Energieversorgung für Akku-Triebzüge

Autor: Kai Wittig, Consultant für alternative Antriebe (DB Energie GmbH), erschienen in: Eisenbahntechnische Rundschau (ETR), Seite 56-59, Ausgabe Januar+Februar 2021, www.eurailpress.de/etr

Energieversorgung für abgestellte Elektrotriebzüge mit Akkumulator (ETA) – Rückkehr der Zugvorheizanlagen oder Neuauftritt der Elektranten?

Elektrotriebzüge entnehmen die benötigte Energie für die Abstellung und für ihren Abschluss- und Vorbereitungsdienst aus einer Oberleitung, das ist eigentlich selbstverständlich. Bei einer Umstellung von Verbrennungstriebzügen auf ETA muss davon ausgegangen werden, dass für Abstellungen in nicht elektrifizierten Betriebsstellen andere Lösungen erforderlich sein werden.

Nutzung von Elektranten

Am naheliegendsten für eine Versorgung von ETA in der Abstellung ist die Nutzung von Elektranten. Sie stellen, neben der Oberleitung, die am häufigsten angebotene Schnittstelle zur Energieversorgung von Triebzügen in der Abstellung dar. An ihre elektrische Leistungsfähigkeit werden von Verbrennungstriebzügen bisher keine besonders hohen Anforderungen gestellt. Verbraucher, welche im Triebzug durchgehend versorgt werden müssen, sind die Batterie zur Erhaltungsladung und einige Kleinverbraucher. Sie sind für den Betrieb mit der Normspannung¹⁾ der allgemeinen Energieversorgung konstruiert und werden aus den Elektranten mit genau diesem System, also 230/400 V 50 Hz, versorgt. Dementsprechend sind die meisten der ca. 4500 aktuell aufgebauten Elektranten bei der DB Netz AG mit Anschlüssen folgender Ausprägung ausgerüstet:

• Schutzkontaktsteckdosen 230 V/16 A und sogenannte
• CEE-Steckverbinder²⁾ 400 V/16 A, teilweise auch
• CEE-Steckverbinder 400 V/32 A.

Elektrotriebzüge mit Akkumulator können zur Konditionierung weder auf Energie aus Kraftstoffen zurückgreifen, noch kann davon ausgegangen werden, dass ausreichend mit Oberleitung ausgerüstete Abstellmöglichkeiten vorhanden sind. Das wird vor allem dann zutreffen, wenn die von ihnen zu erbringende Verkehrsleistung zuvor mit Dieselfahrzeugen erbracht wurde. Zudem wird regelmäßig gewünscht, auch die Traktionsbatterie während der Abstellung aufzuladen. Hier entsteht ein neu definierter elektrischer Energiebedarf, welcher von der Bestandsinfrastruktur an vielen Orten nicht ohne Baumaßnahmen oder mindestens einem Retrofit bereitgestellt werden kann. Um den Bedarf insgesamt elektrisch bedienen zu können, werden Elektranten mit höherer Leistungsabgabe benötigt:

• CEE-Steckverbinder 400 V/63 A für Konditionierung oder langsames Nachladen, oder
• CEE-Steckverbinder 400 V/125 A für Konditionierung und/oder langsames Nachladen.

An 25 Standorten innerhalb der Infrastruktur der DB Netz AG existieren bereits Anlagen mit 63 A Steckverbindungen, allerdings sind diese nicht im Zusammenhang mit ETA entstanden. Entsprechende CEE-Steckverbinder für die Ausrüstung mit 125 A sind in der zugehörigen Norm enthalten und marktgängig. Eine aufgebaute Anlage mit Elektranten für Schienenfahrzeuge ist, zumindest im Bereich der DB Netz AG, jedoch nicht bekannt.

Herausforderungen bei einer Ladung der Traktionsbatterie über einen Elektranten werden auch auf der Fahrzeugseite entstehen. In der Norm³⁾, welche die elektrischen Eigenschaften der Drehstrom- Bordnetze für die Hilfsbetriebe beschreibt, ist gefordert, dass die Bordnetz-Umrichter heruntergefahren werden, wenn eine Versorgung des Drehstrom-Bordnetzes von einer externen Quelle hergestellt wird. Die technische Möglichkeit der Batterieladung über eben diese Umrichter ist also nicht selbstverständlich und somit konkret anzufordern. 

Perspektive für die Elektranten der Zukunft

Perspektivisch entstehen aufgrund der abgeschlossenen Normung der „dreiphasige(n) Fremdeinspeisung für Schienenfahrzeuge und zugehörige Steckverbindungen“ (EN50546:2020) neue Möglichkeiten, um an Elektranten höhere Leistungen übertragen zu können. Dieser Bedarf entsteht dann, wenn Versorgungslösungen für eine schnellere Ladung ohne Nutzung der Oberleitung benötigt werden. Auch im Fall einer Betriebsstörung oder einer Baumaßnahme, welche die Nutzung einer regulären Lademöglichkeit verhindert, ergibt sich dadurch eine neue Perspektive. Diese Situation könnte dann nämlich mit einem gängigen fahrbaren (Dreh-)Stromerzeuger aufgelöst werden.

In dem inzwischen angenommenen Endentwurf der oben genannten Norm werden zwei Ausprägungen von Steckverbindungen beschrieben. Die eine Ausprägung der Steckverbindung für einen Strom bis zu 125 A ermöglicht rechnerisch die Übertragung einer elektrischen Leistung bis zu 86 kW, wobei hier eine einfachste Signalisierung von der Infrastruktur in Richtung Fahrzeug eine Strombegrenzung auf 63 A anzeigen kann. Die andere Ausprägung ermöglicht bei 400 V/600 A die Übertragung einer elektrischen Leistung bis zu 400 kW und „ist der im Vereinigten Königreich übliche dreiphasige Fremdnetz-Steckverbinder, der eine lange Einsatzgeschichte aufweist.“⁴⁾ Hiermit lassen sich Lösungen für Speisekonzepte finden, für die aufgrund der Leistungsanforderung bisher nur elektrische Zugvorheizanlagen in Frage gekommen sind.

Der Ursprung dieser Norm geht aus einem Normungsauftrag der Europäischen Kommission M483 hervor. Diese Steckverbindungen werden also die bisher in der technischen Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems „Fahrzeuge – Lokomotiven und Personenwagen“ des Eisenbahnsystems in der Europäischen Union genannten CEE-Steckverbinder als Schnittstelle für die Fremdeinspeisung ersetzen. Der Schlussentwurf der Norm wurde im August 2020 ratifiziert, und schon im Dezember 2020 als nationale Norm DIN EN 50546 (VDE 0115-546) eingeführt.⁵⁾ Es bleibt zu beobachten, wie sich das Angebot der Industrie für die entsprechenden Steckverbindungen entwickeln wird.

Nutzung von elektrischen Zugvorheizanlagen

Als Serviceeinrichtung zur elektrischen Energieversorgung von abgestellten Fahrzeugen sind, neben den erwähnten Elektranten, bisher nur elektrische Zugvorheizanlagen (EZVA) üblich. Hierbei handelt es sich um die Fremdeinspeisung mit einer einpoligen Steckvorrichtung in die sogenannte RIC-Zugsammelschiene⁶⁾, die hierzulande mit einer Spannung von 1000 V und nach Quelle unterschiedlicher Frequenz zwischen 16 und 52 Hz betrieben wird. Sie wird originär als elektrische Durchverbindung und Einspeisung von der speisenden Lokomotive bis zum letzten Reisezugwagen genutzt. Die Rückstromführung erfolgt hierbei über das Gleis.

Die zusätzlichen Anforderungen an einen mit Stromabnehmer ausgerüsteten ETA wären, aufgrund des dann ohnehin vorhandenen Transformators und der Rückstromführung, vergleichsweise als gering und während der Konstruktionsphase leicht umsetzbar anzusehen. Damit erscheint eine Nutzung dieser Anlagen naheliegend. Vorhandene Anlagen könnten dann genutzt werden, wenn ein Fahrzeug mit entsprechender Anschlussmöglichkeit in der Reichweite eines Heizstocks abgestellt werden kann und die Leistungsaufnahme des Fahrzeuges geringer ist als die in den UIC Kodizes 550 und 552 gesetzten Grenzen. Da die entsprechenden Anlagen jedoch für die Abstellung von Reisezugwagen konstruiert sind, findet sich grundsätzlich je Gleis ein Heizstock an der Stelle, an der das erste bzw. letzte Fahrzeug des Zuges zum Stehen kommt. Für die Nutzung mit mehreren Triebzügen wäre also zum Beispiel innerhalb der Fahrzeuge die Möglichkeit der elektrischen Durchverbindung zu schaffen – zusammen mit einer Intelligenz, welche die Einhaltung der Gesamtleistungsaufnahme am Heizstock zwischen den angeschlossenen Fahrzeugen koordiniert. Eine weitere Möglichkeit könnte sein, die Zugvorheizanlage mit zusätzlichen Heizstöcken auszurüsten – was konstruktionsbedingt in der Regel einen Neubau erforderlich machen wird.

Zugvorheizanlagen stellen aufgrund ihres Systems ohnehin einen besonderen, hochpreisigen und selten vorkommen- den Fall einer elektrischen Anlage dar. Als Lösung für Fremdeinspeisung in ETA wird diese Lösung technisch und wirtschaftlich einer Einspeisung aus Elektranten unterliegen.

Ergebnis und Ausblick

Bei den bisherigen Überlegungen für einen Infrastrukturausbau hat sich gezeigt, dass eine Versorgung mit einem dreiphasigen 400 V-System aus Elektranten kostenmäßig stark im Vorteil liegen wird. Gründe hierfür sind die im Vergleich zur EZVA einfachere Integrierbarkeit in die Infrastruktur des örtlichen Verteilnetzbetreibers, und die weitgehende Verwendung von gängigen Industriekomponenten. Auch für die Einspeisung in Werkstätten oder mit mobilen Stromerzeugern (als Reaktionsmöglichkeit bei Betriebsstörungen) ermöglicht ein dreiphasiges 400 V-System eine Bedienung am vorhandenen und etablierten Markt für elektrotechnische Geräte und Ausrüstung.

Die Fremdeinspeisung in ein Drehstrom-Bordnetz und damit auch der daran direkt angeschlossenen Verbraucher ist nicht nur dem Regelwerk nach bereits heute möglich, sie ist durch den Wegfall von Umwandlungsverlusten effizienter als über eine EZVA. Sie kann auch leicht für andere Fahrzeugkonzepte genutzt werden, bei denen kein einphasiger Bahnstromtransformator für die Energieaufnahme aus der Oberleitung und EZVA erforderlich ist. Dieses könnten zum Beispiel Elektrotriebzüge mit Brennstoffzelle oder Hybrid-Rangierlokomotiven sein. Jedoch ist die Leistung für eine Ladung der Traktionsbatterien auf diesem Weg durch das Bordnetz-Umrichtersystem begrenzt, und daher nicht oder nur zum Teil in der gewünschten Leistung möglich.

Der Aufwand für die erforderlichen Anpassungen am Fahrzeug und/oder den erforderlichen Ausbau der Infrastruktur für die Fremdeinspeisung summiert sich regelmäßig beim Besteller des Gesamt- konzepts. Es lässt sich daher empfehlen, die wirtschaftliche Gesamtbetrachtung der Fahrzeugkonzepte in Verbindung mit den erforderlichen Infrastrukturmaßnahmen schon bei der Ausschreibung mit einfließen zu lassen.

Die Nachfrage der Bedarfsträger der zu beschaffenden Fahrzeuge wird also entscheiden, ob die elektrische Energie technisch und normativ mit bis zu 400 kW den Weg von einer dreiphasigen Bordnetz-Fremdeinspeisung über das Bordnetz-Umrichtersystem auch in den Akkumulator für die Traktionsenergie finden kann.

Summary

Energy supply for parked battery electric multiple units (BEMU) – return of train preheating units or new appearance of a power distributor?

For recharging battery driven electric multiple units, a powerful external supply for the board network is necessary when parking the unit at non-electrified operating points. A shore supply with a three-phase 400 V system from a power distributor will have a strong cost advantage over an RIC shore supply installation. It can also easily be used for other vehicle concepts, for example electric multiple units with fuel-cells or hybrid shunting locomotives.

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¹⁾ „CENELEC-Normspannungen (IEC 60038:2009, modifiziert); Deutsche Fassung EN 60038:2011“, DIN EN 60038 (VDE 0175-1):2012-04

²⁾ Umgangssprachliche Bezeichnung für Stecker, Steckdosen und Kupplungen für industrielle Anwendungen, welche der EN/IEC 60309-2:1999 entsprechen.

³⁾ „Bahnanwendungen – Eigenschaften der dreiphasigen (Drehstrom-) Bordnetz-Spannung; Deutsche Fassung EN 50533:2011“, DIN EN 50533 (VDE 0115- 533):2012-04

⁴⁾  Zitat E DIN EN 50546 (VDE 0115-546):2019-10 Seite 7

⁵⁾ „Bahnanwendungen – Fahrzeuge – Dreiphasiges Fremdeinspeisungssystem für Schienenfahrzeuge und zugehörige Steckverbinder“, Veröffentlichung des CLC/SX 9XB auf der Seite des Projekts 68088, https:// www.cenelec.eu/dyn/www/f?p=104:110:1537258 384480501::::FSP_ORG_ID,FSP_LANG_ID,FSP_PRO- JECT:1258775,22,68088 abgerufen am 11.09.2020 um 11:30

 ⁶⁾ „RIC“ Abkürzung für „Regolamento Internazionale delle Carrozze“, dt. „Vereinbarung über den Austausch und die Benutzung der Reisezugwagen im internationalen Verkehr“