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Einsatzpotenzial hybrider Antriebe im deutschen Schienenpersonennahverkehr (Studie für NOW aktueller Stand) Johannes Pagenkopf, Mathias Böhm, Toni Schirmer DLR - Institut für Fahrzeugkonzepte 6. NOW-Konferenz Elektromobilität vor Ort Stuttgart, 26.03.2019 DLR.de Folie 1

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Einsatzpotenzial hybrider Antriebe im deutschen

Schienenpersonennahverkehr (Studie für NOW – aktueller Stand)

Johannes Pagenkopf, Mathias Böhm, Toni Schirmer

DLR - Institut für Fahrzeugkonzepte

6. NOW-Konferenz Elektromobilität vor Ort

Stuttgart, 26.03.2019

DLR.de • Folie 1

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DLR.de • Folie 2

Marktanalyse alternative Antriebe im SPNV in Deutschland

DLR-Studie für die NOW

• Hintergrund:

• Ermittlung Einsatzpotentiale hybrider Antriebe im

SPNV

• Bearbeitungszeitraum:

• Januar – Q3 2019

• Fokus:

• Marktübersicht Hybridfahrzeuge

• Analyse Diesel-SPNV-Linien

• Einfluss Elektrifizierung auf Eignung hybrider

Antriebe

• Abschätzung Marktpotential Hybridfahrzeuge

• Berücksichtigung parallel laufender Studien:

• Voll-&Teilelektrifizierung (PTV, TUD, TUB)

• Begleitforschung X-EMU (VDE)

• FCHJU–Fuel Cell Trains study (Roland Berger)

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DLR.de • Folie 3

AP 0: D-Traktion und

Elektrifizierung im SPNV

• 54% (60%)* des deutschen Schienennetzes sind elektrifiziert

europäisches Mittelfeld

• 680,5 Mio. SPNV-Zug-km (E+D-Traktion) im Jahr 2017

• davon in D-Traktion: 36% (ca. 240 Mio. Zug-km)**

• D-Betrieb heute in Teilabschnitten unter OL

• Elektrifizierungsziel des Bundes: 70%

• strecken- und fahrzeugseitige Maßnahmen

• Untersetzung im BVWP sowie durch zusätzliches

Bundes-Elektrifizierungsprogramm

• konkrete Projekte und Finanzierung noch offen

* Nach UIC: 60 % (Bezug nur Strecken des Bundes – DB AG ), Nach Destatis: 54 % (gesamtes EBO-Netz inkl. NE-Bahnen).

SPNV-Dieseltraktion

Bildquelle: DB Regio (https://www.dbregio.de/db_regio/view/mdb/

db_regio/zukunftswerkstatt/mdb_278211_un

ter_strom.pdf)

** Nach BAG-SPNV

73

75

53

61

34

37

21

21

16

9

6

9

14

7

3

51

32

27

11

20

15

18

17

10

17

16

8

1

1

0

0 50 100 150

Bayern

Nordrhein-…

Baden-Württemberg

Berlin-Brandenburg

Niedersachsen

Hessen

Rheinland-Pfalz

Sachsen

Sachsen-Anhalt

Schleswig-Holstein

Thüringen

Meckl.-Vorp.

Hamburg

Saarland

Bremen

SPNV-Betriebsleistungen (Mio. Zug-km)

Elektrisch (Mio. Zug-km)

Diesel (Mio. Zug-km)

Datenquelle: BAG-SPNV 2018

1 25

3.0582.698

271

1.5651.160907

5.784

7.258

1.6752.595

17.740

12.449

599

11.358

2.039

6.042

4.7936.736

1.635

449

2.457

6.328

10.770

1.708

4.244

1.609 9011.7591.786

100%

90%

76% 75% 73% 71% 71%

64% 64% 62%59%

56%54% 56%

50%47%

44%41% 39% 37% 37%

34% 34% 34% 34%

24% 22%

13% 13%

8% 8%0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

20.000

Elek

trif

izie

run

gsgr

ad

Län

ge n

ich

t-el

ektr

ifet

e Li

nie

n (

km)

Länge nicht elektrifiziertes Netz (km) Elektrifizierungsgrad

Datenquellen: UIC Railisa, Eurostat

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DLR.de • Folie 4

AP 1: Antriebskonzepte für den SPNV

Fahrzeug- und Infrastrukturoptionen

• Art der Traktionsenergiezuführung ist

zentrales Unterscheidungsmerkmal:

• Dieseltankstelle

• Oberleitung/Ladestation

• Wasserstofftankstelle

Nomenklatur:

• DMU – Dieseltriebzug

• EMU – Oberleitungs-Elektrotriebzug

• BEMU – Oberleitungs-Batterie-Hybrid-Triebzug

• FCEMU – Brennstoffzellen-Hybrid-Triebzug

• DHEMU – Dieselelektrischer Hybrid-Triebzug

MU = Multiple Unit (Triebzug)

(Auswahl, weitere Antriebskonzepte sind grundsätzlich möglich)

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DLR.de • Folie 5

AP 1: Hybridfahrzeuge im SPNV

Hybridisierte Fahrzeuge

für den SPNV

DHEMU: Siemens Desiro Eco-train Hybrid BR 642

(www.railjournal.com)

BEMU: Stadler FLIRT Akku BR 427 (Quelle:

https://railway-news.com)

BEMU: Siemens Cityjet eco (Prototypumbau eines

EMU Desiro ML) (Quelle: Siemens 2018)

BEMU: Bombardier Talent 3 BEMU BR 442

(Quelle: Bombardier)

FCEMU: Alstom iLINT BR 654

(Quelle: Alstom)

EMU BEMU

DHEMU FCEMU

BEMU + FC

BEMU + D(H)

Bisher nicht (in D) umgesetzt:

Weitere Antriebskonzepte denkbar. Topologien der Fahrzeuge weichen ggf. von den dargestellten Topologien ab.

HBU: Hilfsbetriebeumrichter.

Antriebstopologien (beispielhaft):

in der Zulassung oder

bereits im FG-Einsatz

Variante Batterieladung

auch zusätzlich extern

via Pantograph über

Oberleitung denkbar.

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DLR.de • Folie 6

Vergabeverfahren & Pilotprojekte

für Hybridtriebzüge im SPNV

• Erste Vergabeverfahren für

Fahrzeuge mit Hybridantrieben laufen

derzeit

-> technologieoffen

-> spezifisch BEMU oder FCEMU

• Zusätzliche Pilotprojekte für zeitlich

befristete Testbetriebe mit (einzelnen)

Fahrzeugen in Vorbereitung

NAH.SH – Netz Ost + Nord ~52 Züge (technologieoffen)

~10 Mio. Zug-km/a

Betriebsaufnahme: 2022/23

VBB – Heidekrautbahn 7 FCEMU (100 % EE-H2)

~0,65 (bis 1,3) Mio. Zug-km/a

Betriebsaufnahme: Dez. 2022

Geplanter Probebetrieb mit

einzelnen Hybridfahrzeugen

DHEMU / FCEMU / BEMU

(u. a in Bayern und BaWü)

Weser-Elbe Netz (LNVG) 2 FCEMU im Probebetrieb seit 2018

14 FCEMU ab Dez. 2021

Niederrhein-Münsterland (VRR) >50 Züge (technologieoffen)

Betriebsaufnahme: Dez. 2024

Taunusnetz (RMV) ~26 FCEMU

Betriebsaufnahme: Dez. 2022

Ortenaunetz (NVBW) 10-15 Züge (technologieoffen)

~2 Mio. Zug-km/a

Betriebsaufnahme: Dez 2021

Stand März 2019

RB 72 (ZPS) 6 BEMU / ~0,5 Mio. Zug-km/a

Betriebsaufnahme: Dez. 2021

Pfalznetz (ZSPNV Süd) Antriebsart wird noch festgelegt

Betriebsaufnahme: Dez. 2021

(kein Anspruch auf Vollständigkeit)

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DLR.de • Folie 7

AP 1: Charakteristika von Diesel- und Hybridfahrzeugen

• Reichweiten BEMU/FCEMU mit einer Tankfüllung

/Batterieladung geringer als von DMU Verteilung

Nachlade-/Betankungsinfrastruktur entscheidend

• Ca. 2.500 Dieseltriebzüge (DMU) in Betrieb,

Neufahrzeuge i.d.R. 2- und 3-Teiler

• Auf Nebenstrecken oft kleine Gefäßgrößen im

Einsatz (1-Teiler analog RS 650), HVZ in

Mehrfachtraktion

• Spez. Leistung DMU tlw. 10 kW/t,

Hybrid-Fahrzeuge: 7-9 kW/t (Prototypfahrzeuge)

• Fahrpläne sind auf (teilweise sehr spurtstarke)

Bestandsfahrzeuge ausgelegt

Daten nach VDE-XEMU-Workshop, 27.02. mit Zahlen

von Leenen (Fahrzeugfinanzierung im SPNV, 2012)

(Ansatz Eigenmasse/Dienstmasse, spez. Leistung am Rad (psch. Ansatz Wirkungsgrad Kraftübertragung: 80 %;

Daten für Hybridfahrzeuge tlw. geschätzt)

112

25

0 50 100 150

EMU

DMU

Fahrgäste

Fahrgäste/Zug im SPNV (Durchschnitt) // Quelle: VDE 2019/SCI 2012

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

DMU

FCEMU

BEMU

km

Spannbreite typische tägliche km je Diesel-

Fahrzeug im SPNV

Reichweiten der Antriebskonzepte vor Nachladung bzw.

Betankung

Grafik aktualisieren VT 612 (RegioSwinger)

VT 628

VT 642 (Desiro)

VT 648/623 (Lint 41)

VT 650 (RegioShuttle)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Spez

ifis

che

Lei

stu

ng

am R

ad (

kW/t

)

Fahrzeuglänge (m)

Anzahl D-Triebzüge in Deutschland (2018)

500 100

Bombardier Talent 3 BEMU(OL-freier Betrieb)

Stadler Akkuflirt

Bombardier Talent 3 BEMU (Betrieb unter OL)

Alstom iLINT

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DLR.de • Folie 8

AP 2: Bewertungskriterien für den Einsatz hybrider Antriebe (Auswahl)

• Technische Machbarkeit, LCC und CO2

• Elektrifizierungsgrad der Linien

• Sektorenkopplung, Synergieeffekte gemeinsamer H2-Distributionsinfrastrukturnutzung

• Elektrifizierungsschwierigkeiten, Fahrzeugumrüstbarkeit auf reinen Oberleitungsbetrieb

• Freiheitsgrade:

• Fahrzeugtechnik (Speicherenergie auf Fahrzeug)

• Infrastruktur (Anzahl und Anordnung von Nachladeinfrastruktur bzw. Wasserstofftankstellen)

• Betriebsprogramm (Netz- und Linienzuschnitt, Umlaufplanung, Wendezeiten)

• Hybride Antriebe kein Ersatz für (ohnehin geplante) weitere Streckenelektrifizierung, Kriterien:

• verkehrliche Bedeutung (Knotenpunkte, Umleiter-/Entlastungsstrecken, Schaffung elektrif. Korridore)

• Ggf. sind Hybridfahrzeuge auch als Übergangslösung bis zu einer Komplettelektrifizierung denkbar

• Grundsätzlich:

BEMU/FCEMU-Eignung stets für jeweiliges Ausschreibungsnetzes konkret und detailliert

zu betrachten (Betriebs- und Energiesimulation)

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DLR.de • Folie 9

AP 2: Elektrifizierung des SPNV-Liniennetzes (heute)

Heterogenes Elektrifizierungsmuster

• Elektrifizierungseigenschaften erster Anhaltspunkt für Bewertung BEMU-Vorteilhaftigkeit

• zu überbrückende nicht-elektrifizierte Streckenlänge

• Anzahl und Verteilung der vorhandenen Nachladeabschnitte

• Linien- und Umlaufplangestaltung; Nachladedauer & -länge

Aus: Pagenkopf, Johannes und Boehm, Mathias und Haas, Jan Lucas und Friedrich, Horst E. (2018) Analysis of German diesel operated regional railway lines' patterns with regard to the application of battery and fuel cell electric trains. The Fourth International Conference on Railway Technology - Railways 2018, 3.-7. Sept. 2018, Sitges, Spanien.

• 57 % der Linien zu weniger als 1/10 der

Länge elektrifiziert

In der Studie: Aktualisierung Liniendaten

anhand geplanter Elektrifizierung und

Neukonzessionen

Abschnitt mit Oberleitung

Abschnitt ohne Oberleitung

Diesel-SPNV-Linien in Deutschland (nach Linienlänge, absteigend sortiert)

Län

ge A

bsch

nit

t (k

m)

Ausschnitt

An

za

hl

Die

se

l-S

PN

V-L

inie

n

Anteil Oberleitungselektrifizierung an kompletter Streckenlänge

Aa

nza

hl L

inie

n

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DLR.de • Folie 10

AP 2: Weitere Schritte

Klassifizierung Linien/Netze & Auswertung Konzessionen

• Analyse SPNV-Linien und Netze in Bezug auf Elektrifizierung

• Stand 2019

• BVWP-Vorhaben, Elektrifizierungsprogramm Bund

• Fahrzeuganzahl 2019 und Horizont Neubeschaffungen

• Auswertung anstehender Konzessionen mit Diesel-

/Hybridfahrzeugen (Jahr, Zug-km, Linien,…)

56,4

6,2

3,3

54

0,5

34,4

24,1

72,1

37,6

37,6

0 25 50 75 100

Berlin Ostkreuz – Löwenberg (Mark) – Templin Stadt

Berlin Ostkreuz - Berlin-Lichtenberg - Werneuchen

Berlin-Lichtenberg – Müncheberg – Kostrzyn

Berlin-Lichtenberg - Löwenberg (Mark) – Rheinsberg (Mark)

Löwenberg (Mark) - Rheinsberg (Mark)

RB

12

RB

25

RB

26

RB

54

RB

54

20

9.1

22

09

.25

20

9.2

62

09

.54

20

9.5

4

[km]

Beispielnetz Ostbrandenburg Los 2

Abschnitt mit OLA

Abschnitt nicht elektrifiziert

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 20 40 60 80 100 120 140

Elek

trif

izie

run

gsgr

ad

Länge des längsten nicht-elektrifizierten (Teil)Abschnitts [km]

Netz Ostbrandenburg Los 2

O - Start- undEndbf nichtelektrifiziert

1 - Start- oderEndbfelektrifiziert

2 - Start- undEndbfelektrifiziert

RB 12

RB 54

RB 25

RB 54 RB 26

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DLR.de • Folie 11

AP 3: Weitere Schritte

Detailanalyse ausgewählter Linien in Bezug auf Eignung BEMU/FCEMU

Prüfung generalisierbare Aussagen auf

Gesamtliniennetz

Auswahl Hybridfahrzeugkonfigurationen

mit variablen Batteriekapazitäten, derzeitige Auswahl:

- 3-Teiler mit JDG (52-58 m, ~120 t, 1000 kW),

- Optional:

- 2-Teiler mit JDG (40-47 m, ~90 t, 800 kW)

Noch zu definieren: weitere Fahrzeug-& Umlaufparameter

H2-Tanks BZ

Batterie

Batterie Panto

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DLR.de • Folie 12

AP 4: Weitere Schritte

Abschätzung Marktpotential für Hybrid-Fahrzeuge bis 2030

• Berücksichtigung Ausschreibungen neue Netze (Diesel-/ alternative Antriebe)

• Fahrzeug-Neubeschaffungsbedarf in den Vergabenetzen

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DLR.de • Folie 13

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Institut für Fahrzeugkonzepte

[email protected]

www.dlr.de/fk