Besondere Anforderungen an Traktionsbatterien für Triebzüge
Busse, Straßenbahnen oder Züge sind rund um die Uhr – und meist eng getaktet – im Einsatz und bei jedem Wetter unterwegs: Sie sind Wind und Regen, Hitze und Kälte ausgesetzt. Obwohl ihre Verkehrsleistung in Personenkilometern um einiges über der von Bussen oder PKW liegt, sind sie meist um die 30 Jahre im Einsatz. Entsprechend hoch sind deshalb die Anforderungen an Traktionsbatterien für Triebzüge – vor allem was Lade- und Entladeströme, Sicherheit, Tieftemperatur-Performance, Betriebszeit und Zyklenfestigkeit angeht.
Die steigenden Anforderungen an emissionsarme Fahrzeuge legen nahe, dass in Zukunft verstärkt auf Dieselhybride oder Fahrzeuge mit alternativen, auf Brennstoffzellen oder Batterien basierenden Antrieben gesetzt wird. Welche Antriebskonzepte oder hybride Kombinationen tatsächlich nachgefragt und sich durchsetzen werden, hängt auch von der Struktur des Eisenbahnnetzes ab.
Züge der Zukunft: Batterien, Brennstoffzellen oder Hybride?
In weitläufigen, nicht-elektrifizierten Netzen werden die Reichweite und gegebenenfalls die Möglichkeit des schnellen Nachladens wichtige Entscheidungskriterien sein. Wenn es nur um die Überbrückung von Strecken ohne Oberleitungen zwischen elektrifizierten Regionen geht, eignen sich Triebzüge als Hybride. Sie sind sowohl mit Stromabnehmern für Oberleitungen (Pantographen) als auch mit alternativem Antrieb ausgestattet. In diesem Fall kann ein Antrieb mit Batterien sinnvoll sein, die auf Strecken mit Oberleitungen nachgeladen werden. Je nachdem, welche Distanzen zu überbrücken sind, könnte auf Ladestationen entlang der Strecken sogar verzichtet werden. Sind längere Distanzen zu überbrücken, empfehlen sich Brennstoffzellen. Mit ihnen lassen sich größere Reichweiten erzielen und das Tanken der benötigten Wasserstoffmenge ist in wenigen Minuten möglich.
Ähnliche Überlegungen gelten auch für die sogenannte Last Mile, also die noch zu überwindende nicht-elektrifizierte Strecke bis zum Zielbahnhof, an dem eine Batterie-Ladestation/Oberleitung oder eine H2-Tankstelle vorgesehen ist.
Auf die richtige Batterietechnologie kommt es an
Wegen der hohen Betriebsanforderungen im Schienenverkehr reduziert sich die Zahl der auf dem Markt verfügbaren geeigneten Zellkandidaten erheblich. Eine sichere, aber teure Lösung sind Lithium-Ionen-Zellen mit LTO-Anoden. Sie werden derzeit von wenigen Zellherstellern als Spezialtechnologie angeboten. Ein gravierender Nachteil dieser Technologie ist die relativ geringe Energiedichte. Für Triebzug-Hersteller – abhängig von der spezifizierten Reichweite – kann dies zu erheblichen Gewichtsproblemen beim Fahrzeug führen.
Pragmatische Alternativen zu LTO-Batteriezellen
Ein weiterer Ansatzpunkt der Studie war die Frage, ob und inwieweit sich die ein oder andere Anforderung relativieren oder durch alternative Ansätze auf Systemebene kompensieren lässt. Die Idee dahinter: Nicht immer müssen alle Anforderungen auf Zellebene erfüllt werden. So haben sich beispielsweise die Hersteller von Elektroautos im Rahmen der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE) für dieses pragmatische Vorgehen entschieden. Sie setzen zudem auf eine branchenübergreifend abgestimmte Generationen-Roadmap. Diese gibt Auskunft über die Entwicklung der Energiedichten und Kosten bis 2030. Die vorliegende Studie schließt mit Handlungsoptionen und Empfehlungen für mögliche alternative Batteriekonzepte.
Im Rahmen der Studie, die vom Bundesverkehrsministerium in Auftrag gegeben wurde, analysierten die Partner auch Ergebnisse aus dem Entwicklungsprojekt X-EMU. Es beschäftigt sich mit der Entwicklung und Validierung eines Hochleistungs-Brennstoffzellen-Antriebes für Hybrid-EMU-Triebzüge in einem Traktionsbaukastensystem. Die VDE-Studie „Batteriesysteme für Schienentriebzüge“ bildet den Auftakt für weitere, geplante Veröffentlichungen: Aus verschiedenen Blickwinkeln sollen darin Rahmenbedingungen und Erfolgsfaktoren für Triebzüge mit alternativen Antrieben analysiert werden.
