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Betriebssysteme elektrischer BahnenInstitut für Land- und Seeverkehr

Foto: DB Energie GmbH

Übung Bahnenergieversorgung

Allgemeine Elektroenergieversorgung Bahnenergieversorgung in

Deutschland und der Schweiz Energiemix im Vergleich Zentrale und

dezentrale Bahnenergieversorgung Komponenten der

Bahnenergieversorgung Elektromagnetische Verträglichkeit


Erzeugung elektrischen Stromes durch Induktion

Einfachste Form der Spannungserzeugung:

• Magnet in Leiterschleife induziert

elektrische Spannung

• Spannung folgt der Bewegung des

Magneten durch die Spule

• Pulsierender Gleichstrom

Generator mit Dauermagnet:

• (Permanent-)Magnet rotiert innerhalb einer Spule

• Drehung um 180° ändert Polarität der abgegriffenen

Spannung ( einphasiger Wechselstrom)

• Eine Umdrehung des Magneten entspricht einer

Periode, die zugehörige Schwingung ist eine Phase


Erzeugung elektrischen Stromes durch Induktion

Drehstromgenerator:

• Elektromagnet anstelle Permanentmagnet

• Erregung durch Gleichstrom (Synchron-Generator)

oder Wechselstrom (Asynchron-Generator)

• Generatoren in Kraftwerken in Synchronbauweise

(Wechselstrom folgt Drehbewegung des Rotors)

Elektromagnet bewegt

sich an 3 Spulen vorbei

3-phasiger Wechselstrom


Drehstrom

Drehstrom:

• 3 Wechselströme, die im selben Generator

erzeugt werden

• Phasen um 120° versetzt

• Ausschläge der Sinuskurven ergänzen sich

in jedem Moment zu 0

• Dadurch wird gesonderter Rückleiter

überflüssig

An alle 3 Phasen sind etwa gleich starke Verbraucher

angeschlossen.

Die 3 Teil-Verbraucher werden jeweils so zwischen 2

Phasen gelegt, dass jede Ausgangsklemme mit einer

Eingangsklemme verbunden ist

In Haushalten endet der 3-phasige Wechselstrom, da

jeweils nur eine der 3 Phasen (und Nulleiter/Earth

Protective Neutral) an die Steckdosen geführt wird.

Problem: Motorbetrieb an einphasigem Wechselstrom


Motorbetrieb bei hohen Leistungen

• Einphasiger Wechselstrom kann kein Drehfeld erzeugen

• Lösungsmöglichkeit: „Universalmotoren“ mit Stromwender

• Problem bei hohen Leistungen ( E-Loks): Funkenbildung am Stromwender

• Lösungsmöglichkeit: Reduzierung der Frequenz des Bahnstromes auf 16 2/3 Hz (heute

16,7 Hz)

• Lösung heute: Änderung von Frequenz und Spannung durch elektronische

Wechselrichter/Stromrichter


Umspannen

• Ausgangsspannung Generatoren: 10.500 – 21.000 V

• Transformation auf sehr hohe Spannungen (220 – 380 kV, Höchstspannungsnetz,

40.000 km in Deutschland) für verlustarmen Transport, stufenweises Transformieren

auf 230 V Haushaltsstrom


Trennschalter Transformator

Quelle: www.electricworld.de

„Hier ist das Schließen eines 380 kV-Trennschalters zu sehen. Der zugehörige Leistungsschalter ist frei

geschaltet, weswegen beim Schließen des Trenners der Laststrom nicht fließen kann. Zwischen dem

Leistungsschalter und dem Trennschalter liegt eine gewisse Strecke Sammelschiene, die aufgrund des

geöffneten Leistungs- und Trennschalters zunächst auf schwebendem Potential liegt. Zwischen dem

Kontaktmesser des Trennschalters und der Sammelschiene besteht eine gewisse Kapazität, die von dem

spannungsführenden Trennermesser während des Schließens zunehmend spannungsmäßig belastet wird. Die

Spannung versucht quasi, die Sammelschiene "auf ihr Potential zu ziehen". Dies gelingt, sobald die verbleibende

Luftstrecke zwischen Sammelschiene und Trennermesser der Spannungsbeanspruchung nicht mehr standhalten

kann; es kommt zum Überschlag zwischen der Schiene und dem betreffenden Trennermesser. Beachte, dass

hierbei noch kein Laststrom über den Trenner fließt; die sichtbaren Ströme sind ausschließlich kapazitive

Umladeströme.“



Es ist ein Trennschalterüberschlag vermutlich aufgrund eines Leistungsschalterfehlers zu sehen.

Der zugehörige Leistungsschalter bekommt den AUS-Befehl, den er auf allen Phasen ausführt.

Aufgrund eines Fehlers jedoch öffnen die Schaltkontakte einer Phase nicht - diese steht weiterhin

unter Spannung. Trotz dieses Fehlers meldet der Leistungsschalter den Vollzug der

Schalthandlung AUS an den Trennschalter, der daraufhin korrekt öffnet. Die nicht abgeschaltete

Phase ist weiterhin vom Laststrom durchflossen und reißt einen Lichtbogen über den

Trennermessern. Dieser wird, von Wärme und elektrodynamischen Kräften angehoben,

aufgeweitet, bis der Luftwiderstand so groß wird, dass der Lichtbogen zum Abriss kommt.




In der Starkstromtechnik dienen die Trennschalter dem Freischalten von Anlagenteilen, wie zum

Beispiel Transformatoren, im stromlosen Zustand von der unter Spannung stehenden Anlage.

Durch die dabei entstehende sichtbare Trennstelle kann sich das Personal vor Ort vom

Schaltzustand des Trenners und damit von der Spannungsfreiheit der nachfolgenden Anlagenteile

augenscheinlich überzeugen. Die Schaltmesser der Trennschalter dürfen nur öffnen oder

schließen, wenn über sie ein vernachlässigbar kleiner Strom fließt oder wenn durch das Öffnen

des Trenners keine wesentliche Potentialdifferenz über den Trennmessern entsteht. Dies wird

durch Verriegelungsschaltungen sichergestellt. Der Trenner kann erst öffnen oder schließen, wenn

der zugehörige Leistungsschalter freigeschaltet ist. Melde- und Quittierschalter geben dem

zuständigen Umspannwerk Auskunft über den Vollzug der Schalthandlung und den Schaltzustand,

zumeist über Fernmeldeeinrichtungen.



Bedarfsschwankungen

• Verbund von Kraftwerken ermöglicht

schnellen Ausgleich bei Spannungs- und

somit Frequenzschwankungen

(„Sekundenreserve“/“rotierende Reserve“)

• „Sekundärregelung“ steht durch

Pumpspeicherwerke und

Gasturbinenkraftwerke zur Verfügung, kann

innerhalb von Minuten abgerufen werden


Bedarfsschwankungen


Bruttostromerzeugung Deutschland 2006

Quelle: Statistik der Kohlewirtschaft, 2006

[TWh] Anteil [%]

Kernenergie 167,5 27,6

Braunkohle 158,4 26,1

Steinkohle 138,4 22,8

Erdgas 61,9 10,2

Wasser 26,7 4,4

Wind 24,9 4,1

Mineralöl 9,7 1,6

Übrige 19,4 3,2

Summe 607 100,0


Energiebedarf in der EU (Stand 2002)

Schienenverkehr:

0,8 %

Private Haushalte:

25,5 %

Straßenverkehr:

26,0 %

Dienstleistungs-

sektor und Land-

wirtschaft: 14,9 %

Industrie: 28,3 %

Luftverkehr: 4,0 %

Binnenschifffahrt:

0,5 %

Industrie

Dienstleistung/Landwirtschaft

private Haushalte

Schienenverkehr

Straßenverkehr

Luftverkehr

Binnenschifffahrt

Quelle: eurostat 03/2006

Anteil des Verkehrssektors am gesamten Energiebedarf: 31,3 % (1960: 17 %)

Davon wiederum hat die Bahn einen Anteil von 3 % (1960: 31%)


Energie GWh %

Kohle 3.861 34

Kernenergie 2.350 20

Gas und Öl 1.581 14

Wasser 1.233 11

Umformung zentral 1.219 11

Umrichtung zentral 312 3

Umformung dezentral 840 7

Zwischensumme 11.396 100

Saldo Verbundbetrieb -96

Umsatz Verteilungsnetz 11300

Kohle

34%

Kernenergie

20%

Umrichtung

zentral

3%

Umformung

zentral

11%

Gas und Öl

14%

Wasser

11%

Umformung

dezentral

7%

Erzeugte Bahnenergie im Jahr 2000

Quelle: DB Energie GmbH


W (Energie)

dezentrale

Umformer

7,4%

Wasser-

kraftwerke

10,8%

Wärme-

kraftwerke

68,4%

zentrale Umformer

10,7%

Umrichterwerke

2,7%

P (Leistung)

Wasserkraftwerke

11,3%

dezentrale

Umformer

19,0%

zentrale

Umformer

19,1%

Wärme-

kraftwerke

46,2%

Umrichterwerke

4,4%

Vergleich installierte Leistung/Energieerzeugung


Quellen: DBAG, SBB, UIC

Der Endenergieverbrauch je Energieträger kann aus bahninternen

Verbrauchs- oder Kostenstatistiken ermittelt werden. Für die elektrische

Traktion ist dazu der Anteil der einzelnen Energieträger am verwendeten

Bahnstrommix zu kennen. Dieser verwendete Strommix ist auch für

die Berechnung der Luftschadstoffemissionen wichtig. [UIC]

Energiemix im europäischen Bahnbetrieb

* 2001: nur ca. 87% Wasserkraft(Eisenbahrevue 2/2002)

*


Komponenten der Bahnenergieversorgung am Beispiel der Schweizerischen

Bundesbahnen (SBB) (100 % Versorgung durch Wasserkraft)

• Selbstständige Stromversorgung durch eigene Kraftwerke (650 MW), 1.600 km separates

Hochspannungsnetz, 50 Unterwerke (Versorgungsradius 30 km)

• Eigenes Stromnetz mit Sonderfrequenz 16 2/3 Hz für Versorgung und Ausgleich;

Trassierung von neuen Starkstromleitungen schwierig, in der Regel Bündelung mit anderen

Betreibern

• Artreiner hydraulischer Kraftwerkspark

• Wegen Schwankungen des Wasserangebotes (damit der Stromgewinnung) Kupplung mit 50-Hz-

Landesnetz (damit 100 % Versorgung mit Wasserkraft nur im Jahresmittel) (Nebeneffekte:

wirtschaftlicherer Betrieb durch Energiehandel und Verbesserung der Versorgungssicherheit)

• 5 Frequenzumformeranlagen (350 MW), um Energie zwischen den Versorgungssystemen

umzuwandeln

Transfer in beide Richtungen möglich

Klassische Technologie: Kupplung Drehstrommotor mit Bahnstromgenerator

inzwischen Ausführung als elektronische Starkstromkreise ohne bewegliche Maschinenteile

• 2 Netzkupplungen mit Stromnetz der DB AG

• In Leistungsbereitstellung (Steuerung Kraftwerke) fließen Einsatzprogramme für Speicherseen

und Ausgleichsbecken sowie Verträge mit Versorgern ein

Quelle: Eisenbahn-Revue 2/2002

Betriebssysteme elektrischer BahnenInstitut für Land- und Seeverkehr Zitate: DB AG, DB Energie (www.db-energie.de)

Energieverteilung

Die DB Energie stellt ... im 16,7-Hz-Bereich die zuverlässige

und wirtschaftliche Stromversorgung des rund 19.100 km1)

langen elektrifizierten Eisenbahnstreckennetzes sicher. In der

Zentrale in Frankfurt am Main werden Energieeinsatzplanung

und 110-kV- sowie 16,7-Hz-Netzmanagement bis zur den

Unterwerken durchgeführt. Mehr als 35.000 Züge können so

täglich elektrisch bewegt werden.

Als Strombezugsstellen dienen

• 19 Primärkraftwerke,

• 1 Pumpspeicherkraftwerk,

• 41 Umformer-/Umrichterwerke

•180 Bahnunterwerke 2)

mit einer installierten Gesamtleistung von

über 3.440 MW 2).

Im Jahr 2000 wurden insgesamt rund

11 TWh 16,7-Hz-Bahnstrom verkauft.

[DB Energie]

1) Stand: 02/2006

2) Stand: 10/2007


Quellen: eb 4/5 2003

Bahn-Report 2/03

Energieverteilung: Bahnpreissystem

• Energiekosten: 8-20 % der Betriebskosten im Bahnverkehr

• DB Energie 1997 als 100%-Bahntochter ausgegründet, 2.000 Mitarbeiter, zuständig für

Traktionsstrom, Dieselkraftstoff, Licht- und Kraftstrom, Gas und Wärme; betreibt Kraftwerke mit

P > 3.000 MW, 7.825 km1) Bahnstromleitungen 110 kV/16,7 Hz, 12.600 km Mittel- und

Niederspannungsnetze 50 Hz, 210 Tankstellen

Bahnpreissystem BPS 03 beinhaltet:

• Verbrauchsgenaue Abrechnung mobiler Verbraucher

• „Mischpreis“ (Netznutzung, Energiebezug, Belastungen aus EEG und KWK-G, Messung und

Verrechnung)

• Kein separater Leistungspreis (Bisher: Arbeits- und Leistungspreis)

• Preisunterschiede je nach Tages-Zeitzone (Preis: 8,5 - 9 Cent/kWh)

• Vergütung rückgespeister Energie (34-76 % - je nach Tageszeit)

• Kostenvorteile durch hohe abgenommene Mengen und lange Vertragslaufzeiten (Rabattierung)

• Anreize für Verkehrsverlagerung in Schwachlastzeit

1) Stand: 02/2006


Quellen: VDI-Nachrichten, 5.12.03

Bahn-Report 2/03

Energieverteilung: Einspeisung durch Fremdanbieter

• Energiekosten: 8-20 % der Betriebskosten im Bahnverkehr

• Benötigter Bahnstrom: 11 TWh/a, Kosten: etwa 700 Mio. €

• Seit 1.01.04: Öffnung des Bahnstromnetzes für fremde Anbieter

• Bezug der Energie von bahnfremden Versorgungsunternehmen für NE-Bahnen möglich

(Durchleitungsgebühr: 0,0545 €/kWh)

• Einspeisung des Stromes über einige in Deutschland verteilte Umformanlagen

• NE-Bahnen nehmen 200 Gigawattstunden (2% des insgesamt in Deutschland benötigten

Bahnstromes) ab


Quelle: Balfour Beatty

Leistungsfluss im Wechselstrom-Bahnnetz


Fahrzeug

Streckenkabel

Bremssteller/

Bremswiderstände

Kraftwerk

3~110-kV-50-Hz

3~20-kV-50-Hz

3~=

3~=

Linearmotor

Wechselrichter

Eingangsstromrichter

Hochspannungstransformator

Stromrichtertransformator

Ausgangstransformator

=3~

Kraftwerk

1~110-kV-16 2/3-Hz

1~15-kV-16 2/3-Hz

Fahrleitung 1~15-kV-16 2/3-Hz

Unterwerkstransformator

FM

Loktrafo Wechselrichter

Fahrmotor

Getriebe

1~=

4-qs

Energieversorgung Eisen- und Magnetbahn


Bei der elektrischen Traktion ist für

die Übertragung des Stroms vom

Kraftwerk bis zum Stromabnehmer

der Lokomotive mit einem

Energieverlust zu rechnen. Dieser

entsteht bei der Transformation im

Unterwerk und beim Transport in

den Stromleitungen. Abhängig von

den dazu benutzten technischen

Systemen fällt dieser Verlust

unterschiedlich aus. In

Deutschland wird mit einem totalen

Verlust von 10%, in der Schweiz

von 13%, in Schweden mit noch

höheren Werten gerechnet. [18]

Quelle: TUB, Jane‘s World Railways, UIC

Energieverteilung bei den Bahnen


Deutschland

Schweiz

Österreich

Schweden

Norwegen

16,7 Hz, 15 kV

Einphasen-Wechselstrom


Land Gleichstrom

1~ 16,7 Hz 1~ 25 Hz 1~ 50 Hz 1~ 60Hz 3~ 16 2/3 Hz 3~ 50 Hz

Belgien 3 kV

China 25 kV

Dänemark 25 kV 1,5 kV

Deutschland 15 kV 25 kV Versuche (1903) 20 kV 0,75 / 0,8 / 3 kV

Finnland 25 kV

Frankreich 15 kV 25 kV 1,5 kV

Griechenland

Großbritannien 25 kV 0,75 kV

Holland 1,5 kV

Indien 25 kV 1,5 kV

Irland 1,5 kV

Italien 1,5 / 3 kV

Japan 20 kV 20 kV 66 kV 0,6 / 0,75 / 1,5 kV

Luxemburg 25 kV 3 kV

Nord Korea 3 kV

Norwegen 15 kV

Österreich 15 kV 6,5 kV 3 kV

Polen 0,6 / 3 kV

Portugal 25 kV 1,5 kV

Rußland 25 kV 3 kV

Schweden 11 / 15 kV

Schweiz 11 / 15 kV 0,6 / 0,9 / 1,2 / 1,5 kV

Slowakei 25 kV 1,5 / 3 kV

Spanien 25 kV 1,5 / 3 kV

Süd Korea 25 kV 0, 8 / 1,5 / 2,4 kV

Tchechei 25 kV 1,5 / 3 kV

Türkei 25 kV

Ungarn 25 kV

USA 12 kV 25 kV

Wechselstrom

Bahnstromsysteme ausgewählter Länder


Bahnstromsystem

(Spannung, Frequenz)

Anschlussstrecken Ausbaustrecken Hochgeschwindig-

keitsstrecken

15 kV, 16,7 Hz X X (1)

25 kV, 50 Hz X X X

1,5 kV (DC) X X ---

3 kV (DC) X X (2)

(1) In Ländern, deren Netze derzeit mit 15 kV, 16,7 Hz elektrifiziert sind, kann dieses System für

neue Strecken verwendet werden. Das gleiche System kann auch in benachbarten Ländern

angewandt werden, wenn dies wirtschaftlich gerechtfertigt ist.

(2) In Italien kann für neu zu bauende Streckenabschnitte die Speisung mit 3 kV (DC) verwendet

werden, wenn durch die Elektrifizierung mit 25 kV, 50 Hz die Gefahr entsteht, strecken- und

fahrzeugseitige Signaleinrichtungen auf einer vorhandenen, der neuen Strecke

benachbarten Strecke zu stören.

Quelle: Transeuropäisches Hochgeschwindigkeitssystem, Technische Spezifikation Interoperabilität, Teilsystem Energie (EU-Kommission, Generaldirektion III, Industrie

III/D/4) Stand: 21.02.2001 (www.eisenbahn-cert.de)

Interoperabilität (TSI Energie)

Für Europa gelten folgende Empfehlungen für die Elektrifizierung :


Bahnstromsysteme in Europa

VRSJ

NSB

DSB

CIE

BR

NS

SNCB

DB AGPKP

CFL

SBBÖBB

CD

MAV CFR

BDZFS

SNCF

RENFECP

25 kV 50 Hz

15 kV 16,7 Hz

= 3 kV

= 600 V ... 1,5 kV

Dampf oder Diesel


Polnisches Eisenbahnnetz (2001)


Elektrifizierung Russisches Eisenbahnnetz


Elektrifizierung Chinesisches Eisenbahnnetz (2005)

Quelle: eb 1-2/2006


GleichstromWechselstrom

dreiphasigeinphasig

50 Hz 2), 20 kV

16 2/3 Hz, 20 kV

16 2/3 Hz, 6 kV

750 V

600 V

500V

250 V

3000 V

1200 V

50 Hz, 50 kV

50 Hz, 25 kV

25 Hz, 12 kV

16,7 Hz, 15 kV

60 Hz, 50 kV

60 Hz, 25 kV

1500 V50 Hz 2), 66 kV

1)

1) Drehstrom

2) Am Fahrweg anliegende

Frequenz variabel

Bahnstromsysteme - Übersicht


• U-Bahnen

• S-Bahnen

• Straßenbahnen

3000 V

50 Hz, 25 kV

16,7 Hz, 15 kV

1500 V

750 V

600 V

500V

250 V

GrubenbahnenNahverkehrHauptbahnen

16,7 Hz, 15 kV

50 Hz, 25 kV

Bahnstromsysteme - Anwendung


Triebwagen von 1903

Höchstgeschwindigkeit:

210 km/h

Drehstromlokomotive für

Schnellbahnversuche

zwischen Marienfelde und

Zossen, 1902

Die beiden Versuchstriebwagen, die 1903 über 210 km/h erreichten. Beim

AEG-Wagen waren drei Stromabnehmer hintereinander, beim Siemens-

Wagen auf einer gemeinsamen Säule übereinander geordnet. (StES -

Studiengesellschaft für elektrische Schnellbahnen)

23.10.1903

206,7 km/h

27.10.1903

210,2 km/h

Quelle: VDI

Drehstrom (Versuchsstadium)


Gleichstrom? Wechselstrom 50 Hz? Wechselstrom 16,7 Hz?

Quelle: Niekamp, DB Energie

•Zunächst nur Gleichstrombetrieb möglich:

- Einsatz Nahverkehrsbahnen (Straßenbahnen, S-Bahnen mit räumlicher Konzentration

und kompaktem Streckennetz)

- Gleichstrom bis 1.500 V ausreichend

•Elektrischer Betrieb von Fernbahnstrecken:

- Längere Übertragungsstrecken müssen mit hoher Spannung verlustarm

überbrückt werden

- Transformation vor Ort (Triebfahrzeug) auf Gebrauchsstärke

( Wechselstrom notwendig)

- Landesfrequenz von 50 Hz ungeeignet, da keine leistungsfähigen Motoren möglich

Entscheid für 16 2/3 Hz als Bahnfrequenz

(Lokomotiven mit Kurzzeitleistungen bis zu 10 MW)

- Konsequenz: Eigene Kraftwerke, eigenes Hochspannungsnetz, Umspannanlagen

•Mitte 1960er:

- Leistungsfähige Halbleiterbauelemente (Leistungsdioden, Gate-Turn-Off-Thyristoren...)

Umwandlung von Strom in vielfältiger Richtung (Wechselrichter)

Bau von frequenzunabhängigen Lokomotiven


Umstellung des deutschen Bahnstroms auf 50 Hz möglich ?

Quelle: Niekamp, DB Energie

Anzupassende bzw. zu ersetzende Objekte:

• 5.000 elektrische Lokomotiven, Triebköpfe und -wagen

• Energieversorgung aller Inlands-Reisezugwagen

• Alle Oberleitungsanlagen

• Lichter Raum unter Brücken und in zahlreichen Tunneln

• Alle Hochspannungsversorgungsleitungen zu den Bahnstrecken

• Alle Unterwerke, Schaltposten und Kuppelstellen

• Fast alle elektrischen Zugvorheizungen, Weichenheiz- und ähnliche Anlagen

• Beeinflussungsgefährdete bahneigene und bahnfremde Systeme

• Kraftwerksanlagen (?)

Zu erwartende Gesamtinvestitionen: 10-15 Mrd. €

• „Der 50-Hz-Strom müsste gratis sein, um diese Aufwendungen über 20 Jahre

auszugleichen“

Umbau unter rollendem Rad praktisch nicht möglich



Bahnstromversorgung im Überblick


Bahnstromversorgung im Überblick (1)




Bahnstromversorgung im Überblick (2)


Energieversorgungsnetz(e)

Quelle: IZE

DB AG:

• bahneigene

Kraftwerke

• bahneigenes

Energiever-

teilungsnetz

(110 kV)

• punktuelle

Anbindung

an das

öffentliche

Netz


Quelle: DB Energie

Erzeugung und Verteilung

110-kV-Netz

• 16,7 Hz, installierte Gesamtleistung 3.440 MW

• 7.825 km Länge

• Einphasig

• 19 Primärkraftwerke

• 1 Pumpspeicherkraftwerk

• 41 Umformer- und Umrichterwerke

• 178 Bahnunterwerke

• Verbund mit Netzen der

Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB)

(galvanisch) und Schweizerischen Bundesbahn

(SBB) (transformatorisch)

• Bahntypische Bedarfsschwankungen

von 300 MW lassen sich innerhalb von

Sekunden ausgleichen

• Totalausfall eines Kraftwerkes kann

aufgefangen werden

• Möglichkeit zum Strombezug aus dem

Ausland (somit Flexibilität, Versorgungssicherheit,

Preistransparenz)

• Bezug von 50 Hz-Strom aus dem öffentlichen Netz

(Umformer- oder Umrichterwerke erforderlich)

Grafik: eb 1-2/2006


Quelle: DB Energie

Stand der Elektrifizierung

• 19.100 km elektrifiziertes

Eisenbahnstreckennetz in

Deutschland (bei etwa 38.000 km

Streckennetz)

• Redundante Ausführung durch

zweiseitige Einspeisung in

Oberleitung


Quelle: DB Energie

Strombelastbarkeit

Maximal zulässige Oberstomstärke pro ICE-Zug

im DB-Netz AC 15 kV 16,7 Hz (Stand: Nov 2000)


• Energieeinsatzoptimierung - kostenoptimaler Einsatz des gesamten Energiesystems

(Bedarfsprognosen, kurz- und mittelfristige Planungen sowie Planung des wirtschaftlichen

Spotenergieeinsatzes) (100 Stromlieferungsverträge werden bei der kostenminimierenden

Einsatzplanung berücksichtigt)

• Netz- und Notfallmanagement - zuverlässige Bahnstromversorgung

(Steuerung und Überwachung des 110-kV-Bahnstromleitungsnetzes der DB Energie )

Kontrolle aller elektrotechnisch relevanten Parameter wie z. B.:

• Wirkleistungsgleichgewicht

• Netzstabilität

• Belastbarkeit der Betriebsmittel

• Spannungsstabilität

• Verlustminimierung

Randbedingungen:

• Frequenz im zulässigen Bereich

• Absolutes Gleichgewicht von Erzeugung und Verbrauch

• Belastungsgrenzen aller Betriebsmittel müssen eingehalten werden

• Minimierung der Verluste

• Meist zentrale Einspeisung über eigenes Hochspannungsnetz (sinnvoll

bei hohem Leistungsbedarf); auf Gebiet der neuen Länder meist

Bahnstromerzeugungseinheiten in Form dezentraler Unterwerke

Hauptschaltleitung (HSL): Operative Steuerung und Portfoliomanagement



Hauptschaltleitung (HSL)

Quelle: eb – Elektrische Bahnen 11/2001

1 Gesamtleistung

2 Leistung langsamer Regler

3 Leistung schneller Regler

Lastsenke im zentral versorgten 110-kV-Netz der DB Energie am 13.09.2001


Bedarfsschwankungen, Teil 2



Wirkungsgradvergleich Statischer Umrichter / Rotierender Umformer


Quelle: S-Bahn Berlin GmbH

110 kV Schaltanlage S-Bahn Berlin



Statische Netzkupplungsumrichter


Quelle: SIEMENS

Bahnunterwerke

• Unterwerksabstand: 40 – 60 km

• Schaltposten und Kuppelstellen zwischen

Unterwerken aus betrieblichen Gründen


Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Elektrisches Feld Magnetisches Feld

E- und M-Felder treten einzeln auf (unabhängig voneinander).

- geht von Leitungen/Kabeln aus - entstehen bei Transformatoren,

Fahr- und Freileitungen

- Einheit: [V/m] - [mT]

- Spannung - Strom

- einfache Abschirmmöglichkeiten - aufwendige Abschirmmaßnahmen

Nur die M-Feldwerte sind von Bedeutung (Normung).

Niederfrequente Felder

Hochfrequente Elektromagnetfelder

E- und M-Felder treten nur miteinander gekoppelt auf. (Sendeanlagen, Radar, …)

Leistungsdichte [W/m²], Frequenzen 100 kHz – 300 GHz, Abschirmung möglich



Bahnenergieversorgung

Leittechnik

(Zugsicherungs- und Signalsysteme)

• überwiegend niederfrequente Felder

• relativ hohe Energie

• Maßnahmen zur Reduzierung von magnetischer und elektrischer Feldstärken

- Verlegung der Rückleitung möglichst nah der Fahrleitung

- Erdungskonzepte (gezielte Rückstromführung)

• überwiegend hochfrequente Felder

• relativ niedrige Energie, aber punktuell große Beanspruchungen möglich



Biologische Wirkung

Beeinflussung technischer Gräte

• Induzierung von Wirbelströmen in den menschlichen Körper

• physiologische Reaktionen, z. B.:

- Reizung der Netzhaut mit Lichtphänomenen

- Reizung von Muskelzellen

- Reizung von Nervenzellen

- Herzkammerflimmern (lebensgefährlich)

- Langzeitwirkungen weitgehend ungeklärt

(Verdacht auf krebsauslösende Wirkung)

• Beeinträchtigung der ordnungsgemäßen Funktionsweise

(z. B. Flimmern von Röhrenbildschirmen, TFT-Bildschirme sind gegen diese

Beanspruchungen wesentlich unempfindlicher)


EMV auf dem Bahnfahrzeug

Viele elektrische Geräte auf engstem Raum:

• sehr unterschiedlicher Betriebsfrequenz

(z. B. hoch-, tieffrequent)

• sehr unterschiedliche Leistungsklassen

(z. B. Traktion, Beleuchtung)

• Baugruppen mit sicherheitsrelevanten Funktionen

und mit nicht kritischen Aufgaben

• Personenschutz

(z. B. vor direkter Berührung stromführender Teile, energiereicher und

hochfrequenter Felder)

Es gibt Länder, da entdeckt mannicht eine einzige elektrische Loko-motive auf den Schienen, da fährtalles mit Diesel. Dagegen siehtman in Deutschland, in Frankreichund in vielen anderen Staaten Mit-tel- und Westeuropas, aber auchin Japan, überwiegend elektrischeZüge. Dies zeigt, daß offenbarbeide Traktionsarten ihre Berechti-gung haben.

In einem bevölkerungsreichen Landwie Deutschland mit hoher Strecken-,Bahnhofs- und Zugdichte, mit Bal-lungsräumen (S-Bahn-Bereiche) undvielfach kurzen Entfernungen zwi-schen den Zentren hat sich der elek-trische Zugbetrieb bewährt. Rund 38 300 Kilometer (km) mißt heutedas Streckennetz der DB AG, etwa18 000 km davon sind elektrifiziert.Auf diesem Netz werden 84 Prozentaller Betriebsleistungen (Bruttoton-nenkilometer) elektrisch gefahren viaIntercity Expreß- und Intercity-Züge,Interregiozüge, S-Bahnen, schnelleund schwere Güterzüge.

Aus der Sicht der Kunden sollen Rei-sezüge schnell, komfortabel, pünkt-lich und preiswert sein. Für Güterzü-ge gilt im Prinzip das gleiche. Ausder Sicht der Bahn sollen viele Zügeauf die Strecke passen, ausreichendlang, belastbar und beschleu-nigungsstark sein (z. B. bei S-Bah-nen). Unterm Strich müssen Züge sokostengünstig wie möglich fahren,um mit anderen Verkehrsträgernkonkurrieren zu können. Aus diesenForderungen läßt sich ein „gemeinsa-mer Nenner“ extrahieren: Züge müs-

nenverkehr werden im Durchschnittüber alle Zuggattungen hinweg circa35 Wh je Bruttotonnenkilometer ver-braucht – welch deutlicher Unter-schied zum Pkw! Umgerechnet inGeld kosten die 0,1 l Benzin rund15 Pfennig, die 35 Wh Lokomotiv-strom weit weniger als 1 Pfennig.Mag dieses Beispiel auch etwas hol-pern, so wird doch klar, daß sich derelektrische Zugbetrieb als sehr ko-stengünstig erweist. Und: der ver-gleichsweise geringere Energiever-brauch bedeutet weniger Umweltbe-lastung.

Um elektrisch fahren zu können, sindE-Loks mit einem Stromzuführungs-system ausgestattet. Dies sind i. d. R.Oberleitungen, die vom Stromabneh-mer der Lok kontaktiert werden,oder auch Stromschienen (bei S-Bah-nen häufiger zu finden). Die Energiestammt aus vorgelagerten Strom-einspeisungssystemen, wobei es inEuropa vier Arten zu unterscheidengilt:

■ 1 500 Volt (V) Gleichstrom, z. B. inFrankreich,

■ 3 000 V Gleichstrom, z. B. inHolland,

■ 15 000 V Wechselstrom mit16 2/3 Hertz (Hz), z. B. in Deutsch-land,

■ 25 000 V Wechselstrom mit 50 Hz,z. B. in Frankreich.

Bei Gleichstrombahnen erfolgt dieEinspeisung über Gleichrichterwer-ke, die vom öffentlichen 50-Hz-Dreh-stromnetz versorgt werden. BeiWechselstrombahnen kommt dieElektrizität aus Umspannungsstatio-nen, die am Hochspannungsnetzangeschlossen sind. Während beim

38 Standpunkt, März 1999

Mit 11 Mrd. Kilowattstunden im Jahr

verbraucht die Bahn

so viel Strom wie die Stadt Berlin162⁄3 Hertz–Klaus Niekamp, Geschäftsführer der

DBEnergie, Frankfurt am Main

sen hohe Traktions(Antriebs-)lei-stungen bei günstiger Kostenlage er-möglichen. Dies bietet der elektri-sche Antrieb.

Warum elektrischer Zugbetrieb?

Eine vierachsige Lokomotive bringtheute gut 6 000 Kilowatt (kW) „aufdie Schiene“. Das reicht für schnelleReisezüge (ein ICE hat beispiels-weise zwei Lokomotiven à 4 500 kWund schafft damit 300 km/h), für be-schleunigende S-Bahnen und fürschwere Güterzüge (die Lastgrenzeliegt bei 5 000 Tonnen). Soweit dietechnische Seite. Doch wie steht’s umdie Wirtschaftlichkeit? Dazu einRechenbeispiel: Ein Mittelklasse-Pkw – er möge gerade die Masse von1 t haben – verbraucht circa 10 Li-ter (l) Benzin pro 100 km, also prokm 0,1 l. Diese 0,1 l haben einen Ener-giegehalt von rund einer Kilowatt-stunde (1 kWh = 1 000 Wattstunden,Wh). Für eine Beförderungsleistungvon einem Bruttotonnenkilometer(1 t × 1 km) verbraucht der Pkw also1 000 Wh. Beim elektrischen Schie-

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Standpunkt, März 1999 39

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50-Hz-Betrieb Strom auch aus demöffentlichen Drehstromnetz kommt,erfordern die 16 2/3-Hz-Bahnen eineeigene „elektrische Welt“, die vomKraftwerk über ein Hochspannungs-Transport- und Verteilnetz bis zu denUmspannstationen exklusiv für dieseFrequenz konzipiert ist.

Auf der Stromerzeugungsseite gibt es35 Kraft- und Umformerwerke miteiner installierten Generatorleistungvon rund 2 500 Megawatt (MW). Siespeisen in das deutsche Bahn-Hoch-spannungsnetz mit einer Betriebs-spannung von 110 000 Volt (110 kV)ein. Das Netz hat eine Trassenlängevon 7 300 km. Wie im 50-Hz-Netz besteht ein grenzüberschreitenderVerbundbetrieb, hier mit den Nach-barn Österreichische Bundesbahnen(ÖBB) und Schweizerische Bundes-bahnen (SBB). Aus dem Hochspan-

nungsnetz transformieren 151 Um-spannstationen den Strom in die„Lok-taugliche“ Spannung von15 kV. Dieses Versorgungsschema er-möglicht es, alle Oberleitungsanlagenvon Flensburg bis Basel, von Emme-rich bis Passau synchron und phasen-gleich zu betreiben. Dies erleichterterheblich den normalen Eisenbahn-betrieb, da somit keine spannungs-losen Trennstellen in den Oberleitun-gen erforderlich sind.

Eine eigene Stromwelt

Die Frequenz von 16 2/3 Hz erfor-dert, wie schon gesagt, eine eigeneStromwelt. Dabei stellt sich die Fra-ge, warum die Bahn nicht längst mitder landesüblichen Frequenz von50 Hz fährt. Gibt es doch für Loko-motiven die leistungsfähige Dreh-

stromantriebstechnik, für die dieseFrequenz keine Rolle mehr spielt.Die Antwort ist nicht einfach, dennimmerhin existieren über 5 000 elek-trische Lokomotiven und Triebwa-gen, die nur mit 16 2/3 Hz fahren, d. h.nicht umgestellt werden können. Da-von sind zwar einige schon sehr be-tagt, ihr Ersatz durch 50-Hz-fähigeLoks/Triebwagen würde jedoch eineInvestition von immerhin 25 Mrd. DMerfordern (und durch eine solcheFrequenzumstellung würde kein ein-ziger Reisender zusätzlich mit derBahn fahren). Des weiteren stellt sich die Frage: Was würde 50-Hz-Fahrstrom kosten? Aus Ingenieur-sicht scheint die Antwort einfach:16 2/3-Hz-Strom muß schon deshalbmehr kosten, weil die dazu benötig-ten Bahn-Generatoren teurer sind.

ein alter Zopf?Die Bahn fährt mit 16 2⁄3 Hz. Warum?Die ersten elektrischen Bahnen sind ausnahmslos mit Gleichstrom gefahren,denn mit diesem ließen sich ideale Fahrmotoren bauen (Gleichstrom-Reihen-schlußmotoren). Der Pferdefuß: die Motorspannung – und damit die Oberlei-tungsspannung – läßt sich kaum über 1500 Volt erhöhen. Dadurch ist dieReichweite der einspeisenden Gleichrichterwerke auf wenige Kilometer be-grenzt. Mit Wechselstrom hingegen läßt sich die Oberleitungsspannung – unddamit die Speisereichweite – fast beliebig erhöhen, um die Spannung in derLok auf einen motorverträglichen Wert herunter zu transformieren. Der Pfer-defuß hier: Wechselstrom erzeugt in den Reihenschlußmotoren eine schäd-liche Schaltspannung am Kommutator, die zum „Feuern“ führt (zu sehen beijeder Heimwerker-Bohrmaschine).

Die Schaltspannung steigt mit der Frequenz des Wechselstroms. Je niedrigerdiese ist, umso besser. Nicht zuletzt deshalb haben sich mehrere Bahnverwal-tungen zu Beginn dieses Jahrhunderts dazu entschlossen, die Frequenz von16 2/3 Hz (1/3 von 50 Hz) einzuführen, sozusagen als „transformierbarer Gleich-strom“. Die Entscheidung erlaubte leistungsfähige Lokomotiven zu bauen.Erst mit der Einführung von Leistungshalbleitern (Thyristoren) konnte derReihenschlußmotor durch den Drehstromasynchronmotor ersetzt werden. Diemeisten Loks der Deutschen Bahn sind noch mit Reihenschlußmotoren aus-gerüstet.

Um die Züge rol-len zu lassen,verbraucht dieBahn jährlich über11 Mrd. Kilo-wattstunden. DerStrom kommtvom öffentlichenNetz und von ei-genen Bahnkraft-werken, wie z.B. dem Lauf-wasserkraftwerkReichenhall.

40 Standpunkt, März 1999

Züge habendurch häufigesAnfahren undAbbremsen einenstark schwan-kenden Strom-verbrauch. Fah-ren beispielswei-se in einem Groß-bahnhof zehnZüge gleichzeitigan, gibt es einenkurzfristigen Lei-stungshub vonetwa 100000 Ki-lowatt – dem Lei-stungsbedarf ei-ner Kleinstadt.

gehörigen Hilfseinrichtungen. Rund600 Mitarbeiter pflegen die Anlagen(die Kraftwerke ausgenommen), be-treiben ihre eigene Energiewirtschaftund tätigen den Stromeinkauf. „Kun-den“ sind sozusagen die Züge derDB AG, aber auch alle anderen imNetz fahrenden elektrischen Lokseinschließlich der S-Bahnen in Berlinund Hamburg.

DBEnergie liefert jährlich rund11 Mrd. Kilowattstunden an dieBahn. Die Strommenge entsprichtetwa dem Verbrauch von Berlin odereinem kleineren Bundesland. Die installierte Erzeugungsleistung fürden 16 2/3-Hz-Bahnstrom beträgt2 500 MW im zentralen und 600 MWim dezentralen Netz. Das zentraleNetz umfaßt die alten und den südli-chen Teil der neuen Bundesländer.Hier findet die skizzierte TechnikKraftwerk-Hochspannungsnetz-Um-spannstation Anwendung. In dennördlichen neuen Bundesländernhingegen hat die ehemalige DeutscheReichsbahn eine dezentrale Ver-sorgung aufgebaut: Anstelle vonKraftwerken und verteilendem Netzsind an den Einspeiseorten Umfor-merwerke installiert, die den örtli-chen 50-Hz-Drehstrom in 16 2/3-Hz-Bahnstrom umwandeln. Umformersind Generatoren, die statt von einerTurbine von einem (riesigen) Dreh-strommotor angetrieben werden. Siedienen sozusagen als Kupplung zwi-schen öffentlichem und Bahnnetz.

Im zentralen Bahnnetz gibt es14 Umformerwerke. Ihre Aufgabe istdie Bereitstellung von Regel- bzw.Spitzenleistung. Diese ist im Bahnbe-trieb in besonderem Maße erforder-lich, weil Züge durch häufige Anfahr-und Bremsvorgänge sehr „unruhige“Verbraucher sind. Ein Vergleichsbei-spiel: Ein S-Bahn-Langzug hat eineAnfahrleistung von knapp 10 000 kW.Wenn zehn solcher Züge bei „Zeiger-sprung“ gleichzeitig anfahren, gibtdies einen Leistungshub von100 000 kW (100 MW) innerhalb we-niger Sekunden, was ganz gewaltig ist

Für den Ökonomen stellt sich die Si-tuation etwas anders dar: Durch dasVorhandensein eines eigenen 16 2/3-Hz-Hochspannungsnetzes, das sichüber nahezu ganz Deutschland er-streckt, hat die Bahn eine einzig-artige Chance: Sie muß die Elektrizi-tät nicht dort beziehen, wo sie diesebenötigt (in Umspannstationen), son-dern kann diese dort kaufen, wo sieam preisgünstigsten angeboten wird.Mit dem eigenen Hochspannungs-netz kann die Energie dann problem-los zu den Verbrauchern geleitet wer-den. Mit anderen Worten: die Bahnkauft ihren Strom als einziger Ver-braucher in Deutschland seit eh undje unter Marktbedingungen ein. Fürsie existiert von daher der liberali-sierte Strommarkt bereits seit Jahr-zehnten. Hinzu kommt, daß dasBahnnetz – elektrotechnisch gesehen– eine stark ausgleichende Wirkungauf regionale Leistungsspitzen hat,wodurch die Leistungskosten ge-genüber dem Einzelanschluß derUmspannstationen stark reduziertwerden. Summa summarum ist 16 2/3-Hz-Strom preisgünstiger als 50-Hz-Strom (unter sonst gleichen Bedin-gungen).

Die Deutsche Bahn AG hat ihreStromversorgungsaktivitäten im Ja-nuar 1997 auf die DBEnergieversor-gung GmbH & Co. KG, kurzDBEnergie, übertragen. DBEnergiehat die „klassischen“ Aufgaben einesElektrizitätsversorgungsunterneh-mens (EVU): von der Erzeugung unddem Einkauf von Energie bis zur Pla-nung und Steuerung von Kraftwerks-einsätzen, des Netzbetriebs (von derFrequenzhaltung bis zum Leitungs-management), des Verbundbetriebs(mit den Partnern), der Reservehal-tung sowie der Vorhaltung aller not-wendigen Betriebsmittel. Dies mit al-len Konsequenzen und Feinheiten,denn es gibt niemand sonst inDeutschland, der 16 2/3 -Hz-Strom„macht“. Die DBEnergie verfügtüber Kraftwerke, Umformerwerke,Hochspannungsnetze, eine zentraleHauptschaltleitung sowie die zu-

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Die Umstrukturie-rung der Deut-schen Bahn AGzu einem wettbe-werbsstarkenUnternehmen istweit vorange-schritten. Schnell-strecken wie Berlin – Hannover,die Anhebungder Geschwindig-keiten sowie dieVerbesserung desKomforts stehenfür die „neue“Bahn.

Standpunkt, März 1999 41

T E C H N I K +E N E R G I E W I R T S C H A F T

und dem Leistungsbedarf einerKleinstadt entspricht. Solch schnelleLaständerungsgrößen kommen imöffentlichen Netz kaum vor.

Wie jedes EVU setzt auch die DB-Energie einen Mix aus Grund-, Mit-tel- und Spitzenlastkraftwerken ein,um einerseits kostengünstigen Stromliefern zu können und andererseitsdie unterschiedlich hohen Lastän-derungen zu beherrschen. Da derStromverbrauch in gewissem SinnAbbild des Fahrplans ist – im mor-gendlichen Berufsverkehr fahrendeutlich mehr Züge als nachts –, istdie Versorgung den unterschiedlichhohen Bedarfsfällen angepaßt. FürGrundlastzwecke werden vorwie-

gend Kern- und Laufwasserkraft-werke, für den Mittellastbereich ther-mische Kraftwerke (mit Steinkohle-,Braunkohle-, Erdgas- und Gichtgas-feuerung) und für den Spitzenlastbe-reich Umformerwerke, Speicherwas-serkraftwerke und ein Pumpspei-cherwerk eingesetzt – fast genausowie in der öffentlichen Stromversor-gung. Der Wasserkraftanteil ist dabeivergleichsweise hoch, so daß inDeutschland umgerechnet jederzehnte Zug mit regenerativer Ener-gie fährt.

Es tut sich was bei der Bahn

Der Stromverbrauch der Bahn hat inden vergangenen Jahren ständig zu-genommen. Die Gründe liegen in dererweiterten Streckenelektrifizierung,dem Bau neuer Verbindungen (z. B.die Schnellfahrstrecken Hannover –Würzburg, Mannheim – Stuttgartoder ganz aktuell Berlin – Hanno-ver), der kontinuierlichen Anhebungdes Geschwindigkeitsniveaus, aberauch des Komforts (Klimatisierung).Der Trend setzt sich fort, z. B. mit derim Bau befindlichen Schnellfahr-strecke Köln – Rhein/Main.

Oberstes Ziel der DBEnergie ist es,Strom möglichst kostengünstig be-reitzustellen. Hier kommt der libera-lisierte Strommarkt in Deutschlandsehr entgegen. Aber, so kann manfragen, was nutzt das bei einer Fre-quenz von 16 2/3 Hz? Nun, die Bahndeckt heute schon gut 20 Prozent ih-res Bedarfs über Drehstrom ab. Die-ser wird – wie gesagt – in Um-formerwerken für das Bahnnetz „um-gearbeitet“. Das ist aber nicht ausrei-chend. Um vom neuen Strommarktzunehmend profitieren zu können, istein Koppelelement zwischen Dreh-und Bahnstromnetz erforderlich, dasdie (elastische) Frequenzumformungkostengünstig und verlustarm be-werkstelligt. Die Lösung: elektroni-sche „Umrichter“. Diese haben sichzwar technisch schon bewährt, arbei-ten aber noch zu teuer. Ein neukonzi-pierter „Standard-Umrichter“, dergleichermaßen die Forderungen nach

günstigen Kosten wie nach Verlustar-mut erfüllt, wird derzeit an vier imBau befindlichen Anlagen getestet.Seine Dimensionierung erlaubt einenbreiten Einsatz – von der Substitu-tion von Grundlastleistung bis zurpreisgünstigen Versorgung von Aus-läuferstrecken. Durch einen „quasi-mobilen“ Aufbau (Container) kannder Umrichter auch für kurz- undmittelfristige Energietransfers einge-setzt werden.

Auch in der Energiewirtschaft tutsich was bei der Bahn. Hier gilt es,bestehende langfristige Geschäftsbe-ziehungen den neuen Gegebenheitenam Markt anzupassen und zu opti-mieren. Zeitgleiche Summenmes-sung, Bündelung von Energiebezü-gen, Durchleitung, Auslandsbezug,Spot-Energiegeschäfte, Ausnutzenungleicher Lastganglinien undEnergiedienstleistungen sind nur ei-nige der Aktivitätenschwerpunkte,die das Tagesgeschäft ausmachen.Aber auch die „Juristerei“ kommtnicht zu kurz. So wird zu prüfen sein– notfalls gerichtlich –, inwieweit be-stehende Energielieferverträge deraktuellen Gesetzeslage und den neuen Marktverhältnissen noch ent-sprechen.

Bleibt das Resümee zu ziehen: DerBahnstrom mit seinen 16 2/3 Hz istnach wie vor hochaktuell. Ihn ko-stengünstig bereitzustellen, wirdHauptaufgabe bleiben – zum Nutzender Reisenden und der verladendenWirtschaft. ■

Die Energiever-sorgung derBahn ist seit lan-gem schon grenz-überschreitend.So besteht mitder Österreichi-schen und derSchweizer Bun-desbahn ein Ver-bundbetrieb.


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