Entwicklung von Betriebskonzepten für Nahverkehrsfahrzeuge mit alternativen Antrieben

Kurzfassung

Die vorherrschenden klimatischen und atmosphärischen Entwicklungen fordern von den aktuellen Generationen Forschung für nachhaltige Veränderung und Bewahrung der Umwelt. Ein wichtiger Aspekt hierbei sind die Antriebe der vorhandenen Transportsysteme. Neue Ansätze schlagen sich in unterschiedlichen Konzepten und Entwürfen verschiedener Transportsysteme nieder, auch die Umsetzung findet in einigen Fällen schon statt. Besonders der Eisenbahnverkehr stellt ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Transportmittel dar, weshalb die Expansion und die Weiterentwicklung des Eisenbahnsystems durch seine einzigartigen Vorzüge von großem Interesse sind. Weiterentwicklungen zu sparsamen und umweltfreundlichen Antrieben sollen das System noch wettbewerbsfähiger machen. Daher sind für den Einsatz von alternativen Antrieben im Eisenbahnsystem Betriebskonzepte und Verfahren in stetiger Entwicklung.
Es wurde untersucht, wann und wie Fahrzeuge des Eisenbahnsystems mit alternativen Antrieben im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben Vorteile erzielen und ökonomisch die traditionellen Antriebe ersetzen können. Weiterhin wurde überprüft, ob durch den Einsatz der entwickelten Verfahren mit herkömmlichen Antrieben weitere Optimierungen im Eisenbahnbetrieb erreicht werden. Hinsichtlich der Anforderungen und der Aufgaben des Eisenbahnsystems soll in beiden Untersuchungen eine wirtschaftliche Anwendung gewährleistet werden. Unter dem Begriff „alternative Antriebe“ wurden in dieser Arbeit Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieben betrachtet und untersucht.
In der vorliegenden Arbeit werden Betriebskonzepte entwickelt, welche den Einsatz von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben im Eisenbahnnahverkehr auch unter wirtschaftlichen Randbedingungen ermöglichen. Hierfür wurde untersucht, welche Randbedingungen und Anforderungen erforderlich sind und ob Fahrzeuge mit alternativen Antrieben auf den vorhandenen Eisenbahnnetzen eingesetzt werden können. Daher wurden die Erkenntnisse hinsichtlich der Wasserstoffherstellung beschrieben. Darüber hinaus wurden Möglichkeiten für die Speicherung genannt und schließlich wurde die Energieerzeugung aus Wasserstoff untersucht und belegt, um eventuell auftretende Hindernisse beim Einsatz eines Fahrzeugs aufzuzeigen und mögliche Maßnahmen anzugeben. Weiterhin wurden die Eigenschaften der Eisenbahnnetze sowie ihre Gestaltung betrachtet. Ebenso wurden die betrieblichen Anforderungen sowie die Verbindungsmöglichkeiten untersucht.
Es wurde ein algorithmisches Verfahren entwickelt, durch welches die optimale Fahrzeuganzahl eines Netzes ermittelt wurde. Dafür wurden Kenngrößen wie die Reisezeit, die Ankunfts- und die Abfahrtszeit, die Wendezeit, Zeiten für Tankvorgänge und andere Services sowie die mögliche Reichweite eines Zuges in die Untersuchung mit aufgenommen. Des Weiteren wurde angesichts der Infrastruktureigenschaften ein Fahrzeug mit geeignetem Antriebssystem ausgewählt.
Zudem wurde ein Verfahren entwickelt, in dem ein Verhältnis zwischen den Eigenschaften des Zuges, des Betriebsprogramms und der Infrastruktur hinsichtlich der Maximalfahrgeschwindigkeit, der gewünschten Reisezeit (Ankunfts- und Abfahrtszeit), des Abstands zwischen den Haltestellen und des Energieverbrauchs untersucht wurden. Daraufhin wurden für die jeweilige Fahrt unterschiedliche Fahrweisen ermittelt und ihre Wirkung auf die Betriebsqualität des Netzes untersucht. Hierbei wurde die Qualität einer Fahrt erhöht.
Zum Abschluss wurden die Einsatzmöglichkeiten sowie die Anwendbarkeit des Verfahrens überprüft. Dazu wurde der Verkehr in einem Modellnetz als Beispiel verwendet. Die Anwendung der entwickelten Verfahren hat deutlich bewiesen, dass eine optimale Fahrzeuganzahl im Netz und Fahrten mit einem minimalen Energieverbrauch sowie einer gewünschten Betriebsqualität ermittelt werden können. Durch diese Ergebnisse kommt man dem Einsatz von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben im Eisenbahnnahverkehrssystem und damit der Verbesserung der Umwelteinflüsse einen Schritt näher.

Abstract

Due to environmental pollution and exhaustion of traditional fuels as well as the relationship between oil depletion and its increasing prices a replacement of the conventional fuels with renewable ones in all modes of transportation is a priority requirement. Methods and concepts in several transport systems have already been elaborated and are well applied. Railway transport already achieved the purpose of economical and eco-friendly transportation. The ecological advantages of this system should not only be maintained but also expanded. Therefore, developing innovative concepts and methods for alternative fuel usage in railway systems are needed. In this work hydrogen will be deemed as alternative fuel.
First, it is important to know how and under which conditions conventional drives can be replaced by alternative ones economically to increase the ecological advantages of the railway system. Moreover, disadvantages that may be appearing through this replacement have to be evaluated. Also, the advantages that will result through the application of the developed methods on a traditional drive also be determined. In all of those study area one should be ensured: Duties of the railway system, either with a traditional drive or with an alternative one, must be fulfilled. These duties include: attractive services, good connection, continual drive, higher accessibility and confidential timetable.
In this thesis, operational concepts were developed in order to make the application of alternative vehicle drives in the railway transport system economically possible. First, production of hydrogen, methods of storage and types of hydrogen power generation systems were been defined and investigated. Those were important to define the potentially occurring obstructs by operating alternative vehicle drives and the necessary arrangements due to this operating. From the above, boundary conditions and requirements for successful alternative vehicle drives application in the railway transport system were determined. Furthermore, the properties of different railway networks and their lines were analyzed. Additionally, the necessary connections and the operational requirements of the railway network system were determined.
In addition to a new method for optimizing the necessary number of trains in a railway line and the total minimum train number in the railway network within one day were developed. It was then important to define the governing parameters such as journey time, arrival and departure time of the train, required time for refueling, time for train allocation as well as the train travel coverage distance. Thereby, a suitable algorithm was developed. Using this algorithm the goal of optimization was achieved. Due to infrastructure properties and the features of each vehicle drive system a suitable drive system was selected. The modeling of a method based on the realization of the interdependency between the properties of the infrastructure, the timetable operating program and the vehicle drive characteristics were developed. Through this method many ways of driving depending on the distance between two stops, arrival and departure time of the train, required journey time, energy consumption and the allowable maximal velocity were determined. Thus, one of these ways of driving has been chosen according to its effects on the operational quality and the required expenditure of energy.
Finally, all methods were applied to a model of railway network to prove their applicability and feasibility. Comparing the results and the evaluation of the conditions (before and after) show that the total number of trains in a railway network, the energy consumption as well as the operational quality regarding the selected way of driving were optimized.