Stadler und das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt entwickeln ein modular skalierbares Batteriesystem für Akku-Triebzüge. Leistung und Kapazität des Batteriesystems lassen sich somit optimal an streckentypische Einsatzszenarien anpassen. Dies hilft Gewicht und Bauraum zu optimieren. Durch Sektorenkopplung und die Einbindung erneuerbarer Energien soll ein nachhaltiger Bahnbetrieb unterstützt werden.
Stadler entwickelt gemeinsam mit dem DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte und dem DLR-Institut für Vernetze Energiesysteme ein Batteriesystem für Personentriebzüge. In dem Kooperationsprojekt MOSENAS «Modularer skalierbarer Energiespeicher für einen nachhaltigen Schienenpersonennahverkehr» entsteht ein Demonstrator des skalierbaren Konzepts. Das Besondere daran ist die Untersuchung verschiedener Batterietypen mit unterschiedlicher Leistungscharakteristik. Je nach Aufbau und Verschaltung lassen sich Leistung und Kapazität des Systems individuell an streckenspezifische Einsatzbedürfnisse anpassen. Dies spart Gewicht und verringert damit den Energieverbrauch der Züge.
Mit dem neuartigen Batteriesystem ausgestattete Züge eigen sich insbesondere für Strecken, auf denen ein batterieelektrischer Betrieb bisher unwirtschaftlich oder aus technischen Gründen nicht möglich war. Die Batteriesysteme lassen sich gezielt auf Fahrzeugumläufe, Betriebszeiten und vorhandene Ladeinfrastruktur abstimmen. Dadurch lässt sich auch die zu erwartende Lebensdauer der Batteriesysteme optimieren.
Strom statt Diesel – auch ohne Oberleitung
Elektrische Lokomotiven und Triebzüge verursachen weniger Emissionen als solche mit Dieselmotor. Jedoch lassen sich aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht alle Bahnstrecken mit Oberleitung ausstatten. Als klimafreundliche Alternative zu Dieselantrieben eignen sich auf nicht- oder teilelektrifizierten Strecken batterieelektrische Fahrzeuge.
Im MOSENAS-Projekt untersuchen die Forscherinnen und Forscher, welche Batterietypen, -kapazitäten und Konfigurationen sich am besten für einen zuverlässigen und wirtschaftlichen Betriebsablauf eines Personentriebzugs eignen. Zum Bau eines Demonstrators führt das Projektteam ein umfassendes Technologiemonitoring sowie Computersimulationen zur Batterielebensdauer und Komponententests durch.
Modularer und technologieoffener Aufbau lässt sich individuell anpassen
Durch den modularen und technologieoffenen Aufbau lässt sich das Batteriesystem strecken- und einsatzspezifisch auslegen. Damit lassen sich alle Einflussfaktoren aufeinander abstimmen. Zudem ermöglicht das modulare Konzept auch künftige Batterietechnologien oder Brennstoffzellen zu integrieren. Besonders herausfordernd ist, die dynamischen Anforderungen an das Batteriesystem zu berücksichtigen. Beispielsweise ist zum Beschleunigen kurzfristig eine hohe Leistung nötig. Beim Bremsen hingegen lässt sich durch Rekuperation Energie zum Laden der Akkus während der Fahrt zurückgewinnen. Die Alterung der Batterien ist ein weiterer Faktor.
Das DLR untersucht optimale Systemkonfigurationen um dieses Zusammenspiel aus Energie- und Leistungsbedarf und -aufkommen zu optimieren und somit die Batterielebensdauer zu verlängern.
Sicherheit wird im Bahnbetrieb grossgeschrieben. Das MOSENAS-Projektteam entwickelt daher Konzepte für wichtige Warnindikatoren. Dazu gehört kritische Batteriezuständen zu erkennen und zu überwachen sowie effiziente Brandschutzstrategien zu schaffen bis zur richtigen Lagerung der Batteriemodule.
Schienenverkehr und Ladeinfrastruktur vernetzen
Die Züge sollen sich an Ladepunkten in Bahnhöfen, Depots oder auf Oberleitungsstrecken rasch aufladen lassen. Für einen wirtschaftlichen Betrieb sind dabei kurzfristig hohe Leistungen zum Aufladen der Batterien nötig. Die DLR-Forscherinnen und Forscherinnen analysieren hierzu alle Möglichkeiten zur Sektorenkopplung vor Ort. Die Ladevorgänge sollen das öffentliche Stromnetz möglichst wenig belasten. Hierbei können sogenannte Second-Use-Batterien in stationären Speicheranlagen Lastspitzen der Ladepunkte ausgleichen und abpuffern. Dabei handelt es sich um Batterien, die aufgrund von Alterungsprozessen nicht mehr ihre volle Kapazität besitzen. Diese eignen sich zwar nicht mehr für den Einsatz in Fahrzeugen, jedoch beispielsweise als Zwischenspeicher in der Ladeinfrastruktur. Mit Hilfe der Sektorenkopplung lassen sich auch Anlagen zur Gewinnung erneuerbarer Energie einbinden und können damit zu einem nachhaltigen Schienenverkehr beitragen.
Nichtelektrifizierte Bahnstrecken mit Oberleitung nachrüsten
Das MOSENAS-Projekt analysiert zudem, welche Strecken und Bahnhöfe ohne Oberleitung sich wirtschaftlich abschnittsweise elektrifizieren lassen.
Daraus erarbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler angepasste Systemlösungen für eine optimale Kombination von Bahnfahrzeugen und Infrastruktur. Dazu erstellen sie begleitend eine Ökobilanz der Energie- und Ressourceneffizienz des Konzepts.
Das Bundesministerium für Digitales und Verkehr unterstützt das Kooperationsprojekt MOSENAS gemäss der Förderrichtlinie Elektromobilität mit 5,3 Millionen Euro.
