Klimaneutrale Mobilität: Alternative Antriebskonzepte für die Schiene

Key Findings

Das Batteriesystem eines Schienentriebzuges muss höchsten Anforderungen genügen. Zum einen ist beim Anfahren und Beschleunigen eine hohe Leistung bereitzustellen. Zugleich muss die verfügbare Energie hinreichen, um Reichweite sicherzustellen. Hinzu kommen bahntypische Zusatzanforderungen, die es erforderlich machen, über ganz neue Batteriekonzepte nachzudenken.

• Auf nicht-elektrifizierten Schienenstrecken ohne Oberleitung stellt die Versorgung des Elektromotors mit Energie aus einer Batterie eine gute emissionsfreie Alternative zum Dieselmotor dar.
• Der Anspruch an die Zuverlässigkeit und Qualität von Schienentriebzügen ist sehr hoch, da diese fast rund um die Uhr – meist eng getaktet – bis zu 30 Jahre lang im Einsatz sind. Entsprechend hart sind die Anforderungen an Traktionsbatterien im Hinblick auf Lade- und Entladeströme, Sicherheit, Tieftemperatur-Performance, Betriebszeit und Zyklenfestigkeit.
• Der VDE untersucht, welche der heute verfügbaren Batterie-Technologien und -Zellen sich für den Einsatz in Schienentriebzügen eignen, und zeigt die wichtigsten Entwicklungstrends auf – bis 2030 und darüber hinaus.
• Die bahntypisch hohen Anforderungen lassen sich sehr gut mit Lithium-Ionen-Zellen erfüllen, deren Anoden aus Lithium-Titanat (LTO) bestehen. Zellen dieses Typs weisen jedoch relativ geringe Energiedichten auf. Zudem sind sie im Vergleich zu den von Automobilherstellern vorgezogenen Technologien teuer.
• Alternativ zur LTO-basierten Lösung macht die Studie auf ein Batteriekonzept aufmerksam, das die Anforderungen auf der Batteriesystemebene und nicht allein auf der Zellebene erfüllt.

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Key Findings

Das deutsche Eisenbahnnetz umfasst etwa 40.000 Kilometer, von denen aber lediglich 23.000 Kilometer durch Oberleitungen elektrifiziert sind. Auf den restlichen 17.000 Kilometern sind etwa 2.900 Dieseltriebzüge teilweise mit einer Jahrzehnte alten Abgas-Technik unterwegs. Eine komplette Elektrifizierung dieser Nebenstrecken würde aber mindestens 11,5 Milliarden Euro kosten. Hinzu kommt, dass wegen langwieriger Planfeststellungsverfahren und unzureichender Kapazitäten der Infrastruktur-Bauunternehmen das Ziel 2050 kaum zu erreichen ist.

• Die Hybridisierung von Dieselfahrzeugen wäre angesichts der beschlossenen Dekarbonisierung des Verkehrs bis 2050 eine nur unzureichende und vor allem teure Übergangslösung.
• Deshalb fokussiert sich die Studie auf rein elektromotorische Antriebskonzepte als sinnvollste Alternativen zum Dieselmotor.
• Für die on-board-Bereitstellung der benötigten Energie unterscheidet die Studie zwei Konzepte: Eine große Lithium-Ionen-Batterie, die mittels Pantografen über die Oberleitung aufgeladen werden kann. Und eine Brennstoffzelle, welche die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Strom umwandelt.
• Grundsätzlich zeigt sich die Batterie als gute Lösung für schwach befahrene Strecken mit Oberleitungslücken, die nicht größer als 40 bis 80 Kilometer sind. Die Brennstoffzelle hat die Nase vorn, wenn es gar keine Oberleitung gibt oder die Lücken über 80 Kilometer hinausgehen.
• Eine qualitative Bewertung der Alternativen mit Hilfe einer neutralen Nutzwertanalyse zeigt, dass Batterie- und Brennstoffzellenzug – systemisch gesehen – gleichwertige Konzepte sind. Die zentrale Erkenntnis ist: Welche Alternative sich als die geeignetere erweist, hängt vom betrachteten Streckennetz und den gegebenen Rahmenbedingungen ab.

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Key Findings

In seiner dritten Studie zum klimaneutralen Schienenverkehr richtet der VDE seinen besonderen Fokus auf die Bewertung der Wirtschaftlichkeit alternativer Antriebe. Dazu wird das Praxis-Beispiel „Netz Düren“ eingehend analysiert.

• Als Basis der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung dienen auf das Jahr 2026 bezogene Daten wie Fahrplan, Flottengröße, Betriebsleistung und Geschwindigkeit, sowie Haltezeiten an den Stationen. Hinzu kommen die Kosten für Beschaffung und Wartung der Fahrzeuge, Austausch der Technologiekomponenten, wie auch die Kosten für Installation und Betrieb der zusätzlich benötigten Infrastrukturanteile wie Oberleitungen, Elektrifizierungsinseln oder Tankstellen.
• Der Energiebedarf der Triebzüge auf den Strecken des „Netzes Düren“ wird auf der Grundlage von Simulationen berechnet, die neben Geschwindigkeitsverläufen, Geländeprofilen und Leistungswerten von Nebenaggregaten auch Leerlaufbedarfe berücksichtigen.
• Als Betrachtungszeitraum wählt der VDE die im Bahnverkehr typische Laufleistung von 30 Jahren und bedient sich der Kapitalwertmethode als dynamisches Investitionsrechnungsverfahren, um die Wirtschaftlichkeit der Alternativen zu vergleichen.
• Wichtigstes Ergebnis ist, dass sich im Falle des „Netzes Düren“ der Batterietriebzug als wesentlich wirtschaftlicher erweist als der Brennstoffzellentriebzug. Die wichtigsten Gründe hierfür sind die Energiekosten und die Kosten für den Tausch der Traktionsbatterie bzw. der Brennstoffzelle.
• Abschließend zeigt der VDE auf, inwieweit sich die Erkenntnisse vom „Netz Düren“ auf andere Dieselnetze übertragen lassen und unter welchen Voraussetzungen sich der Brennstoffzellentriebzug oder der Batterietriebzug als langfristig wirtschaftlicheres Investitionsprojekt von beiden darstellen kann.

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Der VDE gibt keine generelle Empfehlung für eine Antriebsalternative ab. In den verschiedenen Studien zum Thema zeigen die Experten des VDE auf, dass es immer einer Einzelfallprüfung bedarf und neben reinen wirtschaftlichen Kriterien auch weitere Aspekte in die Entscheidungsfindung einfließen werden. Aus seiner Position als unabhängige Technologieorganisation ist der VDE der Neutralität verpflichtet – deshalb bewertet er nach wissenschaftlichen Kriterien einzelne Fragestellungen z. B. in Bezug auf technologische Herausforderungen (Studie 2018), systemische Potenziale (Studie 2019) oder wirtschaftliche Aspekte (Studie 2020). Darüber hinaus lassen sich einzelne Fallstudien (z. B. Kreis Düren) nicht ohne Weiteres auf andere Regionen übertragen. Auch besteht die Möglichkeit, dass sich durch technologischen Fortschritt oder geänderte regulatorische Rahmenbedingungen künftig die Vorteile zwischen den Antriebsalternativen verschieben.

Anders als beim systemischen Vergleich der Alternativen zu Dieseltriebzügen, setzt eine betriebswirtschaftliche Untersuchung das Vorhandensein eines konkreten Beispiels voraus. Der Nahverkehr Rheinland (NVR) und Rurtalbahn mit dem „Netz Düren“ haben dem VDE die umfangreichen notwendigen Daten zum „Netz Düren“ für die Analyse zur Verfügung gestellt und darüber hinaus sogar Probefahrten zu Messzwecken ermöglicht.

Die vom VDE durchgeführte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung muss für jeden Einzelfall gesondert geprüft werden, da eine Vielzahl von Faktoren das Ergebnis beeinflussen (siehe Studie 2020). 

Allgemein lässt sich sagen: Unter bestimmten Voraussetzungen, die vor allem netzspezifisch sind, kann der Abstand zwischen Batterieantrieb und Brennstoffzelle auch sehr viel geringer ausfallen. Der grundsätzliche Vorsprung des Batteriebetriebs hat vor allem physikalische Gründe (Wirkungsgrade) und damit zu tun, dass Brennstoffzellen heute Nachteile bei Kosten und Lebensdauer haben. Bei geänderten technischen oder regulatorischen Rahmenbedingungen können sich die Vorteile auch wieder zugunsten der Brennstoffzelle verlagern.

Diese Entscheidung muss in jedem Einzelfall geprüft und bewertet werden. Vor allem, weil für die meisten Projekte nicht allein ökonomische Kriterien ausschlaggebend sind. Denn neben der Wirtschaftlichkeit müssen auch ökologische Ziele, die Akzeptanz in der Bevölkerung, der Servicegedanke im ÖPNV und regionale Aspekte der Wirtschafts- und Forschungsförderung berücksichtigt werden. Die Experten des VDE stehen Kommunen und Aufgabenträgern als neutrale Berater bei diesem Bewertungsprozess gerne zur Verfügung.

Die Wirtschaftlichkeit wurde anhand der Kapitalwertmethode berechnet. Sie wird immer dann angewendet, wenn sehr unterschiedliche Technologien zur Wahl stehen, die Investition einen sehr langen Zeitraum abdecken muss und Detailinformationen, die über die Technologie hinausgehen, für die Betrachtung nicht relevant sind. 

Der VDE ist in einem vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) geförderten Entwicklungsprojekt als neutraler Partner involviert und beteiligt sich mit Analysen und neutralen Bewertungen, die in Form von Studien veröffentlicht werden. Dabei agiert der VDE im Förderprojekt als Unterauftragnehmer von Siemens Mobility – ist jedoch in seinen Bewertungen und Analysen unabhängig und kann ohne vorherige Einflussnahme durch Siemens Mobility seine Ergebnisse publizieren.