netzwerken erforderlich ist, schotten Gateways und Firewalls die sicherheitsrelevanten Bereiche im vernetzten Fahrzeug ab. Daten müssen darin zudem verschlüsselt übertragen und gespeichert werden. Die Soft- und Hardwarearchitekturen der Fahrzeuge müssen jedoch stetig weitentwickelt und angepasst werden, um auch bei Laufzeiten von vielen Jahren die IT-Security gewährleisten zu können fortlaufend ein hohes technisches Sicherheitsniveau einzuhalten. Dies erfordert die zuverlässige Updatefähigkeit und Betreuung durch die Hersteller über den gesamten Produktlebenszyklus - und dies bei je Subsystem zum Teil sehr unterschiedlichen Innovationszyklen.
Gleiches gilt für Infrastrukturanalagen wie die Leit- und Sicherungstechnik oder Steuergeräte von verkehrsregelnden Anlagen im Straßenverkehr. Für Komponenten, die hochsicherheitsrelevante Funktionen erfüllen, müssen eigene IT-Sicherheitsstandards gelten, die eine Unveränderlichkeit der sicherheitsrelevanten Eigenschaften von außen Sicherstellen. Der Bahnsektor verfügt für die funktionale Sicherheit bereits über den normativen Standard EN 50128, der jedoch eine kontinuierliche Anpassung an neue technische Rahmenbedingungen erfordert.
Hinzu kommen Aspekte des Datenschutzes. Die fahrzeuggebundenen Informations- und Hilfsdienste stellen neben den Diagnosedaten eine umfangreichen Informationspool dar, der für den Betrieb und die Sicherheit des Fahrzeugs notwendig ist. Dieser kann zudem auch für Service-Dienste oder technische Weiterentwicklung nutzbar sein. Notwendig ist deshalb, dass die Eigentümer der Fahrzeuge wissen, welche Daten zu welchem Zweck erhoben und genutzt werden und dass für die Wahrung der Persönlichkeitsrechte relevante Daten keinen Abgriff von außen zulassen oder nur anonymisiert vorliegen.

Kommunikation „Fahrzeug - Umfeld"
Automatisierte Systeme werden künftig für viele Verkehrssituationen aller motorisierten Verkehrsträger an Land die Fahrzeugführung übernehmen. Die Systeme müssen dabei durch Kommunikationstechnik vernetzt werden, wobei aktuell weltweit unterschiedliche Technologien und Standards Verwendung finden bzw. entwickelt werden und sich die Komplexität der Systembewertung, -auslegung und -standardisierung deutlich erhöht. So gibt es beispielsweise für die Car2X-Netzwerktechnologien weltweit divergierende reservierte Frequenzbänder für die Kommunikation, zudem Systeme sowohl auf W-LAN- sowie auf Mobilfunkbasis. Hinzu kommen Fahrzeug-Ad-hoc-Netzwerke und Short-Range-Communication-Netzwerke, die eine direkte Kommunikation zwischen dem jeweiligen Fahrzeug und dessen Umfeld zu ermöglichen.

Das vernetzte Fahren bezeichnet dabei die Kommunikation zwischen Fahrzeugen (Car2Car bzw. Vehicle2Vehicle-(V2V)-Communication) sowie zwischen Fahrzeugen und Infrastrukturen (Car2X bzw. Vehicle2X). Beim vernetzten Fahren werden verkehrsbezogene Informationen über Funktechnologien ausgetauscht. Dies sind beispielsweise aufbereitete Informationen zu Verkehrsfluss, Unfällen, Baustellen oder Wetterlagen. In der Regel erfassen Sensoren die notwendigen Informationen. Diese werden computergestützt aufbereitet und stehen dann zur Übermittlung an Fahrzeuge und Infrastruktur zur Verfügung. Durch den Austausch werden das Angebot und die Qualität (u.a. Aktualität, Genauigkeit, Sicherheitsrelevanz, Geschwindigkeit der Erstinformation) der Informationen für die einzelnen Verkehrsteilnehmer deutlich erhöht. Beispielsweise Gefahren durch ein Stauende oder einen Unfall können so von vorausfahrenden Fahrzeugen als Warnmeldungen direkt an die Folgefahrzeuge weitergegeben werden. Auch Informationen über sich nähernde Rettungsfahrzeuge können bereitgestellt werden.

a) Car2Car
Einen speziellen Anwendungsfall von Car2X-Kommunikationssystemen ist die direkte Car2Car-Kommunikation. Sie soll den Fahrer zum Beispiel vor Gefahren wie einem stark bremsenden Vordermann warnen, erkannte Hindernisse weitergeben, sich nähernde Rettungsfahrzeuge ankündigen etc. Für vollautomatisiertes Fahren ist außerdem vorstellbar, die nächsten Fahrtschritte wie Spurwechsel etc. zu kommunizieren und so zu erleichtern. Besondere Relevanz besitzt dabei, dass jedes Fahrzeug immer die Signale aller umliegende Fahrzeuge im empfängt und für sich die Relevanz feststellen muss. Hierzu sind präzise Ortungs- und Kartendaten erforderlich.

b) Car2X
Neben dem Datenaustausch zwischen Fahrzeugen mit Car2Car umfasst Car2X auch die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Infrastruktur, beispielsweise, zur Ansteuerung von Lichtsignalanlagen, die Anzeige der passenden Geschwindigkeit für eine „grüne Welle“, die Schaltung „grüner Wellen“ für Kfz, Rettungsfahrzeuge oder ÖPNV etc. Weiteres Ziel kann die Übertragung von Routeninformationen sein, beispielsweise um durch günstige Routen Staus zu vermeiden, durch angepasste Fahrweise den Schadstoffausstoß zu senken etc. Die Fahrdaten der vernetzten Fahrzeuge können anonymisiert dann auch in das übergeordnete Verkehrsleit- und Managementsystem oder sogar die zukünftige Verkehrsplanung einfließen.

c) Rail2X
Eine weitere Nutzungsmöglichkeit von Car2X-Kommunikationsangwendungen stellt ein Forschungsprojekt des DLR, der DB Systel, der Siemens AG und anderen Partnern dar, die sich in drei Anwendungsfällen mit der Nutzbarkeit der Car2X-Technologie für den Bahnmarkt beschäftigen. Anwendungsfall 1 thematisiert dabei den Informationsaustausch Zug - Infrastrukturanlagen (z.B. neue Form der zustandsorientierten Instandhaltung, inkl. Information an Dritte über eingeschränkten Zugverkehr). Anwendungsfall 2 hat zum Ziel, den Informationsaustausch zwischen Kfz und Bahnübergängen (BÜ) zu ermöglichen. Ziel ist die Übermittlung des BÜ-Status sowie die Aktivierung von Anrufschranken etc. Als Sonderform des Anwendungsfalls 1 soll außerdem der Informationsaustausch zwischen Zug und Stationen ermöglicht werden, beispielsweise zur Informationsübertragung von Bedarfshaltanforderungen an den Zug, Zugdurchfahrtsmeldungen an Bahnteigen etc.

Quelle: https://rail2x.berlin/

 

Disposition

Im Sinne einer allgemeinen Erläuterung und Abgrenzung lassen sich die strategischen, technologischen und operativen Maßnahmen bei der Disposition wie folgt definieren:

Im Sinne einer allgemeinen Erläuterung und Abgrenzung lassen sich die strategischen, technologischen und operativen Maßnahmen bei der Disposition wie folgt definieren:

a) Flotte
Die Disposition einer Flotte zeichnet sich dadurch aus, dass sie fast ausnahmslos zentral durch eine Leitstelle erfolgt. Diese Art der Disposition geschieht auf Grundlage eines festgelegten Programms (Fahrplan), welches häufig auch die Verfügbarkeit und aktuelle Kapazität der von den planmäßigen Fahrten (Missionen) genutzten Strecken (Trassen) berücksichtigt. Das festgelegte Programm (Fahrplan) ist vorbestimmt und orientiert sich an einem kollektiven Bedarf, der im Zwangsfeld von Angebot und Wirtschaftlichkeit bedient wird.
Störungen und Engpässe werden bei der zentralen Disposition einer Flotte nach Möglichkeit mit Hilfe entsprechender Handlungsleitfäden gelöst.

b) Sharing
Die Disposition beim Sharing einer Fahrt (Mission) zeichnet sich dadurch aus, dass sie in der Regel in dezentralen Instanzen und nach einem individuellen, aber kollektiven Bedarf einer kleinen Gruppe erfolgt. Es ist bei größeren Systemen einerseits auch eine Disposition zentral durch eine Leitstelle und mit einem weitgehend festen Plan nicht unüblich (z.B. Anruf-Sammel-Taxi), andererseits auch eine Initiierung „on demand“.

c) Individuell
Die Disposition einer individuellen Fahrt (Mission) zeichnet sich dadurch aus, dass die Regelung in dezentralen, sogar singulären Instanzen nach einem individuellen, spezifischen Bedarf erfolgt. Die Fahrten (Missionen) werden zudem ohne Vorplanung, sozusagen „on demand“ ausgeführt.

Auf Störgrößen wird eher ohne operative Vorkehrungen und situativ reagiert.

A2-E-Mob.-Elektr. Ausrüstung

Elektrische Ausrüstung

Die elektrische Antriebsausrüstung für Straßenfahrzeuge und Schienenfahrzeuge ermöglicht die Umsetzung der zugeführten Energie in Bewegungsenergie für das Fahren und Bremsen. Daneben stellt die elektrische Bordnetzausrüstung die für den Betrieb der Fahrzeuge erforderliche Energie für deren elektrischen Verbraucher zur Verfügung.

A2-E-Mob.-Elektr. Ausrüstung

Die elektrische Antriebsausrüstung für Straßenfahrzeuge und Schienenfahrzeuge ermöglicht die Umsetzung der zugeführten Energie in Bewegungsenergie für das Fahren und Bremsen. Daneben stellt die elektrische Bordnetzausrüstung die für den Betrieb der Fahrzeuge erforderliche Energie für deren elektrischen Verbraucher zur Verfügung.

Bordnetz und Bordnetzumrichter

Das elektrische Bordnetz hat die Aufgabe, elektrische Energie auf dem Fahrzeug für die Systeme an Bord wie Steuerungen, Lüfter, Pumpen, Kompressoren, Klimaanlagen, Informationssysteme etc. bereitzustellen. Verbreitet sind Drehstrombordnetzsysteme oder Gleichstromsammelschienen, die von entsprechenden Bordnetzstromrichtern gespeist werden. Je nach Anwendungsfall sind Bordnetzsysteme mit (redundanter) zentraler Einspeisung oder dezentrale Systeme im Einsatz. Die Fortschritte in der Leistungselektronik (Gewicht, Preis) begünstigen dezentrale Architekturen mit multiplen, redundanten Bordnetzumrichtern und spezifisch auf die Verbraucher angepassten Versorgungsspannungen. Gleichstromsammelschienen mit entsprechend hohen Spannungen und niedrigen Übertragungsverlusten gewinnen bei derartigen Architekturen an Bedeutung. Zur Pufferung werden Bordnetzbatterien (Blei-Akkumulator, Nickel-Cadmium-Akkumulator, Lithium-Ionen-Batterie) verwendet, die den Start des Fahrzeugs sowie das Aufrechterhalten vitaler Fahrzeugfunktionen bei Energieausfall gewährleisten.

Elektrische Maschine

Als elektrische Antriebsmaschine kommen AC-Maschinen, insbesondere robuste Asynchronmaschinen und fremderregte oder permanenterregte Synchronmaschinen zum Einsatz. Gleichstrommaschinen (Reihenschluss, Nebenschluss oder fremderregt) sind bei modernen Fahrzeugen von den AC-Maschinen verdrängt worden. Daneben findet man auch Sonderlösungen wie Langstatormaschinen mit im Fahrweg verlegten Spulen.

In Kombination mit der speisenden Leistungselektronik können die Maschinen motorisch im Fahren und generatorisch im Bremsen betrieben werden.

Leistungselektronik und Antriebe
Die Leistungselektronik ist zentraler Bestandteil heutiger, moderner Fahrzeuge. Sie hat die Aufgabe, die zugeführte Energie (siehe Abschnitt Energiezuführung) auf dem Fahrzeug den elektrischen Maschinen für das Fahren und (elektrodynamische) Bremsen zur Verfügung zu stellen.
Die leistungselektronischen Bauteile haben sich kontinuierlich weiterentwickelt, beginnend mit Thyristoren über Gate-turn-off-Thyristoren (GTO), Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) bis hin zu Elementen mit Silizium-Carbid (SiC).
Zur Steuerung und Regelung stehen heute leistungsfähige, dynamisch hochwertige Verfahren zur Verfügung, deren Einsatz die Entwicklung moderner Signalprozessoren ermöglicht hat.
Infolge der geschalteten Spannungen und Ströme ist der Thematik der leitungsgebundenen Störströme und feldgebundenen Emissionen (EMV) besondere Beachtung zu schenken.

a) Energiezuführung
Weite Verbreitung bei Fahrzeugen mit Konduktiver oder Induktiver Energiezuführung haben die Stromrichterschaltungen mit Spannungszwischenkreis. Als netzseitiger Stromrichter hat sich bei AC-Bahnen der Vierquadrantsteller durchgesetzt, der die einphasige Spannung des speisenden Netzes in eine Gleichspannung umformt. Ein Kondensator im Zwischenkreis und optional ein auf die doppelte speisende Frequenz abgestimmter Saugkreis, die Reihenschaltung aus Drossel und Kondensator, dient der Pufferung und Glättung der pulsierenden Energiezuführung mit dem Ziel niedriger Blindleistungsaufnahme aus dem Netz.
Bei speisenden DC-Netzen kommen sowohl Hoch- und Tiefsetzstellerschaltungen sowie kombinierte Schaltungen zum Einsatz als auch der über ein Netzfilter entkoppelte direkte Betrieb der maschinenseitigen Stromrichter.
Für On-Board Speicher bzw. On-Board Erzeugung (siehe entsprechende Unterkapitel im Abschnitt Energiezuführung) werden geeignete Stellerschaltungen angewendet, welche die auf dem Fahrzeug gespeicherte oder erzeugte Energie für die maschinenseitigen Stromrichter aufbereiten.

b) Energieabführung
Ein Pulswechselrichter als Zweipunkt- oder Dreipunktschaltung formt die Gleichspannung des Zwischenkreises in eine gepulste Spannung mit variabler Grundschwingungsamplitude und Frequenz um mit der eine (Synchronmaschine, Asynchronmaschine) oder mehrere parallelgeschaltete elektrische Maschinen (Asynchronmaschine) gespeist werden.

Stromeinprägende Phasenfolgewechselrichter sind von den kompakten spannungseinprägenden Pulswechselrichtern inzwischen vollständig verdrängt worden. Die Fortschritte in der Leistungselektronik hinsichtlich benötigten Bauraum, Gewicht und Komplexität begünstigten diesen Trend.

Leittechnik
Unter Leittechnik der Fahrzeugsteuerung versteht man die übergeordnete Steuerung und Koordination aller Teilsysteme auf dem Fahrzeug, welche für den normalen Betrieb unmittelbar erforderlich sind. Die Teilsysteme wie Türsteuerung, Steuerung der Klimaanlagen, Fahr-/Bremssteuerung, Beleuchtung etc. sind hierzu bei modernen Fahrzeugen durch Bussysteme mit einer zentralen Fahrzeugsteuerung verbunden.

Eine weitere Leitebene für Information und Kommunikation ist darüber hinaus für das Management der funkbasierten Fahrzeug-Land-Kopplung zur Informationsübertragung verantwortlich. Weitere Systeme wie Kamerasysteme (CCTV), Fahrgastzähleirichtungen und Fahrerassistenzsysteme, aber auch für das Entertainment der Fahrgäste sind bei heutigen Fahrzeugen in diese Art der Leitebene integriert. Letztere bildet meist den fahrzeugseitigen Fortsatz eines großen Netzwerks auf der Landseite für Informationen und Kommunikation, aber auch die Betriebsablaufsteuerung.

Entertainment
Der Bedarf an Entertainment- und Infotainmentsystemen steigt stetig. Beispiele hierfür sind Internet-on-board: alle Medien wie Video, Audio, Spiele, eBooks, IP TV, Routeninformationen; Fahrgastinformationssysteme (FIS): Abspielen von Videos des Entertainment-Systems, Displays am Sitzplatz sowie Werbung.

 

A2-E-Mob.-Straßenfahrzeuge-Bild

Straßenfahrzeuge

Unter elektrisch betriebenen Straßenfahrzeugen werden alle Beförderungsmittel für Güter und Personen verstanden, die sich mittels einer elektrischen Traktionsausrüstung auf Straßen, Plätzen und Wegen von A nach B bewegen können.

A2-E-Mob.-Straßenfahrzeuge-Bild

Unter elektrisch betriebenen Straßenfahrzeugen werden alle Beförderungsmittel für Güter und Personen verstanden, die sich mittels einer elektrischen Traktionsausrüstung auf Straßen, Plätzen und Wegen von A nach B bewegen können.

Ein Umschaltgetriebe wie bei Verbrennungsfahrzeugen ist für elektrisch angetriebene Fahrzeuge grundsätzlich nicht erforderlich. Für eine Akzeptanz von elektrisch betriebenen Straßenfahrzeugen ist die Verfügbarkeit einer flächendeckenden Energiebereitstellung eine wesentliche Voraussetzung.

LKW (fern)
Lastkraftwagen (LKW) für den Fernverkehr dienen dem Transport großer Mengen von Gütern und sind in Gewichtsklassen unterteilt. Neben dem hohen Kostendruck im Transportwesen dominiert die Forderung nach einem großen Beförderungsvolumen. Die elektrische Ausrüstung incl. On-Board- Speicher muss daher sehr kompakt sein bei gleichzeitig hohen Erwartungen an die Reichweite, der Traktionsleistung und den Betriebsstunden. Es werden neben batteriebetriebenen LKW auch alternative Energieträger wie z.B. Wasserstoff oder auch konduktive Energiezuführungssysteme diskutiert.

a) LKW (fern) ohne streckenseitiger Energiezuführung
Die volumetrische Energiedichte für Diesel ist etwa 25 größer die heutiger Traktionsbatterien. Zwar hat der Antriebstrang eines batteriebetriebenen LKWs einen deutlich höheren Wirkungsgrad als ein Dieselfahrzeug. Dennoch erreichen Batterie-LKWs maximal 50% der Reichweite eines Dieselfahrzeugs bei vergleichbaren Einbauräumen und Zuladungen. Anstelle der etablierten Chassis-Konstruktion heutiger LKWs muss ein grundsätzlich neuer konstruktiver Ansatz zur Volumen- und Gewichtsverteilung von Elektro-LKWs gefunden werden. Größere Reichweiten erreicht man mit Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Allerdings ist der Aufbau einer flächendeckenden Wasserstoff-Versorgung erforderlich, die sehr viel aufwendiger ist als Ladestationen für batteriebetriebene Fahrzeuge. Elektrisch betriebene LKWs für den Fernverkehr ohne kontinuierliche Energiezuführung sind daher in nächster Zeit aus operativer Sicht wirtschaftlich nicht darstellbar.

b) LKW (fern) mit streckenseitiger Energiezuführung
Mit einer zu mindestens teilweise streckenseitigen Energiezuführung lassen sich Volumen und Gewicht von On-Board-Speichern reduzieren, so dass sowohl die Reichweiten zunehmen als auch die fahrzeugseitigen Investitionskosten abnehmen. Anstelle einer Infrastruktur mit Ladestationen muss ein Oberleitungssystem aufgebaut werden. Tatsächlich zeigt sich in einer Gesamtkostenbetrachtung das Konzept mit Oberleitung als die wirtschaftlichste Variante der Zukunft für den Fernverkehr. Bei dieser Betrachtung hilft die Tatsache, dass z.B. in Deutschland über 60% der gesamten Ferntransportleistung auf ca. 30% der Autobahnen erfolgt, so dass nur dieser Teil elektrifiziert werden muss. Da aber zum Bau einer Oberleitungsinfrastruktur sehr langwierige Genehmigungsprozesse erforderlich sind, insbesondere wenn diese Infrastruktur auch grenzüberschreitend sein soll, ist eine Umsetzung eher fraglich.  Alternativ zur Oberleitung werden in Skandinavien auch Boden-Stromabnehmer-Systeme diskutiert. Aufgrund einer fehlenden Schutzerdungsverbindung zur Landseite müssen bei diesen Fahrzeugen besondere Schutzmaßnahmen (Isolationsüberwachung, doppelte Isolation) vorgesehen werden.

PKW
Bei den elektrisch angetriebenen PKW unterscheidet man in batteriebetriebene Fahrzeuge und in Hybridfahrzeuge, die aus anderen Primärenergiequellen gespeist werden. Gegenüber dem LKW ist der PKW für eine geringere Lebensdauer, kleinere Leistungen bei gleichzeitig deutlich höherer Überlastfähigkeit des Antriebsstrangs auszulegen.

a) Batteriebetriebene PKW
Nahezu alle Autohersteller bieten mittlerweile Elektroautos in unterschiedlichen Ausstattungsklassen an. Gegenüber den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind für den Fahrer ein höheres Anfahrmoment und die geringere Geräuschbelastung unmittelbar spürbar. Im Antriebsstrang werden Batterien, Traktionsumrichter und Motoren unterschiedlicher Technologien eingesetzt. Durch die Produktion in großen Stückzahlen spielen bei der Auswahl der Technologie grundsätzliche Aspekte wie z.B. die Rohstoff-Verfügbarkeit eine große Rolle.

Die Traktionsbatterien können über Hochleistungs-Ladestationen in kurzer Zeit z.B. auf der Autobahnraststätte nachgeladen werden. Darüber hinaus besitzen Batterieautos auch Ladegeräte geringer Leistung, die auf die Belastbarkeit der privaten Hausnetze abgestimmt sind, so dass z.B. über Nacht in der Garage nachgeladen werden kann.

b) Hybridfahrzeuge
Zu den Hybridfahrzeugen zählen alle Fahrzeugvarianten, bei denen aus unterschiedlichen Primärenergieträgern wie z.B. fossile Brennstoffe, Gas oder Wasserstoff zunächst elektrische Energie erzeugt wird, um dann einen Elektromotor anzutreiben. Zur Zwischenspeicherung der Energie wird zusätzlich eine Batterie eingesetzt. Der Vorteil von Hybridfahrzeugen gegenüber den Batterieautos liegt in der höheren Reichweite (Range Extender) und der schnelleren Betankungszeit. Je nach den zu verwirklichenden Zielstellungen werden Hybridfahrzeuge als serieller (E-Antrieb wirkt für konventioneller Antrieb als Mittler), oder parallele Hybridfahrzeuge (E-Antrieb und konventioneller Antrieb wirken auf eine Achse) realisiert. Nachteilig ist der durch die zusätzliche Energiewandlung insgesamt schlechtere Wirkungsgrad. Da durch die Weiterentwicklung in der Batterietechnik noch weitere Potentiale erwartet werden, betrachtet man Hybridfahrzeuge heute als Übergangstechnologie.

Lieferverkehr (nah)
Im innerstädtischen Verteilerverkehr findet man primär LKWs der unteren Gewichtsklassen. Anders als im Fernverkehr gibt es u.a. aufgrund der geringeren Streckenlängen im innerstädtischen Verteilerverkehr erste elektrisch angetriebene Fahrzeugflotten. Dort können die Vorteile des Elektroantriebs (geringes Geräusch, hohes Anfahrmoment, emissionsfreier Betrieb, Rekuperation) perfekt genutzt werden. Aufgrund der ausgeprägten zyklischen Betriebsart im Fahrspiel bieten sich batteriebetrieben Fahrzeuge im Verteilerverkehr besonders an. Aufgrund der gesetzlich geforderten CO2-Reduktion wird in den nächsten Jahren ein deutlicher Zuwachs an elektrisch angetriebenen LKWs im Verteilerverkehr erwartet.

Busse
Busse dienen der Personenbeförderung und unterscheiden sich in Stadtbusse und Reisebusse. Ähnlich wie bei den LKWs findet man primär elektrisch angetriebene Busse im innerstädtischen Bereich in unterschiedlichen Konfigurationen und Längen. Wie beim innerstädtischen Verteilerverkehr können elektrische Stadtbusse alle Vorteile der elektrischen Traktion nutzen. Im Wesentlichen unterscheidet man in Solobus (12m), Gelenkbus (18m) und Doppelgelenkbus (24m). Wann welche Gefäßgröße zum Einsatz kommt, hängt von der erforderlichen Beförderungskapazität ab.

Da der innerstädtische Busverkehr häufig durch Betreiber mit eigenen Betriebshöfen und Werkstätten organisiert ist, lassen sich Nachladekonzepte oft einfacher realisieren als im öffentlichen Raum. Grundsätzlich kann man in Elektrobusse mit und ohne Oberleitung unterscheiden.

a) Busse ohne Oberleitung
Elektrisch angetriebene Busse ohne Energiezuführung über eine Oberleitung kennt man sowohl als batteriebetriebene Busse als auch als Hybridbusse.

Die meisten Neuausschreibungen für Elektrobusse beziehen sich heute auf batteriebetriebene Stadtbusse. Mit der Einführung von Batteriebussen für den ÖPNV muss immer auch ein geeignetes Nachladekonzept entwickelt werden. Man unterscheidet in Flash-Charging (<30s z.B. an der Haltestelle), Opportunity-Charging (<10 Minuten, z.B. an der Endhaltestelle) und Over-Night-Charging (i.d.R. im Depot).

Brennstoffzellen-Busse haben den Vorteil einer größeren Reichweite und werden dort eingesetzt, wo eine Versorgung mit Wasserstoff mit begrenztem Aufwand realisiert werden kann, z.B. wenn Wasserstoff als „Abfallstoff“ aus der Chemischen Industrie zur Verfügung steht. Hybridbusse mit fossilen Brennstoffen spielen heute kaum mehr eine Rolle.

b) Busse mit Oberleitung
Oberleitungsbusse, auch Trolleybusse genannt, beziehen Ihre Energie aus einer zweipoligen Oberleitung und müssen wegen fehlender Erdung besondere Isolationsanforderungen erfüllen. Oberleitungsbusse reihen sich entweder im normalen Stadtverkehr ein und sind (mit einer gewissen lateralen Versatzmöglichkeit) an die Trasse der Oberleitung gebunden. Alternativ werden auch BRT-Systeme (Bus Rapid Transit), die auf eigenen Trassen fahren, mit Trolleybussen betrieben. Damit auch Strecken ohne Oberleitung befahren werden können, erhalten Oberleitungsbusse zusätzliche Traktionsbatterien, deren Größe durch die oberleitungsfreien Streckenabschnitte bestimmt ist. Je nach Verkehrsbetrieb werden bis zu 80% der Strecke aus der Traktionsbatterie gefahren. Die Nachladung der Batterie erfolgt dann beim Betrieb unter der Oberleitung (In Motion Charging). Durch die Kombination aus Oberleitungsbetrieb und reinem Batteriebetrieb erlebt der Trolleybus aktuell eine Renaissance.

E-Bikes, Scooter etc.
Elektrisch angetriebene Kleinstfahrzeuge für die autarke Beförderung von Einzelpersonen auf kurzen Strecken finden mehr und mehr Anklang bei der Bevölkerung, da sie neben der reinen Beförderungsfunktion auch in der Freizeitgestaltung genutzt werden. Durch die begrenzten Anforderungen an Reichweite und Leistung sind diese Geräte klein und kompakt und beeinflussen den modalen Split im Nahbereich. Da die Komponenten der elektrischen Ausrüstung in großen Stückzahlen gefertigt werden, lassen sich Skalierungs- und Synergieeffekte erzielen, was zu reduzierten Preisen und damit weiter steigenden Attraktivität führt.

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Schienenfahrzeuge

Als elektrisch angetriebene Schienenfahrzeuge werden hier alle spurgeführten Fahrzeuge verstanden. Um im Fehlerfall die Strecke räumen zu können, haben Schienenfahrzeuge oftmals eine zu mindestens teilweise redundante Traktionsausrüstung. Zur Energiezuführung kommen prinzipiell alle bekannten Systeme zum Einsatz mit unterschiedlichen Spannungsklassen.

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Als elektrisch angetriebene Schienenfahrzeuge werden hier alle spurgeführten Fahrzeuge verstanden. Um im Fehlerfall die Strecke räumen zu können, haben Schienenfahrzeuge oftmals eine zu mindestens teilweise redundante Traktionsausrüstung. Zur Energiezuführung kommen prinzipiell alle bekannten Systeme zum Einsatz mit unterschiedlichen Spannungsklassen.

Schienenfahrzeuge dienen dem Transport von Personen und Material im Nah- und Fernverkehr und haben einen höhere Beförderungskapazität als Straßenfahrzeuge. Dies wird insbesondere durch die Kuppelbarkeit zu größeren Zugverbänden erreicht. Durch den Rad-Schiene-Kontakt (Stahl-Stahl) lassen sich Beschleunigungs- und Bremskräfte deutlich schlechter übertragen als dies bei Straßenfahrzeugen möglich ist, allerdings ermöglicht der spezifische geringe Rollwiderstand energetisch sehr günstige Fahrspiele bei hoher Laufkultur. 

Fernverkehr
Im Fernverkehr zur Personenbeförderung werden Züge unterschiedlicher Geschwindigkeitsklassen eingesetzt, die sich an der Ausführung der zu befahrenden Trassen orientiert. Zur Realisierung hoher Geschwindigkeiten bei gleichzeitig hoher Auslastung der Trassen sind neben zentralen Betriebsleitstellen streckenseitig Zugsicherungsanlagen verbaut.

In erster Näherung spricht man über Hochgeschwindigkeitsverkehr bis 350km/h und Fernzüge bis 200km/h, die über Oberleitungssysteme mit Energie versorgt werden. Als Haltepunkte werden im Wesentlichen die Oberzentren angefahren. Im Grenzüberschreitenden Verkehr müssen oftmals Fahrzeuge eingesetzt werde, die für zwei oder mehrere Versorgungs-Spannungen ausgelegt sind.

Regionalverkehr
Züge für den Regionalverkehr dienen dem Verkehr zwischen den Oberzentren und den Mittelzentren bzw. den Kleinstädten. Typisch werden Geschwindigkeiten von bis zu 160km/h erreicht. Da im ländlichen Raum die Elektrifizierung der Strecken nicht überall gegeben ist, werden neben rein elektrischen Fahrzeugen, die aus der Oberleitung versorgt werden, auch Diesel- und dieselelektrische Züge eingesetzt. Zur Reduktion der CO2-Emmissionen werden zunehmend auch Hybride Antriebskonzepte diskutiert. Dabei wird die Energie für den elektrischen Antrieb entweder aus unterschiedlichen Primärenergieträgern wie z.B. fossilen Brennstoffen, Gas oder Wasserstoff erzeugt, oder es kommen Batterien zum Einsatz.

Metro
Im innerstädtischen Personenverkehr erreicht man mit Metrosystemen die höchste Beförderungsleistung. Daher findet man Metros ausschließlich in sehr großen Städten und Ballungsgebieten. Durch das Bevölkerungswachstum und die zunehmende Urbanisierung wächst die Anzahl der Metrosysteme weltweit trotz der sehr hohen Baukosten für die Tunnelstrecken. Metros fahren als Mehrwagenzug, deren Energiezuführung geschieht heute hauptsächlich über leistungsstarke Stromschienensysteme bzw. vereinzelt auch über Oberleitungssysteme mit hohen Gleichspannungen. Der mittlere Haltestellenabstand reicht von ca. 600m z.B. in Stadtzentren bis zu 2000m in den Randgebieten. Da Metros in der Regel auf eigenen nicht öffentlich zugänglichen Trassen und in einer hohen Taktrate verkehren, findet man zunehmend automatisierte oder teilautomatisierte Metro-Systeme, die neben einem verminderten Personalbedarf, eine höhere Flexibilität in der Disposition und eine weiter verbesserte Betriebsqualität bewirken können. 

Tram
Durch die Eröffnung der ersten elektrisch betriebenen Straßenbahnstrecken in Berlin und Paris durch Werner von Siemens haben sich Straßenbahnsysteme rasch auf der gesamten Welt verbreitet, sind aber in den Jahrzehnten der Massenmotorisierung je nach politischer Maxime als vermeintliches „Verkehrshindernis“ diffamiert und vielerorts abgebaut worden. Eine große Verbreitung und sogar Renaissance ist heute primär in Europa zu finden, aber auch in Nordamerika entstehen neue Systeme. Beim Aufbau der Infrastrukturen in den Städten wurden teilweise auch spezielle kommunale Anforderungen berücksichtigt, so dass heute Straßenbahnen in Mittel- und Oberzentren mit unterschiedlichen DC-Spannungsnetzen, Spurweiten und Betriebsleitsystemen eingesetzt werden. Durch einen mittleren Haltestellenabstand von 300m-800m ist zur Erreichung einer akzeptablen Reisegeschwindigkeit eine sehr hohe Anfahrbeschleunigung und Bremsverzögerung erforderlich, die oft bis an die physikalischen Grenzen des Rad-Schienenkontaktes heranreicht. Zur Erhöhung der Transportkapazität werden Straßenbahnen bedarfsabhängig auch in Zugverbänden gekuppelt. Straßenbahnen, die innerhalb des fließenden Straßenverkehrs verkehren, müssen erhöhte Bremsanforderungen z.B. in einer Gefahrensituation erfüllen. Zur Erreichung dieser Anforderungen sind unterschiedliche Bremssysteme vorgeschrieben. Alternativ fahren Straßenbahnen auf eigenem Gleiskörper, die dann auch als Stadtbahnen bezeichnet werden. Das System „Stadtbahn“ ermöglicht es, die konventionelle Straßenbahn skalierbar in ein Metro-Ähnliches System zu entwickeln, bzw. die Vorteile beider System zu verbinden. Beispielsweise kann eine partielle Metro-Infrastruktur im Sinne einer „Pre-Metro“ frühzeitig durch Straßenbahnen genutzt werden.

Als Variante einer spurgeführten, elektrisch betriebenen Omnibus-Bahn sind Straßenbahnen unter dem Begriff „Tramway sur pneu“ zum Beispiel im Frankreich in Betrieb. Die Motivation für den Betrieb solcher Systeme besteht in der Nutzung konventioneller Fahrbahnelemente.

People Mover
Als People Mover werden Verkehrssysteme bezeichnet, die auf kurzen Strecken oft automatisiert mit einer hohen Taktrate betrieben werden. Man findet sie primär an Flughäfen und Messen. Neben konventionellen Schienenfahrzeugen gibt sehr unterschiedliche Ausführungsvarianten, die je nach lokalen Anforderungen eingesetzt werden. Etabliert haben sich gummibereifte People Mover, die die Schiene als Spurführung nutzten. Darüber hinaus findet man Monorails und Hängebahnen, sowie von Zugseilen gezogenen Kabinenbahnen. Außer bei den Zugseilbahnen ist die elektrische Ausrüstung der People Mover denen der U-Bahnen sehr ähnlich.

Güterverkehr
Das Haupteinsatzgebiet von Güterzügen ist der Fernverkehr von großen Transportvolumina, da dort die Vorteile des Schienengüterverkehrs gegenüber dem straßengebundenen Güterverkehr dominieren: sehr zuverlässig, sicher, umweltfreundlich und insgesamt wirtschaftlicher. Dagegen spielt der schienengebundene Güterverkehr im Nahverkehr kaum eine Rolle, da die Flexibilität und Transportgeschwindigkeit des Straßengüterverkehrs dort unschlagbar sind.

Güterzüge werden als lokbespannte Zugverbände geführt, wobei die Zuglänge mehrere hundert Meter betragen kann, international auch deutlich über 1000m. Bei sehr langen Zugverbänden ziehen insbesondere bei topographisch anspruchsvollen Strecken auch mehrere Loks den Wagenzug. Elektrisch betriebene Lokomotiven müssen in Europa die gängigen Versorgungs-Spannungen beherrschen, da sie oft im grenzüberschreitenden Verkehr betrieben werden. . Elektrische Bahnen haben heute auch noch im Punkt-zu-Punkt-Güterverkehr ihre Berechtigung, zum Beispiel im Bergbau, oder als Industriebahn.

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Energiezuführung

Unter Energiezuführung versteht man die Schnittstelle zwischen der Energieverteilung einerseits und der Elektrischen Ausrüstung auf dem Fahrzeug andererseits. In diesem Kapitel wird dabei vorrangig auf die elektrische Energiezuführung eingegangen, die Betankung mit anderen Kraftstoffen wird im nachfolgenden Unterabschnitt On-Board Erzeugung thematisiert.

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Unter Energiezuführung versteht man die Schnittstelle zwischen der Energieverteilung einerseits und der Elektrischen Ausrüstung auf dem Fahrzeug andererseits. In diesem Kapitel wird dabei vorrangig auf die elektrische Energiezuführung eingegangen, die Betankung mit anderen Kraftstoffen wird im nachfolgenden Unterabschnitt On-Board Erzeugung thematisiert.

Energiezuführung konduktiv
Die elektrische Energiezuführung erfolgt entweder kontinuierlich oder – in Verbindung mit einem On-Board Speicher – nur zu bestimmten Zeiten und/oder an festlegten Orten. Dafür werden die Energiequelle und -senke leitfähig miteinander verbunden.

Die Wahl der Art der Versorgungsspannung (AC- oder DC-Bahnstrom) ist entweder historisch bedingt oder durch die Verkehrsart (innerstädtisch im überbauten Bereich mit hoher Fahrzeugzahl, über Land mit geringer Fahrzeugzahl, aber großen Übertragungswegen). Letztendlich bestimmt die Minimierung der Anzahl der Energieumformungen („Unterwerk oder Fahrzeug- Trafo“)  die Wahl des Systems.
Alle modernen Schienenfahrzeuge haben einen Drehstromantrieb, bei dem die Elektrische Maschine im Bremsbetrieb generatorisch arbeitet und die so rekuperierte Energie an die speisenden Netze zurückgegeben werden kann, sofern eine Verbindung zur Energieverteilung besteht und ein Verbraucher in Form anderer Fahrzeuge, Speicherung oder rückspeisefähiger Unterwerke vorhanden ist.

a) Fahrdraht
Bei Schienenfahrzeugen weit verbreitet ist die einpolige Fahrleitung, die von Unterwerken gespeist wird. Die Stromabnahme auf Fahrzeugseite erfolgt mit einem Pantographen.
Vorteile: erprobt, standardisiert, effizient, hohe Geschwindigkeiten, Energieübertragung zwischen Fahrzeugen …
Eine Sonderbauform stellt die feste Deckenstromschiene dar, die vor allem in Tunnelabschnitten zum Einsatz kommt, weil sie weniger Lichtraumprofil benötigt.
Trolley-Busse, und neuerdings auch manche LKW (fern), werden aus Gründen der Rückstromführung über eine zweipolige Fahrleitung versorgt, was einen erhöhten Aufwand bei Errichtung und Instandhaltung bedeutet.

b) Stromschiene
Im Bereich von Metro und People Mover ist eine (in der Regel einpolige) Seitenstromschiene gebräuchlich.
Vorteile: hohe Stromtragfähigkeit, kein Platzbedarf auf dem Dach (Lichtraumprofil)
Nachteile: Lücken an Gleisverbindungen, Berührschutz, Geschwindigkeit
Eine Sonderbauform stellt die Bodenstromschiene für Trams dar, die für deren oberleitungslosen Betrieb entwickelt wurde; motiviert aus städtebaulichen Gründen. Hiervon kann auch eine zweipolige Variante für LKW (fern) abgeleitet werden.

c) Rückstromführung
Alle einpoligen Systeme nutzen das Gleis für die Rückstromführung zum Unterwerk. Dabei ist zu beachten: Minimierung von Streuströmen bei DC-Bahnen, Begrenzung der Potenzialanhebung - Trennung von Rückströmen und Maßnahmen der Schutzerdung, Kompensation der Fahr- und Rückleitungssysteme zur Reduzierung der Blindleistung und als EMV-Maßnahme. Bei Systemen ohne Gleis (typisch für Straßenfahrzeuge) muss die Energierückführung ebenfalls über ein Stromabnehmersystem erfolgen, was erhöhte Schutzmaßnahmen erfordert.

d) Stecker (manuell)
Elektrische Straßenfahrzeuge ohne On-Board Erzeugung haben üblicherweise keine kontinuierliche Energiezuführung, sondern einen On-Board Speicher, der stationär nachgeladen werden muss. Abhängig vom Bedienkonzept wird hierzu in den meisten Fällen ein mehrpoliger Stecker verwendet, der aber nur eine begrenzte Leistung übertragen kann.


Kontaktsysteme (automatisch)

Das häufigste automatische Kontaktsystem für die stationäre Nachladung eines On-Board Speicher besteht aus einem beweglichen (oft mehrpoligen) Stromabnehmer und dem passenden Gegenstück. Dabei kann der Stromabnehmer sowohl auf dem Straßenfahrzeug angeordnet sein als auch stationär am Lademast.

Eine alternative Ausführung zur Dachmontage stellt die Anordnung im Unterflurbereich dar, wobei der bewegliche Teil ebenfalls stationär oder mobil sein kann. Das letztgenannte Prinzip gibt es auch für die Gelegenheitsladung einer Tram, die die Distanz zwischen den Haltestellen mittels eines On-Board Speichers überbrücken kann.

Energiezuführung induktiv
Bei Schienenfahrzeugen kennt man die induktive Energiezuführung lediglich von der Magnetschwebebahn. Diese erfolgt auch während der Fahrt und darf nicht mit dem Linearmotor verwechselt werden, der dem Fahrantrieb dient und eine klassische Elektrische Maschine ersetzt.
Für Straßenfahrzeuge, insbesondere Busse, ist seit einigen Jahren ein System in der Erprobung, das stationär während der Standzeit den On-Board Speicher aufladen kann.
Vorteile: Berührungslos, robust gegen Umwelteinflüsse
Nachteile: Positionierung, Wirkungsgrad, Leistungsdichte

On-Board Speicher
Abhängig vom Betriebskonzept und den technischen Daten des Fahrzeuges bestimmen der notwendige Energieinhalt (Kapazität) und der Leistungsbedarf nicht nur die Dimensionierung des Speichers, sondern auch seine Technologie.

Wenn die Energiezuführung nicht kontinuierlich erfolgt, können solche Speicher neben der stationären Nachladung auch die rekuperierte Bremsenergie des Fahrzeuges aufnehmen und verbessern so Energieeffizienz und Reichweite. Die On-Board-Speicher können damit zur Kappung der aufgenommenen Leistung angewandt werden, indem die gewonnene Bremsenergie kurzzeitig gespeichert wird und beim darauffolgenden Fahrzyklus die Energieaufnahme aus der Fahrleitung reduziert.

Alle Speicher werden mittels Leistungselektronik angebunden, um einen geregelten Energiefluss zu ermöglichen.

a) Batteriespeicher
Klassische Bleiakkumulatoren spielen für den Fahrantrieb keine Rolle mehr, weil sie bezüglich Leistungsdichte und Lebensdauer gravierende Nachteile aufweisen. Sie kommen nur für die Stützung der Bordnetze zum Einsatz.
Derzeit werden zumeist verschiedene Varianten von Li-Ionen-Batterien als Traktionsbatterie verwendet. Es werden aber auch andere Typen eingesetzt, oder Hybridsysteme zusammen mit Kondensatorenspeichern aufgebaut.

b) Kondensatorspeicher
Doppelschichtkondensatoren haben bei längerer Lebensdauer eine höhere Leistungsdichte als Batteriespeicher, aber eine geringere Energiedichte. Deshalb kommen sie in der Regel dann zum Einsatz, wenn häufige, aber kurze Lade- und Entladezyklen auftreten.

On-Board Erzeugung
Das Mitführen von Erzeugungsanlagen elektrischer Energie auf dem Fahrzeug lohnt sich dann, wenn hohe Reichweiten den Einsatz von Speichern sehr hoher Energiedichte erfordern, oder wenn der Verbrauch zeitlich von der Energieerzeugung entkoppelt werden soll, weil diese zunehmend Regenerativ und damit Volatil erfolgt.

Zu unterscheiden wäre zwischen Aggregaten, die mittels Verbrennungsmotor und Elektrischer Maschine aus klassischen oder synthetischen Kraftstoffen Energie für die Elektrische Ausrüstung erzeugen, und Brennstoffzellen, die dies auf einem direkten elektrochemischen Wege tun.

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Energieverteilung

Die Energieverteilung ist als Bestandteil der Energiewirtschaft ein Teil der Energieversorgung und grenzt an die Fachbereiche "Energieerzeugung" und Handel, wobei inzwischen auch der Handel mit Blindleistung zu einem bedeutenden Faktor (Stichwort "Regelenergiemarkt") wird. Unternehmen, die in diesem Wirtschaftssektor tätig sind, werden als Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) bezeichnet. In diesem Kapitel wird dabei vorrangig auf die Aspekte der Energiezuführung eingegangen, die im Zusammenhang mit elektrisch angetriebenen Verkehrssystemen stehen.

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Die Energieverteilung ist als Bestandteil der Energiewirtschaft ein Teil der Energieversorgung und grenzt an die Fachbereiche "Energieerzeugung" und Handel, wobei inzwischen auch der Handel mit Blindleistung zu einem bedeutenden Faktor (Stichwort "Regelenergiemarkt") wird. Unternehmen, die in diesem Wirtschaftssektor tätig sind, werden als Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) bezeichnet. In diesem Kapitel wird dabei vorrangig auf die Aspekte der Energiezuführung eingegangen, die im Zusammenhang mit elektrisch angetriebenen Verkehrssystemen stehen.

Netze

Energieverteilungsnetze werden nach verschiedenen Kriterien klassifiziert:


Spannungsebenen;

  • Höchstspannung mit 220 kV oder 380 kV,
  • Hochspannung mit 60 kV bis 150 kV, 
  • Mittelspannung mit 1 kV bis 35 kV,
  • Niederspannung unter 1 kV

Funktion:

  • Übertragungsnetz zur landesweiten Energieverteilung von den Kraftwerken zu Verbrauchsschwerpunkten sowie zum Anschluss an das internationale Verbundnetz
  • Verteilnetz für die Grobverteilung elektrischer Energie mit einem Leistungsbedarf von 10 bis 100 MW
  • Mittelspannungsnetz zur Verteilung elektrischer Energie an regional verteilten Stationen (größere Einrichtungen, wie zum Beispiel Krankenhäuser oder Fabriken) Stadtwerke, die ebenfalls kleinere Kraftwerke oft auch mit Kraft-Wärme-Kopplung betreiben, speisen ihren Strom in das Mittelspannungsnetz.
  • Niederspannungsnetze sind für die Feinverteilung zuständig

Struktur:

  • Verbundnetz
  • Inselnetz
  • Einspeisenetz für die Aufnahme und Weiterleitung von Strom aus erneuerbaren Energien, das durch den Betreiber der Energieanlagen errichtet und betrieben wird

Öffentliche Beachtung findet aktuell der fehlende Ausbau der Höchstspannungsnetze von Norddeutschland, wo die Nutzung erneuerbarer Energien stark ausgebaut wurde, in die Ballungs- und Industriezentren im Rhein-Main-Gebiet und in Süddeutschland.
Intelligente Stromnetze (Smart-Grids) kombinieren Erzeugung, Speicherung und Verbrauch. Eine zentrale Steuerung stimmt sie optimal aufeinander ab und gleicht somit Leistungsschwankungen – insbesondere durch fluktuierende erneuerbare Energien – im Netz aus. Wird der Anteil solcher „unkoordinierten“ Erzeuger zu hoch, steigt das Risiko von instabilen Netzzuständen. Die Vernetzung erfolgt dabei durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien sowie dezentral organisierter Energiemanagementsysteme zur Koordination der einzelnen Komponenten.
Entwicklungsanstrengungen fließen in den Ausbau der Einspeisenetze zur weiteren Nutzung erneuerbarer Energien.
Ausreichende Versorgungssicherheit bei gewöhnlich schwankender Energieabnahme und zunehmend volatiler Erzeugung aus den erneuerbaren Energien Photovoltaik und Windenergie bieten eine starke Vernetzung der Energieverteilung sowie ergänzend Energiespeicher.

Netzkopplung

Die Verbindung von Stromnetzen mit unterschiedlichen Spannungsebenen erfolgt über Transformatoren, die in Umspannwerken installiert sind. Der Stromfluss durch die Netze und zu Netzen mit gleicher Spannungsebene erfolgt über Schaltanlagen.

Stromnetze mit unterschiedlicher Frequenz oder Phasenzahl oder Stromnetze, die nicht miteinander synchronisiert sind, können über moderne Umrichter (z.B. auch HGÜ-Anlagen) oder in älteren Umformer-Anlagen mittels Motor-/Generator-Kombinationen miteinander gekoppelt werden. In Deutschland werden seit vielen Jahrzehnten derartige Technologien zur Kopplung der 50 Hz-Landesenergieversorgung mit dem 16,7 Hz- Bahnenergieversorgung angewendet.

Unterwerke

Als Unterwerk wird ein Umspannwerk bezeichnet, das Wechselspannung oder Gleichspannung zur Versorgung der Eisenbahnen, Stadt- und Straßenbahnen, der U- und S-Bahnen sowie der Oberleitungsbusse bereitstellt.

Aktuelle Entwicklungen beinhalten die Integration von Energiespeichern, die Rückspeisefähigkeit bei Gleichstrombahnen und die Versorgung von Ladestationen für Batteriefahrzeuge aus dem dreiphasigen Landesnetz.

Ladestationen

Eine Ladestation bezeichnet im Allgemeinen eine elektrische Anlage, welche dazu dient, mobilen akkubetriebenen Geräten, Maschinen oder Fahrzeugen durch einfaches Einstellen oder Einstecken Energie zuzuführen.

Zunehmend werden im städtischen Nahverkehr und Regionalverkehr Ladestationen entsprechend großer Leistung bis über 2 MW zum Wiederaufladen batterieelektrischer Busse und Regionaltriebwagen in Betriebshöfen und an Endhaltestellen bzw. Bahnhöfen installiert.

Speicherung

Angesichts des wachsenden Anteils der fluktuierenden erneuerbaren Energien muss das Energieversorgungssystem flexibler werden, damit die System- und Versorgungssicherheit weiterhin gewährleistet bleibt. Energiespeicher stellen eine von mehreren Optionen dar, um diese Flexibilität zu erhöhen.

Für das Verkehrswesen sind aktuell und künftig vor allem Kurzzeitspeicher in Form von Batterien angewendet. Batterien weisen einen relativ hohen Gesamtwirkungsgrad auf und sind für einen großtechnischen Einsatz noch relativ teuer. Hier werden aber deutliche Kostensenkungen in den nächsten Jahren erwartet. Druckluftspeicher und Pumpspeicherwerke sind wegen besonderer geologischer und geografischer Anforderungen auf Einzelanwendungen beschränkt.

Als Langzeitspeicher bieten Power-to-Gas-Anlagen eine interessante ökologische Alternative, bei denen Wasser mit Hilfe von Elektroenergie aus erneuerbaren Energien in Wasserstoff und gegebenenfalls weiter in Methan umgewandelt wird. Der Vorteil hierbei ist auch, dass der Wasserstoff (in bestimmten Grenzen) und das Methan (ohne Einschränkung) in das bereits vorhandene Erdgasnetz eingespeist und dort gespeichert werden können. Die eingespeisten Gase können stationär rückverstromt oder z.B. für mobile Anwendungen (Brennstoffzellenfahrzeuge, Gasmotorfahrzeuge) genutzt werden. Die Technologie ist derzeit noch teuer und die Wirkungsgrade sind gering. Um die notwendigen Kostensenkungspotenziale zu erreichen, führt die Bundesregierung derzeit die "Forschungsinitiative Energiespeicher" durch. 

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Energieerzeugung

Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet der Begriff Energieerzeugung die Umwandlung der Energie aus verschiedenen Energieträgern in Elektroenergie. Aktuell ist ein Übergang von der konventionellen Erzeugung zur Erzeugung aus erneuerbaren Energien zu beobachten.

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Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet der Begriff Energieerzeugung die Umwandlung der Energie aus verschiedenen Energieträgern in Elektroenergie. Aktuell ist ein Übergang von der konventionellen Erzeugung zur Erzeugung aus erneuerbaren Energien zu beobachten.

Damit im Zusammenhang steht auch der Übergang von einer zentralen Energieversorgung mit Großkraftwerken zu einem Nebeneinander mit zusätzlichen dezentralen Erzeugern, welche häufig regenerative Energien nutzen.

Konventionell
In konventionellen Kraftwerken wird der eingesetzte Energieträger – meist Kohle oder Erdgas – zur Erzeugung von Strom beziehungsweise Wärme genutzt. Die Technologien für Gasturbinenkraftwerke, Kohlekraftwerke, Heizkraftwerke und Kernkraftwerke sind weitgehend ausgereift. Die Nutzung der Kernenergie wird in Europa und weltweit unterschiedlich gewertet – der Ausstieg aus der Kernenergie in Deutschland ist beschlossen. Mit Blick auf den rasanten Ausbau der erneuerbaren Energien spielen fossil befeuerte Kraftwerke eine zentrale Rolle für eine sichere und witterungsunabhängige Versorgung mit elektrischer Energie, solange die Energiespeicherung nicht massiv erweitert wird.

Regenerativ
Die Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Quellen ist eine zentrale Säule der Energiewende. Ihr Ausbau schreitet stetig voran. Wasserkraft ist zurzeit weltweit die wichtigste Quelle für Strom aus erneuerbaren Energien. Die Windenergie ist eine kostengünstige regenerative Energie, die jedoch hinsichtlich der Akzeptanz in der Bevölkerung umstritten ist. Solarenergie, Biomasse und Geothermie sind Energiequellen mit großem Wachstumspotenzial.

Planbar
Die bedarfsgerechte Bereitstellung von Elektroenergie ist eine maßgebliche Prämisse bei der Gestaltung der Energieversorgung. Dementsprechend wurden neben der Grundlastversorgung durch Kohle- und Kernkraftwerke die Spitzenlasten durch Gasturbinenkraftwerke und Wasserkraftwerke gedeckt. Der regenerative Anteil durch die Wasserkraft ist in Deutschland bisher mit etwa 20 % relativ gering. Künftig könnten die Nutzung von Biomasse und Geothermie zu einer bedarfsgerechten Energiebereitstellung beitragen.

Volatil
Die Ausweitung der Nutzung regenerativer Energien für zu einer gesteigerten Volatilität in der Energieerzeugung. Die Witterungsabhängigkeit der Windenergie und der Sonnenenergie erfordert einen verstärkten Ausgleich zwischen Erzeugung und Bedarf z.B. durch leistungsfähige Verteilnetze und die Nutzung von Energiespeichern.

Zentral
Die Energieversorgung ist bisher gekennzeichnet durch zentrale Großkraftwerke. Dementsprechend ist die Energieverteilungsstruktur aufgebaut.

Dezentral
Die Nutzung aller regenerativen Energiequellen erfolgt dezentral. Dementsprechend muss die bestehende Energieverteilungsstruktur an die neuen Bedingungen angepasst werden. Sofern der Netzausbau nicht umsetzbar ist, kann durch den Einsatz von Energiespeichern auf der Erzeugerseite und auf der Verbraucherseite nur bedingt ein Ausgleich geschaffen werden.

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Bedienkonzept

Das Führen von Fahrzeugen bedarf einer Schnittstelle (Man-Machine-Interface „MMI“) zwischen dem Bediener (hier: Fahrer) und dem angetriebenen Fahrzeug. Es ergeben sich hierbei in erster Hinsicht relevante Schnittstellen zu den vorgenannten Unterkapiteln im Abschnitt Vernetzung.

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Das Führen von Fahrzeugen bedarf einer Schnittstelle (Man-Machine-Interface „MMI“) zwischen dem Bediener (hier: Fahrer) und dem angetriebenen Fahrzeug. Es ergeben sich hierbei in erster Hinsicht relevante Schnittstellen zu den vorgenannten Unterkapiteln im Abschnitt Vernetzung.

Die Ausgestaltung dieser Schnittstelle hängt stark vom Einsatzzweck und vom Grad der Automatisierung ab. Je nach dem Grad der Automatisierung wird es möglich, gewisse Aufgaben vom Bediener (Fahrer) auf die Steuerung des Fahrzeuges zu übertragen.

Der Bedienumfang im MMI ist im Individualverkehr naturgemäß geringer als im Öffentlichen Verkehr, weil – neben dem reinen Führen von Fahrzeugen – die Bedienung und Abfertigung der Fahrgäste berücksichtigt werden muss.

Typisch für den spurgebundenen Verkehr ist das Führen von mehreren Fahrzeugen im Zugverband, weswegen die MMI im führenden, mit dem Bediener (Fahrer) besetzte Fahrzeug, übergeordnete Steuer- und Kontrollfunktionen für den gesamten Zugverband besitzen muss.

Die Automatisierung kann graduell abgestuft sein und dabei auf dem Fahrzeug und streckenseitig lokalisiert sein. Die Lokalisierung der für die Automatisierung wesentlichen Systeme bestimmt die Architektur des Automatisierungssystems und damit letztendlich auch die Betriebsweise:

  • Automatisches Fahren (Automatisierung zentral streckenseitig)
  • Autonomes Fahren (Automatisierung dezentral in den Fahrzeugen) 

Das automatische Fahren hat sich im spurgebundenen Verkehr sehr weitgehend durchgesetzt, weil diese Verkehrssysteme (klassischerweise Bahnen) meist unabhängig geführt sind und durch das vorhandene Zugsicherungssystem bereits gewisse Grundvoraussetzungen bereitstehen. Strecken mit Zugsicherung lassen den Betrieb nur auf begrenzten Fahrstraßen mit definierten Raumabständen zu, die gegen Flankenfahrten bei Abzweigen und Kollisionen anderer Fahrzeuge auf der eigenen Fahrstraße geschützt werden. Zudem sind die Fahrzeuge so beeinflussbar, dass davon abweichende Fahr- und Betriebsweisen unterbunden werden. Der gesamte Betrieb ist also einer zentralen Automatisierung bzw. einem Fahrdienstleiter hierarchisch untergeordnet. Die höchste Automatisierungsstufe, die ohne Fahr- und Abfertigungspersonal auskommt, stellt „AGT“ (Automatic Guided Transport) dar.
 
Demgegenüber funktioniert das autonome Fahren nach dem umgekehrten Prinzip, der Multi-Master-Steuerung. Viele Fahrzeuge sind gleich berechtigt und in Bezug auf Fahrweg und –ziel selbstbestimmt. Deren Fahrweise wird durch die integrierte, dezentrale Automatisierung dadurch bestimmt, dass um das Fahrzeug ein „Schutzraum“ eingehalten wird. Dieses Prinzip kann auf eine übergeordnete Steuerung verzichten, benötigt jedoch eine komplexe Sensorik an Bord und für eine hohe Performanz eine sehr leistungsfähige Kommunikation mit den jeweils lokal vorhandenen „Partner“-Fahrzeugen.

Bei automatischem Fahren müssen die Steuerungs- und Kontrollfunktionen sehr weitgehend an ein zentrales Dispositions- und Kontrollzentrum übertragen werden. Bei rein manuellem, oder autonomen Betrieb reicht es aus, wenn dieses Zentrum dispositive Aufgaben zur Unterstützung einer hohen Betriebsqualität übernimmt.

Die Wahl zwischen einem Betrieb mit autonomen Fahrzeugen und AGT-Fahrzügen ist aufgrund der spezifischen grundsätzlichen technischen Vor- und Nachteile bestimmt durch:

  • die Art der transportierten Personen und der Transportgüter
    • Stehende oder sitzende Fahrgäste
    • Fahrgäste mit Kinderwagen, Rollatoren, etc.
    • Güterzüge mit Flüssigkeiten (Aufschaukeln in langen Tankwagen-Zügen?!)
  • die Reaktionsfähigkeit der Fahrzeuge
    • Zulässige bzw. technisch mögliche Beschleunigungen und Verzögerungen
      (zwischen PKW und Güterzügen liegen Größenordnungen!)
    • Betriebsregime (Fahren auf Sicht ó Fahren mit technischer  Sicherung)
    • Art der technischen Sicherung (Fahren auf flexiblen Abstand starre Fahrtfolgeregelungen)
  • die Transportkapazität der Fahrwege
    • Hochausgelastete Strecken <=> geringbelastete Nebenstrecken
    • Hoch leistungsfähige, aber abgegrenzte Trassen
    • Staueffekte zulässig <=> exakt terminierbare Fahrten gefordert
  • die spezifischen vorhandenen und von den Nutzern maßgeblich erwarteten Systemeigenschaften
    • Individuelle Gestaltbarkeit von Fahrt-Mission und Fahrweg
    • Planbarkeit der Fahrt (Fahrplan)
    • Spezifischer Platzbedarf (auch ruhender Verkehr: Parken und Abstellen)
    • Wahrnehmbarkeit und Priorität im Umfeld verschiedener Verkehrsmodale

(unabhängige Trassen)

Beide Automatisierungsphilosophien „AGT“ und „Autonomes Fahren“ haben ihre Daseinsberechtigung und spezifischen Vorteile, aber grundsätzlich unterschiedliche Architekturansätze. Perspektivisch werden Fahrzeuge, die heute auf Sicht fahren, in (ferner) Zukunft sehr wahrscheinlich autonom fahren; Fahrzeuge mit sehr langen Bremswegen und langen, aber variierenden Zuglängen werden automatisch, aber nicht autonom fahren.

In der angefügten Tabelle und den nachfolgenden Unterkapiteln wird bei der Untergliederung die Skalierbarkeit der Automatisierung betont – und zwar in der Bandbreite von Assistenzsystemen bis hin zu Systemen für Autonomen bzw. Automatischem Betrieb:  

autonomes Fahren skaliert mit
den nachfolgenden Modi

             

            

Automatischer Betrieb, skaliert nach GoA –
Grade of Automation (DIN EN 626290)

Fahrer-Betrieb auf Sicht



GoA0: Fahren auf Sicht 

Fahren mit Assistenz-Systemen
(Abstandsregelung, Kollisions-/Signalwarnungen, etc.)



GoA1: Nicht automatischer Fahrbetrieb 
Fahren mit Zugsicherung



GoA2: halbautomatischer Fahrbetrieb 

Automatisches Fahren/Bremsen

Autonomes Fahren



GoA3: fahrerloser Fahrbetrieb 

Automatisches Fahren/Bremsen + Hinderniserkennung

Autonomes Fahren bei ÖV-Fahrzeugen



GoA4: unbegleiteter Fahrbetrieb 

Automatisches Fahren/Bremsen + Hinderniserkennung + Fahrgastabfertigung (Türen)

Fahrer

Den geringsten Grad der Automatisierung stellt der klassische Betrieb mit Fahrer dar. Dem Fahrer obliegt die Ausübung aller erforderlichen Fahr- und Steuertätigkeiten; er trägt die volle Verantwortung für alle in diesem Rahmen sicherheitsrelevanten Steuerfunktionen.  Für eine Betriebsqualität und –stabilität setzt dies beim Fahrer wegen fehlender Assistenz- und Automatisierung entsprechende Kenntnisse und eine hohe Erfahrung voraus.

Der Fahrerbetrieb ist auch die einfachste und üblichste Rückfallebene bei Ausfall aller nachfolgend beschriebenen Automatisierungsgrade.

Assistiert
Assistenzsysteme sind als niedrigste Automatisierungsstufe sowohl vor dem Hintergrund von Autonomen bzw. automatischem Betrieb denkbar. Dieser Grad der Automatisierung erfordert zwingend einen manuellen Betrieb, bei dem Fahrer die volle Verantwortung für alle sicherheitsrelevanten Steuerfunktionen inne hat.

Die Assistenzsysteme ermöglichen ihm eine entspanntere Ausübung der Fahr- und Steuertätigkeit, oder eine Verbesserung der Betriebsqualität und –stabilität.  Typische Applikationen in diesem Kontext sind beispielsweise:

  • Bei Fahrten mit Zugsicherung bzw. zentraler Automatisierung - Tendenz automatischer Betrieb:
    • Vorgabe der Richtgeschwindigkeit, u.a. in Abhängigkeit von Fahrplan und Streckenbelastung
    • Vorgabe der Bremspunkte, oder der Zugkraft-Abschaltpunkte
    • Vorgaben für eine energieoptimale Fahrweise
    • Automatische Koordination der Bremssysteme
  • Bei Fahrten ohne Zugsicherung bzw. zentrale Automatisierung – Tendenz autonomer Betrieb:
    • Signalvorhersagen durch die MMI in Abhängigkeit von Fahrplan und Streckenbelastung
    • Abstandswarnung, u.a. bei Rückwärtsfahrten
    • Kollisionswarnung
    • Vorgaben für eine energieoptimale Fahrweise
    • Vorgaben für eine komfortable Fahrweise (Beschleunigungs- und Ruckbegrenzung, geringe Querbeschleunigung)
    • Assistenz für besondere Fahrsituationen, z.B. Einparkhilfe

Fahrerassistenzsysteme sind als Vorstufe des autonomen Fahrens zu sehen, kommen nach UITP-Definition eher einer GoA0a, oder GoA1a gleich

Automatisiert
Unter dieser Überschrift und zur Abgrenzung vom folgenden Unterkapitel wird hier ein Automatisches Fahren verstanden – also ein selbstständiges, aber durch eine zentrale Steuerung / Regelung geführtes Fahren. Fahrzeuge (Slaves) werden von 1 zentralen Master ausgesteuert.

Im Extremfall korreliert dies mit einem Betrieb mit einem verbindlichen Angebot, das zu festgelegter Zeit auf spurgeführter Strecke über eine zentrale technische Instanz bereitgestellt wird. Dieser Betrieb benötigt im Extremfall keinerlei Personal und ist unter dem Begriff „A G T – Automatic Guided Transport” definiert.

Spezifische Vorteile dieser Betriebsweise ergeben sich in hochverdichteten Ballungsräumen, klassisch in Stadtzentren, wo die zentrale Lenkung und Bereitstellung hochgebündelter Verkehrsströme sinnvoll ist. diese Betriebsweise als klassischer öffentlicher Nahverkehr (ÖPNV) definiert.

Für Fahrzeuge des Bahnverkehrs, die mit einer (skalierbaren) Automatisierung auf Basis der zentralen Instanz einer Zugsicherung verkehren, wurde mit der Norm DIN EN 626290 und durch die UITP  (Weltverband der öffentlichen Verkehrsbetriebe) der GoA – Grade of Automation definiert. Die nachfolgende Tabelle liefert eine Betrachtung der GoA-Stufen mit Fokus auf die mindestens erforderliche Automatisierungs-Ausrüstung für Fahrzeuge und Strecke: 

GoA – Grade of Automation

Strecke

Fahrzeug

GoA0: Fahren auf Sicht 

Keine erforderlich

Keine erforderlich

GoA1: Nicht automatischer Fahrbetrieb 
Fahren mit Zugsicherung

Fahrsperre, Geschwindigkeitsüberwachung

Fahrsperre/ZUB

GoA2: halbautomatischer Fahrbetrieb 

Automatisches Fahren/Bremsen

ATC, Fahrsperre, Geschwindigkeitsüberwachung

ATO, ATP

GoA3: fahrerloser Fahrbetrieb 

Automatisches Fahren/Bremsen + Hinderniserkennung

ATC

Hinderniserkennung (Eindringüberwachung, Bahnsteiggleis-Überwachung)

ATO, ATP

GoA4: unbegleiteter Fahrbetrieb 

Automatisches Fahren/Bremsen + Hinderniserkennung + Fahrgastabfertigung (Türen)

ATC

Hinderniserkennung

(Eindringüberwachung, Bahnsteiggleis-Überwachung)

ATO, ATP,

Erweiterte Tür-Sicherheitsfunktionen

Autonom
Der Begriff kommt aus dem Griechischen: αυτο-νομοσ  = (griechisch) nach eigenem Gesetz, selbstständig, unabhängig. Diese Betriebsweise ist dadurch gekennzeichnet, dass Intelligenz der Automatisierung und die komplette Steuerung/Regelung dezentral im Fahrzeug verortet ist. Autonom geführte Fahrzeuge müssen sich mit anderen Fahrzeugen arrangieren und operieren nach einem Multi-Master-Prinzip.

Im Extremfall korreliert dies mit einem Betrieb, der vollkommen selbstbestimmt, zu beliebiger Zeit auf beliebiger Strecke stattfinden kann – auf Wunsch eines einzelnen Bedarfsträgers, der aber im Extremfall zudem mit Fahr- und Steuerungstätigkeiten nicht mehr betraut sein muss. Um die heutige Performanz von Fahrer-gesteuerten Systemen zu erreichen, ist eine sehr effektive dezentrale Sensorik und Regelung, aber auch eine hocheffektive Multimaster-Kommunikation mit geringsten Latenzen erforderlich. Um einen diskriminierungsfreien und – last but not least – sicheren Betrieb aller autonom verkehrenden Verkehrsteilnehmer sicherzustellen, bedarf es einheitlicher Kommunikationsmodelle und -schnittstellen.

Spezifische Vorteile dieser Betriebsweise ergeben sich für ländliche Räume, am Stadtrand, bei geringen Verkehrsdichten oder stark divergierenden Zielen der Bedarfsträger von volatilen Fahrtmissionen (quasi„ individuelle Fahrgäste“); diese Betriebsweise ist im Extremfall als klassischer Individualverkehr definiert, aber fahrerlos.