Bahnstrom

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Bahnstrom ist elektrische Energie, die für den Antrieb von elektrischen Triebfahrzeugen bei der Eisenbahn (Straßen-/Stadtbahnen, Hoch-/Untergrundbahnen und Gebirgs- bzw. Bergbahnen) verwendet wird. Die Zuführung des elektrischen Stroms erfolgt über Stromabnehmer, der/die mit einer Oberleitung oder Stromschiene(n) verbunden ist/sind. Der Stromkreis wird über die Schienen als Rückleiter wieder geschlossen. Für den Rückstrom wird vereinzelt, z.B. bei der Londoner U-Bahn, eine zusätzliche Stromschiene verwendet.

Historisch entwickelten sich in den verschiedenen Ländern oder bei unterschiedlichen Bahngesellschaften verschiedene Stromsysteme, die oft unabhängig vom öffentlichen Stromnetz eines Landes sind.

Drei Bahnstrom-Systeme nördlich des Londoner Bahnhofs Farringdon: linkes Gleispaar der U-Bahn mit Gleichstrom über zwei Stromschienen, rechtes Gleispaar der Thameslink-Strecke mit durchgehender 25 kV/50 Hz-Oberleitung und dem Beginn der in Südengland üblichen 750 V-Stromschiene

Geschichte[Bearbeiten]

Wegen der technisch anspruchslosen Regelbarkeit und des hohen Stillstandsdrehmoments erwies sich der Gleichstrom-Reihenschlussmotor als idealer Antrieb für Schienenfahrzeuge. Solche Motoren vertragen aber keine hohe Spannung und benötigen umso höhere Stromstärken, diese wiederum erfordern große und teure Querschnitte der Oberleitung oder Stromschiene. Bei größerem Abstand der Haltepunkte erweist es sich daher als wirtschaftlicher, die Lokomotiven mit Wechselstrom höherer Spannung zu versorgen und einen Transformator einzubauen. Die zu seinem ständigen Mittransport erforderliche Energie ist geringer, als es Verluste in der Fahrleitung wären.

Das Gewicht eines Transformators ist im Wesentlichen von seinem Eisenkern bestimmt. Dieses wiederum ist annähernd umgekehrt proportional der Frequenz des Wechselstroms. Aufgrund der beherrschbaren Technologie im Transformatorenbau hatte sich eine Frequenz von 50 Hz in den europäischen Netzen durchgesetzt. Durch die an den Kollektoren entstehenden Bürstenfeuer gelang es jedoch nicht, Motoren im erforderlichen Leistungsbereich mit einer Frequenz von 50 Hz zu betreiben. Daher entstanden Bahnstromnetze mit 25 Hz und 16⅔ Hz. Um mit rotierenden synchronen Umformern Bahnstrom aus dem 50-Hz-Stromnetz erzeugen zu können, wählte man die Teilerfaktoren 2 bzw. 3. Der Einsatz von modernen asynchronen Umformern bei einem ganzzahligen Teilungsverhältnis erwies sich bei hohen Leistungen allerdings als problematisch, so dass die Sollfrequenz vieler Netze inzwischen auf 16,7 Hz geändert wurde, wobei 16⅔ Hz innerhalb der Toleranz liegt.

Der heutige Stand der Technik im Bereich der Leistungselektronik macht die verminderte Frequenz des Wechselstroms nicht mehr zwingend. Moderne Fahrzeuge sind meist mit Gleichstrommotoren mit einer Nennspannung von 6 kV ausgestattet, mit einem Transformator mit 25 kV Primärspannung und Anzapfung bei 15 kV lassen diese sich als Mehrsystemfahrzeuge ausrüsten. Eine Umstellung des Bahnstroms auf 25 kV/50 Hz ist derzeit im Bereich der Deutschen Bahn nicht möglich, da der erforderliche erhöhte Sicherheitsabstand der Oberleitung zu vorhandenen Brücken nicht gegeben ist. Bei Neubauten werden jedoch größere Abstände eingeplant. Die ausstehende europaweite Vereinheitlichung der Bahnstromsysteme ist im grenzüberschreitenden Verkehr ein verhältnismäßig kleines Problem – die Mehrkosten für den Transformator in Mehrsystemfahrzeugen sind gering im Vergleich mit den Kosten für die mehrfachen Zugsicherungssysteme und die nationalen Zulassungsverfahren.

Außerdem wird der Zeitpunkt einer möglichen Umstellung des Bahnstroms in Deutschland beeinflusst durch die Nutzungsdauer der älteren Baureihen mit Wechselstrommotoren, die sich schwer umrüsten lassen. Die 103, 141 und 150 sind bereits ausgemustert, unter den Einheitslokomotiven verbleiben die 110, 140, 139, einige der jüngeren 111 sowie 151. Wenn auch die Reichsbahn-Baureihen 112, 114, 143 und 155 ausgemustert sind, verbleiben im Bestand der Deutschen Bahn ausschließlich Drehstrom-Loks. Eine Umstellung ist dann einfach – als Gegenwert kann auf die Unterhaltung eines eigenständigen 110 kV-Hochspannungsnetzes verzichtet werden und die Unterwerke können an die Hochspannungsnetze der allgemeinen Energieversorgungsunternehmen angebunden werden. Da die Hochspannungsnetze schon errichtet sind, besteht kein Handlungsbedarf und die Ausmusterung der älteren Baureihen kann noch Jahrzehnte dauern.

Stromsysteme[Bearbeiten]

Gleichstrom[Bearbeiten]

Fahrzeugseitig ist Gleichstrom die einfachste Lösung. Es ist kein (schwerer) Transformator notwendig. Zudem sind Gleichstrommotoren bei gleicher Leistung kleiner als Wechselstrommotoren, was insbesondere bei beengten Raumverhältnissen günstig ist. Die Leistungssteuerung der Motoren kann zudem recht einfach – wenn auch verlustreich – über Vorwiderstände erfolgen, über die die Motorspannung reguliert wird.

Gleichstromsysteme eignen sich daher besonders für Untergrund-, Stadt- und Straßenbahnen. Bei U-Bahnen werden in der Regel Stromschienen verwendet, weil eine Oberleitung ein größeres Tunnelprofil erfordern würde. Stromschienen können aber aus Sicherheitsgründen nur mit niedrigen Spannungen (in der Regel 500–1200 V) betrieben werden. Bei Straßenbahnen spielen neben den technisch einfacheren Fahrzeugen ebenfalls Sicherheitsgründe eine Rolle, denn ein Mittelspannungs-Oberleitungsnetz über Straßen und zwischen Gebäuden wäre zu gefährlich.

Für Vollbahnen sind Gleichstromnetze weniger geeignet, finden aber trotzdem in vielen Ländern Verwendung, z. B. in Italien, Slowenien, den Niederlanden, Belgien, Osteuropa, Spanien, Südfrankreich, Südafrika und Japan (meist 1,5 oder 3 kV). Die Nachteile ergeben sich hier aus der relativ geringen Spannung: Gleichstrommotoren konnten früher maximal mit etwa 1,5 kV betrieben werden; selbst bei einer Reihenschaltung zweier Motoren konnte deshalb die Fahrspannung nicht höher als 3 kV gewählt werden. Verglichen mit den bei Wechselstrombetrieb heute üblichen Spannungen von 15 kV oder 25 kV ist dies ein relativ niedriger Wert, weswegen für die für den Bahnbetrieb erforderlichen hohen Leistungen sehr große Stromstärken notwendig sind. Dies erfordert auch eine andere Konstruktion der Oberleitung (oft mit mehreren Leitern) und der Stromabnehmer oder sogar die Verwendung von zwei Stromabnehmern hintereinander.

Auch die konventionelle Leistungssteuerung über Vorwiderstände ist entsprechenden Regelungssystemen bei Wechselstrom unterlegen, da sie den an sich recht guten Wirkungsgrad der Elektromotoren deutlich verschlechtert: Die Widerstände heizen sich auf und werden deshalb oft auf dem Dach der Fahrzeuge angeordnet. Dieser Nachteil entfällt bei neueren Fahrzeugen, in denen mit Hilfe der Leistungselektronik die Gleichstrommotoren über Thyristorsteller gespeist werden oder der Gleichstrom in Drehstrom umgewandelt wird, so dass die einfachen und robusten Asynchronmotoren verwendet werden können. Dennoch fällt bei modernen Mehrsystem-Triebfahrzeugen die Leistung unter Gleichstrom in der Regel geringer aus, weil der Nachteil hoher zu übertragender Ströme unverändert besteht.

Die Stromversorgung gleichstrombetriebener Bahnen erfolgt schon seit den 1920er Jahren durch Gleichrichtung in aus dem öffentlichen Netz gespeisten Unterwerken, wobei früher Quecksilberdampf- und heute Gleichrichter aus Halbleitern zum Einsatz kommen. Die Unterwerke werden auch bei Vollbahnen in der Regel aus dem Mittelspannungsnetz gespeist.[1]

Wechselstrom[Bearbeiten]

Wechselstrom kann als Bahnstrom, genauso wie für die öffentliche Elektrizitätsversorgung, einfach erzeugt (Generator) und in Transformatoren umgespannt und verteilt werden.

Das Stromsystem des Antriebs ist dabei von dem der Energiezuführung zu unterscheiden. Es gibt für jeden Anwendungsfall eine passende Möglichkeit, beliebige Stromsysteme auf Antriebs- und Netzseite mittels Leistungselektronik miteinander zu koppeln. Bei elektronisch geregelten Bahnfahrzeugen mit entsprechenden Wechselrichtern kann der elektrische Energiefluss dabei in beiden Richtungen erfolgen, d. h. das Fahrzeug entnimmt bei Beschleunigung elektrische Energie aus dem Versorgungssystem und beim Abbremsen des Fahrzeugs wird ein Teil der elektrischen Energie zurück in das Netz gespeist.

Einphasensysteme[Bearbeiten]

Wechselstrom mit Standard-Industriefrequenz[Bearbeiten]

Die weltweit größte Verbreitung bei Bahnen hat Wechselstrom mit der landesüblichen Netzfrequenz (meist 50 Hz, in den USA und teilweise in Japan 60 Hz).

Die Betriebsspannung ist dabei meist 25 kV, in den USA (Lake Powell Railway) und Südafrika (Erzbahn Sishen–Saldanha Bay) gibt es Bahnen mit 50 kV.

Der Vorteil der Verwendung der Standard-Netzfrequenz besteht darin, dass eine Speisung aus dem öffentlichen Stromnetz zumindest theoretisch leicht möglich ist. In der Praxis besteht dabei jedoch die Gefahr von Schieflasten im Industrienetz. Zu deren Vermeidung werden 20 bis 60 km lange Fahrleitung­sabschnitte an die drei verschiedenen Phasen des 50-Hz-Netzes angeschlossen. In der Oberleitung sind zwischen den Fahrleitungsabschnitten Phasenschutzstrecken angeordnet, die von den Triebfahrzeugen mit Schwung und gesenktem Stromabnehmer befahren werden. 50-Hz-Bahnen können nur an Stellen höchster Netzleistung, wo die Schieflast prozentual unbedeutend ist, vom öffentlichen Stromnetz versorgt werden. Ansonsten sind bahneigene Hochspannungsleitungen notwendig.[2]

Anfangs war nachteilig, dass die notwendigen Motoren groß und für die hohe Frequenz nicht geeignet waren, der Wechselstrom deshalb gleichgerichtet werden musste und dazu Leistungselektronik benötigte. Dafür wurden Leistungsgleichrichter benötigt, eine Technik, die erst Anfang der 1940er Jahre beherrscht wurde. Anfangs kamen dabei noch Quecksilberdampfgleichrichter zum Einsatz; erst in den 1960er Jahren setzten sich Halbleitergleichrichter durch.

Die Spannung wurde anfangs wie bei den mit reduzierter Frequenz betriebenen Lokomotiven über Stelltransformatoren geregelt, später wurde eine Regelung über Phasenanschnittsteuerung typischerweise mit Thyristoren eingesetzt.

Wechselstrom mit verminderter Frequenz[Bearbeiten]
Einphasentransformator für 16⅔ Hz im Wasserkraftwerk Hakavik

In einigen europäischen Ländern (Deutschland, Österreich, Schweiz, Schweden, Norwegen) fahren die Eisenbahnen mit Einphasenwechselstrom mit einer gegenüber den öffentlichen Stromnetzen verminderten Frequenz von 16,7 Hz statt 50 Hz.

Außerdem gibt es auch Bahnstromsysteme mit 25 Hz. Noch heute werden der Abschnitt New York–Washington des Ostküstennetzes in den USA sowie die Mariazellerbahn mit dieser Frequenz betrieben.

Da Wechselstrom eine Transformierung der Fahrdrahtspannung auf die für die Motoren geeignete Spannung zulässt, kann eine deutlich höhere Fahrdrahtspannung gewählt werden als bei Gleichstrombetrieb (anfangs ca. 5 kV, heute in den am Anfang des Abschnitts genannten Ländern 15 kV). Die Transformatoren waren als Stelltransformatoren ausgeführt (siehe auch Stufenschalter für Leistungstransformatoren) und ermöglichen eine Spannungsregelung ohne Verwendung von Widerständen. Das Gewicht der Transformatoren ist der leistungsbegrenzende Faktor bei Elektrolokomotiven.

Die gegenüber den öffentlichen Stromnetzen verminderte Frequenz wurde Anfang des 20. Jahrhunderts gewählt, weil es nicht möglich war, große Einphasen-Elektromotoren mit hohen Frequenzen zu betreiben, da es dabei durch die sogenannte transformatorische Spannung zu übermäßiger Funkenbildung am Kommutator kam. Historisch bedingt wurde mit Maschinenumformern oder Generatoren gearbeitet, durch deren Polteilung die Netzfrequenz von 50 Hz gedrittelt wurde, also 16⅔ Hz als Frequenz des Bahnstroms ergab. Der tatsächliche Wert der Frequenz schwankte jedoch abhängig von der Drehzahlkonstanz des Generators.

Bei der Umformung der Bahnenergie mittels Synchron-Synchron-Umformern beträgt die Frequenz des Bahnstroms in der Praxis exakt ein Drittel der momentanen Netzfrequenz des speisenden Landesnetzes. Derartige Umformer sind unter anderem in Schweden und im Nordosten Deutschlands in Betrieb.

Trotz der größeren Verbreitung des 50-Hz-Systems betrachten heute Experten das 16,7-Hz-System nicht als minderwertig.[3] Wie bereits erwähnt ist die Versorgung einer Bahnlinie mit 50 Hz aus dem Landesnetz wegen der Gefahr einer Schieflast nicht unproblematisch. Die verminderte Netzfrequenz hat zudem den Vorteil, dass die durch Blindleistung verursachten Spannungsabfälle nur ein Drittel so groß sind.[2] Andererseits müssen die Transformatoren größer sein und die Unterwerke können nicht direkt aus dem öffentlichen Stromnetz versorgt werden. Oft werden aus diesem Grund völlig unabhängige Netze mit Bahnstromleitungen unterhalten. Das Bahnstromnetz ermöglicht es aber auch, den Strom am günstigsten Ort zu produzieren oder einzukaufen.[2] Die Masten dieses Netzes haben üblicherweise zwei Leiterpaare (2 × Einphasenleitung).

16⅔ Hz gegenüber 16,7 Hz[Bearbeiten]
Umformer für Bahnstrom mit 25 MVA im Umformerwerk Karlsruhe

Die Netzfrequenz des Bahnstromnetzes wird, ebenso wie die 50-Hz-Netzfrequenz des Europäischen Verbundnetzes, in einem bestimmten Toleranzbereich gehalten. Die aktuelle tatsächliche Netzfrequenz ist unter anderem von der aktuellen Nachfrage und dem aktuellen Angebot an elektrischer Energie abhängig und daher schwankend. Der Toleranzbereich für 16,7 Hz-Systeme im Bahnstromnetz beträgt 16,5 Hz bis 16,83 Hz während 99,5 % eines Jahres und 15,67 Hz bis 17,33 Hz während der restlichen 0,5 % eines Jahres.[4][5]

Zum Leistungsausgleich zwischen dem Bahnstromnetz und dem europäischen Verbundnetz werden unter anderem Umformer eingesetzt. Dies ist eine mechanische Kombination zweier rotierender elektrischer Maschinen, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt, von denen eine als Motor und eine als Generator arbeitet. Damit kann zwischen den verschiedenen Stromnetzen mit unterschiedlicher Netzfrequenz Leistung übertragen werden. Bei den dabei verwendeten doppelt gespeisten Asynchronmaschinen – diese Maschinen werden anstatt von Synchronmaschinen eingesetzt, um den Leistungsfluss und dessen Richtung am Umformer steuern zu können – ist ein Schlupf notwendig. Die Einstellung des Leistungsflusses erfolgt mittels Regler über den mit Schleifringen ausgeführten Läuferkreis.[6]

Da der Sollwert der Netzfrequenz im europäischen Verbundnetz mit 50 Hz exakt der dreifache Wert des ehemaligen Sollwertes 16⅔ Hz im Bahnstromnetz ist, kam es in der Vergangenheit besonders zu lastschwachen Zeiten wie in der Nacht dazu, dass der für die Asynchronmaschine nötige Schlupf null wurde. In diesem synchronen Lauf kommt es im Läuferkreis zu einer unerwünschten Gleichstromkomponente auf einer Phase, welche zu einer ungleichmäßigen thermischen Belastung der Maschine führt und in Extremfällen den thermischen Betriebsschutz und eine Notabschaltung auslösen kann.

Durch eine Versetzung der Sollfrequenz der Regelung seit 1995 von 16⅔ Hz auf nun 16,7 Hz – dies entspricht einer Abweichung von 0,2 % und liegt innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches – wird auch in lastschwachen Betriebszeiten ein geringer Schlupf in der Asynchronmaschine gewährleistet. Dadurch wird in diesem stationären Fall der dann langsam rotierende Gleichstromanteil gleichmäßig über die Phasen des Läuferkreises und die Bürsten der Schleifringe verteilt, womit auch die thermische Belastung verteilt wird und lokale Überhöhungen vermieden werden. Zwar kann auch mit der neuen Sollfrequenz von 16,7 Hz bei Schwankungen der Frequenz kurzzeitig ein unerwünschter Synchronlauf im Maschinensatz auftreten, allerdings ist dies durch die Regelung nur ein vorübergehendes Ereignis, welches nicht als stationärer Betriebszustand auftreten kann. Damit wird die thermische Belastung der Komponenten der Umformer in zulässigen Grenzen gehalten.

Dass genau 16,7 Hz gewählt wurden, hat dabei keine tiefere Bedeutung; bei zu großer Verschiebung hätte es Probleme mit Triebfahrzeugen gegeben, deren Technik für eine Frequenz um 16⅔ Hz ausgelegt ist.[7] Die Bahnstromnetze von Deutschland, Österreich und der Schweiz stellten am 16. Oktober 1995 um 12:00 Uhr die Sollfrequenz auf 16,7 Hz um.[8] Bei den auf Leistungselektronik basierenden HGÜ-Kurzkupplungen spielt die Umstellung der Bahnfrequenz keine Rolle, ebenso in elektrisch vom restlichen Bahnnetz isolierten Abschnitten, welche mit rotierenden Umformern aus Synchronmaschinen betrieben werden.

Zweiphasensysteme[Bearbeiten]

Zweiphasensysteme werden auch als „Zweispannungssysteme“ oder Autotransformatorsystem bezeichnet. Solche Systeme sind bei verschiedenen mit 50 Hz elektrifizierten HGV-Strecken in Frankreich sowie in Belgien, den Niederlanden Luxemburg und Italien zu finden. Bei den mit 16,7 Hz betriebenen Netzen ist in Deutschland erst eine Pilotanlage zwischen Stralsund und Prenzlau in Betrieb.

Dreiphasensysteme (Drehstrom)[Bearbeiten]

Drehstrom, genauer Dreiphasenwechselstrom, ist aufgrund der guten Eigenschaften des Drehstrommotors geradezu prädestiniert für den Eisenbahnantrieb, weil Asynchronmotoren sehr robust und wartungsarm sind, weil sie ohne Bürsten auskommen und bezogen auf ihre Leistung ein relativ geringes Gewicht haben.

Verwendung von extern erzeugtem Drehstrom[Bearbeiten]

Die meisten historischen Anwendungen des Drehstromantriebes arbeiteten mit Zuleitung über mehrpolige Oberleitungen. Dabei war nachteilig, dass Asynchronmotoren nur mit bestimmten, von der Frequenz abhängigen Drehzahlen wirtschaftlich betrieben werden können. Demnach müsste also zur Veränderung der Fahrgeschwindigkeit die Frequenz kraftwerksseitig verändert werden, solange eine Frequenzumrichtung auf der Lokomotive nicht möglich war. Dies eignete sich aber nur für Versuche, nicht für den praktischen Betrieb. Durch eine besondere Schaltung der Motoren (Polumschaltung) können diese zwar für mehrere Drehzahlen ausgelegt werden, eine feinstufige oder kontinuierliche Veränderung wie bei Gleichstrommotoren ist jedoch nicht möglich.

Dreipolige Oberleitung der Königlich Preußischen Militär-Eisenbahn

Ein weiterer Nachteil eines Drehstrom-Bahnsystems ist die Notwendigkeit einer dreipoligen Stromzufuhr, was bei Verwendung der Schienen als einer der Pole eine zweipolige Oberleitung erfordert. Diese ist jedoch kompliziert (vor allem an Weichen und Kreuzungen) und störanfällig (Kurzschlussgefahr).

Tatsächlich fanden Drehstrom-Bahnstromnetze daher nur sehr begrenzt Verwendung: In Norditalien hat es von 1912 bis 1976 längere Zeit ein größeres Drehstromsystem gegeben (3,6 kV/16⅔ Hz). Die Gornergratbahn (750 V/50 Hz) und die Jungfraubahn (1125 V/50 Hz) fahren noch heute mit Drehstrom, außerdem die Chemin de Fer de la Rhune (3 kV/50 Hz) in den französischen Pyrenäen sowie die Corcovado Bergbahn (800 V, 60 Hz).

In den Jahren 1901 bis 1903 gab es Versuchsfahrten mit Drehstrom-Schnelltriebwagen auf einer Militär-Eisenbahn zwischen Marienfelde und Zossen bei Berlin. Dabei wurde eine dreipolige Oberleitung mit übereinander liegenden Drähten verwendet, die seitlich abgegriffen wurden. Am 28. Oktober 1903 wurde dort mit 210,2 km/h ein Geschwindigkeitsweltrekord aller Verkehrsmittel aufgestellt, der erst 1931 mit dem Schienenzeppelin gebrochen wurde, der 230 km/h erreichte.

Zu den Passionsspielen 1900 wurde 1899 die Ammergaubahn mit Drehstrom elektrifiziert. Nachdem der Praxisbetrieb scheiterte, bauten die Siemens-Schuckertwerke die Spannungsversorgung und die Fahrzeuge 1904–1905 erfolgreich auf Einphasen-Wechselspannung mit 15 Hz um.

Drehstrom-Antrieb mit bordeigener Drehstrom-Umwandlung[Bearbeiten]

Durch die Verwendung von Leistungselektronik können moderne Lokomotiven in beliebigen Bahnstromnetzen die Vorteile des Drehstroms nutzen, ohne dessen Nachteile bei der Zuführung zum Fahrzeug in Kauf nehmen zu müssen. Spannung und Frequenz können dabei auf elektronischem Weg stufenlos geregelt werden (Frequenzumrichter). Diese Art des Antriebs hat sich heute als allgemein üblich durchgesetzt. Die erste Lokomotive, die Einphasen-Wechselstrom mit Leistungselektronik an Bord in Drehstrom umgewandelt hat, war 1972 die Versuchslok Be 4/4 12001 der Schweizerischen Bundesbahnen. 1979 folgten die ersten Exemplare der Baureihe 120 der Deutschen Bundesbahn. Es gab auch Lokomotiven, bei denen die Umformung an Bord mit rotierenden Umformern erfolgte.

Stromversorgung[Bearbeiten]

Bahnstromnetze des Eisenbahn-Fernverkehrs in Europa

Erzeugung und Verteilung der Elektroenergie[Bearbeiten]

Bahnen, die mit Wechselstrom betrieben werden, dessen Frequenz von der des öffentlichen Netzes abweicht, beziehen ihre Energie entweder aus der Umwandlung anderer Energieträger in einem Bahnkraftwerk oder durch Frequenzumformung in sog. Umformer- oder Umrichterwerken aus dem öffentlichen Hochspannungsnetz. Dabei kann die Versorgung auf einem Bahnstromnetz (zentral) oder einer dezentralen Versorgung basieren. Die Steuerung der Anlagen erfolgte früher weitgehend in den Anlagen selbst. Heute werden Stromerzeugung und Steuerung der Anlagen getrennt.

Bahnstromnetz[Bearbeiten]

Aus Gründen der Netzverfügbarkeit und der Betriebssicherheit werden die Bahnstromversorgung für die Traktion und für die Nebenanlagen in der Regel getrennt geführt. Zudem ist das europäisch weitgehend einheitliche Netz mit der Frequenz von 50 Hz nicht mit allen Netzen der Traktionsversorgung und deren verschiedenen Frequenzen kompatibel.

Zentrale Versorgung[Bearbeiten]

In einem Bahnstromnetz mit zentraler Versorgung erfolgt die Bahnenenergieerzeugung in Kraftwerken. Der Transport der Energie zur Bahnstrecke wird über Bahnstromleitungen zu den Unterwerken an der Bahnstrecke realisiert. Im Unterwerk wird die Spannung der Bahnenergieleitung gegebenenfalls auf Fahrdrahtspannung transformiert und in die Oberleitung eingespeist. Das Bahnstromnetz erlaubt es daher, Energie ohne Frequenzumformung in andere Regionen zu transportieren. Die hier verwendeten Umrichter- bzw Umformerwerke werden aufgrund ihrer Verwendung im Stromerzeugungsnetz als zentrale Umrichter- bzw Umformerwerke bezeichnet. Die Steuerung der Schaltanlagen erfolgte früher in den jeweiligen Stromerzeugern bzw. in kleinen Fernsteuerungseinheiten und wird heute in Leitstellen erledigt. Der Nachteil dieses Aufbaus ist, dass bei einem Ausfall einer Versorgungseinheit das gesamte Netz in Mitleidenschaft gezogen werden kann. Bahnstromnetze gibt es in Deutschland, Österreich und der Schweiz (16,7 Hz), diese sind zudem untereinander verbunden. Auch die Strecke New York–Washington (25 Hz) und die Mariazellerbahn (25 Hz) verfügen über ein Bahnstromnetz.

Dezentrale Versorgung[Bearbeiten]

Bei der dezentralen Struktur erfolgt der Energiebezug aus dem öffentlichen Netz. Die Unterwerke an den Einspeisepunkten haben statische Umrichter oder rotierende Umformer, in dem die Spannung und die Frequenz des allgemeinen Stromnetzes in den Bahnstrom transformiert wird (dezentrale Umrichter- bzw. Umformerwerke). Im Prinzip wäre die Speisung auch durch ein nahe gelegenes Bahnstromkraftwerk möglich.

Der wesentliche Unterschied zum zentral versorgten Bahnstromnetz liegt darin, dass die Umformerwerke insbesondere zur Phasensynchronisation lediglich über die Oberleitung mit gleichen Umformerwerken parallel geschaltet werden. Separate Bahnstromleitungen bzw. Bahnstromnetze sind hier nicht vorhanden. Dies wird in Schweden, Norwegen, Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern und Teilen von Sachsen-Anhalt praktiziert. Die Steuerung der Anlagen erfolgt in den Leitstellen.

Spannungsebenen bei Bahnstromnetzen[Bearbeiten]

Wie im öffentlichen Stromnetz gibt es mehrere Spannungsebenen, eine Hochspannungsebene und eine Mittelspannungsebene. Die Hochspannungsebene wird in Deutschland und Österreich mit 110 kV, im Bereich der Wiener S-Bahn auch mit 55 kV betrieben und dient zum Transport des Bahnstroms von den Bahnkraftwerken zu den Unterwerken. Gelegentlich hängen sie an Masten, die auch Stromkreise des öffentlichen Hochspannungsnetzes tragen. In der Schweiz gibt es zwei Hochspannungsebenen (132 kV und 66 kV) mit praktisch äquivalenter Funktion. Die in allen drei Ländern mit 15 kV betriebene Mittelspannungsebene entspricht der Fahrdrahtspannung und dient dazu, den Triebfahrzeugen den Bahnstrom über die Oberleitung zuzuführen. Abweichend vom Standard beträgt die Fahrdrahtspannung im Schmalspurnetz der Rhätischen Bahn und der Matterhorn-Gotthard-Bahn aus historischen Gründen nur 11 kV.

Anwendungsbeispiele[Bearbeiten]

Ein eigenes Bahnstromnetz mit Einphasenwechselstrom 25 Hz hat die Mariazellerbahn. Bei dieser Bahn beträgt die Spannung in den an den Oberleitungsmasten montierten Leiterseilen der Bahnstromleitungen 27 kV und in der Oberleitung 6,5 kV.

In den USA werden einige Strecken der ehemaligen Pennsylvania Railroad zwischen New York, Philadelphia und Washington noch mit Einphasenwechselstrom verminderter Frequenz betrieben (25 Hz, obwohl die Frequenz des öffentlichen Stromnetzes in den USA 60 Hz beträgt), wobei nur noch der Personenverkehr mit elektrischer Traktion verkehrt. Auch diese Bahnen besitzen ein eigenes Hochspannungsnetz, die Leiterseile der Bahnstrom-Hochspannungsleitungen sind hier meistens an den Oberleitungsmasten montiert.

Italien verfügte für die Versorgung seiner mit Drehstrom elektrifizierten Strecken (3,6 kV 15 Hz) in Norditalien über ein mit 60 kV betriebenes Bahnstromnetz, das aus Wasserkraftwerken und einem thermischen Kraftwerk gespeist wurde. Für die Speisung der Fahrleitung kamen auch fahrbare Unterwerke zum Einsatz.[9]

Bei Bahnen, die mit Einphasenwechselstrom von Netzfrequenz oder Gleichstrom fahren, wird die zum Betrieb nötige Energie in den Unterwerken durch Verketten der Phasen des Drehstromsystems (im Fall von Wechselstrombahnen) und mit Gleichrichtung (im Fall von Gleichstrombahnen) gewonnen. Dedizierte Bahnstromleitungen existieren in diesen Fällen nur vereinzelt.

Bahnkraftwerke[Bearbeiten]

Ein Bahnkraftwerk ist ein Kraftwerk, welches Bahnstrom erzeugt. Während die Österreichischen Bundesbahnen fast reine Bahnkraftwerke betreiben, sind solche in anderen Ländern, wie beispielsweise in Deutschland, eher selten. Weitaus verbreiteter sind Kraftwerke, in denen sich sowohl Industriestromgeneratoren, als auch Bahnstromgeneratoren befinden. Bahnkraftwerke sind als Wasserkraftwerke, konventionelle Wärmekraftwerke und Kernkraftwerke ausgeführt. Wind- und Solarkraftwerke wurden für die alleinige Erzeugung von Bahnstrom noch nicht realisiert.

Die Bahnstromgeneratoren für Wechselstrom mit verminderter Frequenz sind erheblich größer als die für das öffentliche Stromnetz, die zugehörigen Turbinen sind Sonderanfertigungen.

Deutschland[Bearbeiten]

Kraftwerke in Deutschland, die ganz oder teilweise der Bahnstromerzeugung dienen:

Existierende Wasserkraftwerke[Bearbeiten]
Existierende Kernkraftwerke[Bearbeiten]

Dieser Teil der Bahnstromversorgung ist abweichend von der aktuellen Werbestrategie der DB AG[10][11] kein "grüner Bahnstrom" im Sinne des allgemeinen Begriffsverständnisses.

Existierende Thermische Kraftwerke[Bearbeiten]

Weiterhin bestehen Verbindungen zu den Kraftwerken der Österreichischen und der Schweizerischen Bundesbahnen, über die mit dem deutschen Bahnstromnetz elektrische Energie ausgetauscht werden kann.

Prozentualer Anteil bei der Erzeugung von Bahnstrom in Deutschland
Kraftwerkstyp Installierte Leistung Erzeugte Energie
Dampfkraftwerke 42,2 % 66,0 %
Wasserkraftwerke 11,0 % 10,0 %
Umformer 34,3 % 14,6 %
Umrichter 11,9 % 9,4 %
Gesamt 3,2 Gigawatt 11 Terawattstunden/Jahr
Ehemalige Anlagen[Bearbeiten]

Österreich[Bearbeiten]

Die Österreichischen Bundesbahnen[12] produzieren ihren Bahnstrom zum überwiegenden Teil selbst. Die Energie wird derzeit zu 93 Prozent aus erneuerbarer Energieträgern (zumeist Wasserkraftanlagen) gewonnen. Sechs Prozent der Energie wird aus Windenergie und Biomasse zugekauft.[13] Überdies wurden Verhandlungen geführt über mögliche Beteiligungen an Windkraftanlagen. So wurden 2010 von Windanlagenbauer Leitner Gespräche bestätigt und als mögliche Standorte das Burgenland angeführt.[14] Im Burgenland verfügt die ÖBB derzeit über keine Anlagen zur Stromerzeugung.

Bahneigene Kraftwerke[Bearbeiten]

Alle bahneigenen Kraftwerke werden unbesetzt betrieben und von der Zentralen Leitstelle Innsbruck gesteuert und überwacht.

Spullersee
Dieses Speicherkraftwerk wurde in den Jahren zwischen 1919 und 1925 als zweites Kraftwerk der Österreichischen Staatsbahnen zur Versorgung der Arlbergbahn errichtet. Der Bau eines derartigen Großkraftwerks war zur damaligen Zeit eine technische Pionierleistung und fand Bewunderung in ganz Europa.
Braz
Dieses Laufkraftwerk befindet sich 10 km westlich vom Kraftwerk Spullersee. Es wurde in den Jahren zwischen 1947 und 1954 zur Deckung des erhöhten Energiebedarfs der Österreichischen Staatsbahnen errichtet. Das Kraftwerk Braz bildet die Unterstufe des Kraftwerkes Spullersee. Das Kraftwerk Braz wird von der Alfenz beziehungsweise mit vom Kraftwerk Spullersee abgearbeitetem Wasser bedient.
Fulpmes
Dieses Laufkraftwerk wurde in den Jahren zwischen 1977 und 1983 etwa 20 km südlich von Innsbruck im Gemeindegebiet Fulpmes im Stubaital errichtet. Die Besonderheit daran ist, dass es in der schwedischen Bauweise, d.h. als Schachtkraftwerk errichtet wurde. Das Triebwasser wird unterhalb von Fulpmes im Stubaital gefasst. Die installierte Leistung beträgt 15 MW, wobei zwei Francisturbinen bei einem Gefälle von 182 m arbeiten. Vor der Fertigstellung des Kraftwerkes Fulpmes betrieben die ÖBB das „Ruetzkraftwerk“ in Schönberg, das ursprünglich zur Stromlieferung an die Mittenwaldbahn erbaut wurde.
Enzingerboden
Dieses Spitzenkraftwerk mit dem Jahresspeicher Tauernmoos und den Vorspeichern Weißsee, Amersee und Salzplattensee sowie den Beileitungen Nord (6 km) und Süd (8 km) ist die Hauptstufe der Werksgruppe Stubachtal.
Schneiderau
Dieses Kraftwerk ist die mittlere Stufe in der Werksgruppe Stubachtal. Es nutzt das Unterwasser des Kraftwerkes Enzingerboden, die Zuflüsse aus dem Zwischeneinzugsgebiet sowie die Abflüsse des in das Wasserschloss eingeleiteten Wiegenbaches.
Uttendorf I
Dieses Kraftwerk mit drei Maschinensätzen ist die unterste Stufe in der Erzeugung Versorgungsbereich Mitte. Es nutzt das Unterwasser des Kraftwerkes Schneiderau und die Zuflüsse aus dem Zwischeneinzugsgebiet der Stubache sowie den übergeleiteten Ödbach.
Uttendorf II
Dieses Kraftwerk nutzt unter Beibehaltung der bestehenden Kraftabstiege Schneiderau und Uttendorf I zusätzlich, jedoch gesondert die Fallhöhe zwischen Enzingerboden und Wirtenbach.
Obervellach
Dieses Laufkraftwerk wurde gemeinsam mit dem Speicherwerk Kraftwerk-Enzigerboden 1929 für die 16,7 Hz-Bahnstromversorgung der Gisela-Bahn in Betrieb genommen. Seit der Elektrifizierung der Tauernbahn 1935 werden außerdem die beiden Steilrampen mit jeweils 700 Höhenmetern versorgt.
Obervellach II
Erst in Planung wird Obervellach II ab 2016 um 30 Prozent mehr Strom liefern als die alten Anlagen bei Obervellach und Malnitz es heute tun. Derzeit steht allerdings noch die Umweltverträglichkeitsprüfung aus.
Lassach
Dieses Laufkraftwerk wurde 1905 im Zuge der Baustelleneinrichtung für den Eisenbahn-Tauerntunnel errichtet. Es liegt zwischen Obervellach und Mallnitz am Mallnitzbach. Es liefert keinen Bahnstrom, sondern Drehstrom, der in das Netz der „KELAG“ (Kärntner Elektrizitäts-Aktiengesellschaft) eingespeist wird.
Rosenbach
Dieses wurde 1902 im Zuge der Baustelleneinrichtung für den Eisenbahn-Karawankentunnel errichtet. Es liefert keinen Bahnstrom, sondern Drehstrom.
Bahnfremde Kraftwerke[Bearbeiten]
Wienerbruck
Dieses Speicherkraftwerk wird von der „EVN AG“ (Energieversorgung Niederösterreich AG) betrieben, die für die Oberleitung der Mariazellerbahn zuständig ist. Das Speicherkraftwerk liegt in Annaberg im südlichen Niederösterreich und wird vom Wasser der Lassing und der Erlauf mit einer Gesamtleistung von 6,6 MW gespeist. Hiervon werden 4,5 MW als Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 25 Hz für die Mariazellerbahn bereitgestellt.
Weyer
Dieses Laufkraftwerk am oberösterreichischen Ennsfluss nahe der steirischen Grenze wird von der Ennskraftwerke AG im Schwellbetrieb betrieben. Die Gesamtleistung der beiden Maschinensätze beträgt 36,8 MW. Die Leistung des Maschinensatzes für Einphasenwechselstrom beträgt 18 MW.
St. Pantaleon
Dieses Ausleitungskraftwerk an der Mündung der Enns in die Donau wird von der Ennskraftwerke AG im Schwellbetrieb betrieben. Die Gesamtleistung der beiden Maschinensätze beträgt 51,9 MW. Die Leistung des Maschinensatzes für Einphasenwechselstrom beträgt 25 MW.

Schweiz[Bearbeiten]

In der Schweiz wird der Bahnstrom zum Teil aus Kraftwerken der SBB und aus fremden Kraftwerken gewonnen.[15]
Siehe auch: Liste von Bahnstromanlagen in der Schweiz

Kraftwerke der SBB[Bearbeiten]
Kraftwerke mit SBB-Beteiligung[Bearbeiten]
Fremde Kraftwerke[Bearbeiten]

Umformer-/Umrichterwerke[Bearbeiten]

Ansicht eines fahrbaren Umformers der ehemaligen DR

Die Schnittstelle zwischen dem öffentlichen Hoch- bzw. Höchstspannungsnetz und dem Bahnstrom-Hochspannungsnetz bildet ein Bahnstromumformer- bzw. Bahnstromumrichterwerk. Während für das öffentliche Höchstspannungsnetz Dreiphasen-Wechselstrom mit Spannungen wie 220 kV oder 380 kV und einer Frequenz von 50 Hz üblich sind, führen Bahnstrom-Hochspannungsnetze fast überall nur eine Wechselstrom-Phase, wobei in Deutschland, Österreich und der Schweiz die Frequenz 16,7 Hz und Spannungen von 66, 110 oder 132 kV üblich sind. Neben den mittlerweile als betagt angesehenen Umformern, bei denen die Netze zwischen Generator und Motor mechanisch durch rotierende Massen zwischen den beiden Stromsystemen gekoppelt sind, werden in Deutschland seit 2002 Systeme ohne mechanische Teile eingesetzt, die allein mit elektronischen Bauteilen den Strom wandeln. In diesem Fall spricht man von Umrichtern.[16] Die Umformerwerke werden sukzessive durch Umrichterwerke ersetzt.

Bahnstromumformerwerke in Deutschland[Bearbeiten]

Zentrale Umformer-/Umrichterwerke[Bearbeiten]
Anlage Jahr der
Inbetriebnahme
Angewandte Technik Maximale
Übertragungsleistung
Bemerkungen
Hamburg-Harburg Umformer
Bremen 1996/2012 GTO-Thyristor 100/80 MW Standort Kraftwerk Mittelsbüren
Chemnitz 1965 Umformer außer Betrieb wird aus wirtschaftlichen Gründen saniert
Lehrte Umformer/Umrichter 37 MW rotierend/ 2 × 32 MW statisch
Limburg IGCT-Umrichter 120 MW acht Einheiten zu 15 MW
Borken Umformer 25 MW zwei Einheiten zu 12,5 MW
Jübek Umrichter (GTO) 14 MW Erster Bahnstromumrichter
Dresden-Niedersedlitz 1977 Umformer 3 × 40 MW 1 × außer Betrieb
Köln 1957/2011 Umformer/Umrichter 75 MW/80 MW
Düsseldorf Umformer
Singen Umformer
Karlsfeld 1999 IGCT/GTO-Thyristor 100 MW / 132 MVA zwei Umrichterblöcke, Betreiber: E.ON
Saarbrücken Umformer
Nürnberg-Stein Umformer
Karlsruhe 1957 Umformer 53 MW zwei Umformersätze, Generator: 26,5 MVA, Motor: 31,25 MVA
Neu-Ulm 1972 Umformer
Neckarwestheim 1989 Umformer 140 MW auf dem Areal des Kernkraftwerks Neckarwestheim
Weimar 1973 Umformer sowohl zentral als auch dezentral genutzt; außer Betrieb
Karlsruhe 2 × Umformer á 25 MW Maschine 2 hat zusätzlichen Generator für den Eigenbedarf
Hof (OT: Unterkotzau) 2013/2014 2 × Umformer á 18,5 MVA Strombezug aus dem 50Hz-Netz der E.ON
Dezentrale Umformer-/Umrichterwerke[Bearbeiten]

Folgende Umformerwerke stammen aus dem zum großen Teil durch Umformung aus dem 50 Hz Landesnetz direkt gespeisten Netz der Deutschen Reichsbahn und wurden zunächst im Dreischichtbetrieb in Zwei-Mann-Besetzung, später Ein-Mann-Besetzung, und ab Mitte der 1990er Jahre zum Teil ferngesteuert betrieben. Die Umrichterwerke entstammen jüngerer Zeit und ersetzen sie zunehmend bzw. werden deutschlandweit neu errichtet.

Anlage Jahr der
Inbetriebnahme
Angewandte Technik Bemerkungen
Adamsdorf 1984 Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Anklam Umformer Neuinbetriebnahme am 25. Juni 2010
Berlin-Rummelsburg 1984 Umformer letztes ständig besetztes Umformerwerk; 2011 stillgelegt
Bützow Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Cottbus 1989 Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Doberlug-Kirchhain 1981 (Umformer)
2008 (Umrichter)
Umformer/Umrichter ständig besetztes Umformerwerk wurde 2008 ersetzt durch ein ferngesteuertes Umrichterwerk
Eberswalde 1987 Umformer durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz, außer Betrieb
Falkenberg/Elster 1987 Umformer Umstieg auf Fernsteuerung, durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz 2002 außer Betrieb; Abriss 2008
Frankfurt (Oder) Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Halle (Saale) Umformer nach der Wende (DDR) außer Betrieb; teilweise abgerissen
Lalendorf Umformer abgerissen
Löwenberg Umformer durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz außer Betrieb
Ludwigsfelde 1981 Umformer durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz außer Betrieb; abgerissen
Lübeck-Genin 2008 Umrichter
Magdeburg 1974 Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Neustadt (Dosse) Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Oberröblingen Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Prenzlau Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Roßlau (Elbe) Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Rostock 1985 Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Schwerin 1987 Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Senftenberg 1988 Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Stendal Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Stralsund Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Wittenberg 1978 Umformer außer Betrieb
Weimar 1973 Umformer sowohl zentral als auch dezentral genutzt; außer Betrieb
Wittenberge 1987 Umformer Betrieb durch Fernsteuerung
Wolkramshausen 2002 (Umrichter) Umformer/Umrichter Umformerwerk 2002 ersetzt durch ein Umrichterwerk
Wünsdorf 1982 Umformer durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz außer Betrieb; Abriss seit 2008
Wustermark Umformer außer Betrieb

Bahnstromumformerwerke in Österreich[Bearbeiten]

Von der ÖBB Infrastruktur AG werden folgende Umformerwerke betrieben:[17]

Auhof
Für die elektrische Versorgung der Westbahn sowie später ebenso der Südbahn war es in den 1950er Jahren erforderlich, Umformerwerke im Osten Österreichs zu errichten. Das Umformerwerk Auhof im 13. Wiener Gemeindebezirk nahm 1956 den Betrieb mit zwei Umformersätzen auf. 1960 wurde es mit einem dritten Umformersatz erweitert. Da die Maschinen fast ständig unter Volllast laufen mussten, erkannten die ÖBB in den 1980er Jahren, dass in den nächsten Jahren eine Sanierung anstehen würde. 1990 entschlossen sich die ÖBB zu einer Generalerneuerung des Umformerwerks bei gleichzeitiger Leistungserhöhung von 61,5 MW auf 90 MW. Nach dem im September 1990 erfolgten Baubeginn wurden zwei Umformersätze 1998 und der dritte Umformersatz im August 2000 in Betrieb genommen. Umgangssprachlich wird es auch „Umspannwerk Auhof“ bezeichnet.
Bergern
Die Abdeckung des erhöhten Strombedarfs wegen weiterer Elektrifizierungen, Verdichtung des Nahverkehrs, Geschwindigkeitserhöhungen und Komfortverbesserungen durch den Einsatz von klimatisierten Reisezugwagen machte die Errichtung einer zusätzlichen Energiequelle für Bahnstrom in Ostösterreich erforderlich. Etwa 6 km westlich von Melk wurde in den Jahren 1979 bis 1983 das Umformerwerk Bergern errichtet. Der Standort des Umformerwerkes ergab sich durch die Einspeisung des Donaukraftwerkes Melk und durch die Lage der Gemeinschaftsanlage mit der Energieversorgung Niederösterreich Aktiengesellschaft (EVN AG) und mit der Verbund AG.
Kledering
Der wachsende Energiebedarf im Osten Österreichs sowie der Bau des Zentralverschiebebahnhofs Wien führte Ende der 1980er Jahre zum Beschluss der Errichtung einer weiteren Bahnversorgungsanlage im Wiener Raum. Das Umformerwerk Kledering wurde in den Jahren 1986 bis 1989 errichtet und befindet sich unmittelbar neben dem Zentralverschiebebahnhof an der Ostbahn. Nachdem die beiden ersten Maschinensätze 1989 in Betrieb genommen wurden, erfolgte 1990 die Komplettierung mit dem dritten Umformersatz.
Ötztal
Im Gemeindegebiet Haiming, rund 50 km westlich von Innsbruck wurde in den Jahren 1992 bis 1995 das Umformerwerk Ötztal errichtet. Der Standort neben der Arlbergbahn wurde wegen der in 600 m Entfernung vorbeiführenden 110-kV-Bahnstromleitung gewählt. Die Anlage umfasst zwei Maschinensätze und dient weiters als Unterwerk zur Stromversorgung der Arlbergbahn.
Sankt Michael
Bereits bei der Errichtung des Unterwerkes Sankt Michael im Jahr 1963 auf die Erweiterung durch eine Umformerwerksanlage Rücksicht genommen. Das in den Jahren 1972 bis 1975 errichtete Umformerwerk Sankt Michael dient zur Bahnstromversorgung der Bundesländer Steiermark und Kärnten. Der Standort in der Obersteiermark ergab sich durch die Kreuzung zweier Trassen der 110-kV-Bahnstromleitungen und durch die Nähe des Umspannwerks Hessenberg der Verbundgesellschaft.

Bahnstromumformerwerke in der Schweiz[Bearbeiten]

In der Schweiz gibt es acht Bahnstromumformerwerke[18], eines ist in Bau. Diese sind:

  • Rupperswil
  • Seebach
  • Wimmis
  • Kerzers
  • Giubiasco
  • Massaboden (Kraftwerk mit Umformer)
  • Grafenort (zb, in Bau)
  • Bever (RhB)
  • Landquart (RhB)

Unterwerke (Uw)[Bearbeiten]

Unterwerk in Waiblingen
Unterwerk bei Paris
Fahrbares Unterwerk in Neuchâtel, Schweiz

Ein Unterwerk entspricht etwa einem Umspannwerk im öffentlichen Netz. Ein Unterwerk transformiert die Energie aus dem Hochspannungsnetz in das Oberleitungsnetz.

Es werden Wechselstrom-Unterwerke eingesetzt, die Strom mit Frequenzen von 16,7 (DB, SBB und ÖBB), 25, 50 oder 60 Hz und Spannungen zwischen drei und 50 kV erzeugen. In Deutschland und Österreich sind Unterwerke nur für die Spannungsänderung zuständig. Im Sprachgebrauch werden daher oftmals auch Umformerwerke als Unterwerke bezeichnet, was jedoch nur eine Verallgemeinerung darstellt. Es werden Wechselstrom-Unterwerke eingesetzt, die Strom mit Spannungen zwischen drei und 50 kV erzeugen.

Bei einem Bahnstrom-Unterwerk der DB, SBB oder ÖBB wird Einphasenwechselstrom aus dem Hochspannungsnetz (siehe oben), von 132, 110 oder 66 kV für die Einspeisung in die Fahrdraht auf 15 kV hinuntertransformiert, die Frequenz von 16,7 Hz ändert sich dabei nicht.

In Deutschland, der Schweiz und einigen anderen Ländern finden auch fahrbare Unterwerke (fUw) Verwendung. Sie sind so aufgebaut, dass sie ohne größere Anpassung auch über das Schienennetz an einen anderen Standort versetzt werden können.

In der Schweiz sind an verschiedenen Stellen Anschlüsse ans Hochspannungsnetz vorbereitet, so dass die fahrbaren Unterwerke bei besonderen Bedürfnissen (Revision an festen Unterwerken, temporäre Großverkehre) an andere Standorte verschoben werden können. Die SBB hat derzeit 18 fahrbare Unterwerke, bestehend aus einem vierachsigen Kommandowagen und einem achtachsigen Transformatorwagen, im Bestand.

Bei Unterwerken für Gleichstrombahnen (S-Bahn Berlin und Hamburg, Straßenbahnen, U-Bahnen, Industriebahnen im Bergbau) wird die Drehstromwechselspannung eines öffentlichen oder bahneigenen Stromnetzes durch einen Gleichrichter in Gleichspannung umgerichtet. Hierfür kommen Silizium-Dioden zum Einsatz. Früher wurden hierfür rotierende Umformer und wasser- bzw. luftgekühlte Quecksilberdampfgleichrichter verwendet.

Zur Vermeidung von elektrolytischer Korrosion und Vormagnetisierung von Wechselstromanlagen durch vagabundierende Gleichströme ist der an die gleichzeitig als Rückleitung dienenden Gleise angeschlossene Pol der Gleichspannung entlang der Gleise galvanisch von der Erde getrennt und nur beim Unterwerk über Dioden oder direkt mit systemfremden geerdeten Teilen (z. B. Wasserleitungen) verbunden. Die Oberleitung ist in der Regel positiv, sodass sich entlang des Schienenweges aufgrund des Laststromes immer nur ein positives Potential der Gleise gegenüber der Erde aufbaut. Dadurch bleibt die Elektrokorrosion auf die Schienen selbst beschränkt und schädigt keine systemfremden, in der Erde liegenden Metallteile. Bei zu hohen Potentialunterschieden zwischen Rückleitung und Erde kommen selbsttätige, sogenannte Erdungskurzschließer zur Anwendung.

Betriebsführung von Bahnstromnetzen[Bearbeiten]

Der Betrieb der Bahnstromnetze wird wie bei allen anderen Elektroenergieversorgungsnetzen von einer oder mehreren Leitstellen aus überwacht. Diese tragen je nach Land und auch aus der Historie heraus verschiedene Bezeichnungen wie Lastverteilung, Netzleitstelle, Zentralschaltstelle usw. Die Leitstellen haben unter anderem die Aufgabe, den Schaltzustand der Netze zu überwachen, durch planmäßige Schalthandlungen und Schalthandlungen im Störungsfall die Versorgung zu sichern, planbare Schaltungen unter dem Gesichtspunkt der Versorgungssicherheit zu koordinieren.

Deutschland[Bearbeiten]

Die oberste Zentralschaltstelle (ZES) von DB Energie befindet sich am Firmensitz in Frankfurt/Main. Es gibt 18 regionale Zentralschaltstellen (Stand 2008) im Netz der Deutschen Bahn. Die modernsten rechnergesteuerten ZES befinden sich in Berlin, Leipzig, Borken (Hessen) und Karlsruhe.

Österreich[Bearbeiten]

Zentrale Leitstelle Innsbruck
Bereits im Jahr 1925, zur Aufnahme des elektrischen Betriebes der Arlbergbahn, wurde zur Aufnahme des Verbundbetriebs der Kraftwerke Spullersee und Schönberg der Lastverteiler in Innsbruck in Betrieb genommen. Dieser hatte die Aufgabe, die Stromerzeugung zu steuern, die Synchronität der einzelnen Kraftwerke zu regeln und die Speisung der Unterwerke mit dem erforderlichen Bahnstrom sicherzustellen.

Seit August 1998 ist der Lastverteiler (Zentrale Leitstelle Innsbruck) in einer der modernsten Leitwarten Europas untergebracht. Von hier aus wird der Maschineneinsatz der Kraft- und Umformerwerke entsprechend der Belastungssituation im Bahnnetz zentral gesteuert und über Online-Programme optimiert.[19] Ebenso werden von der Leitstelle Innsbruck sämtliche 110-kV- beziehungsweise 55-kV-Übertragungsleitungen des ÖBB-Bahnstromnetzes überwacht und die erforderlichen Schaltungen vorgenommen. Die Steuerung von Arbeitseinsätzen, oder Schalthandlungen im Störungsfall zur Fehlereingrenzung und Wiederversorgung für alle österreichischen Übertragungsleitungen liegen damit in einer Hand. Bei Ausfällen von Kraftwerken oder Versorgungsleitungen durch Naturereignisse (heftige Niederschläge, Gewitter, Lawinen) können damit durch rasches Einschreiten großräumige Versorgungsengpässe verhindert werden. Darüber hinaus können erforderliche Maßnahmen, wie Entstörungsaufträge an die zuständigen Mitarbeiter (außerhalb der normalen Dienstzeit an die Rufbereitschaft), Betriebseinschränkungen, Energiefahrplanänderungen auf schnellstem Weg erfolgen.

Regionale Leitstellen
Ergänzend zur Zentralen Leitstelle Innsbruck haben die ÖBB vier regionale Leitstellen installiert. Diese haben die Aufgabe, den Lastausgleich zwischen den 56 Unterwerken herzustellen.

Schweiz[Bearbeiten]

Die Zentrale Netzleitstelle (ZLS) der SBB wird vom Geschäftsbereich Energie der Division Infrastruktur in Zollikofen betrieben. Von dort aus können die Kraftwerke und fast alle Umrichterwerke ferngesteuert werden.

Stromverbrauch und -herkunft bei der Deutschen Bahn[Bearbeiten]

Herkunft des Bahnstroms 2011 (Strommix) der Deutschen Bahn AG[20]

Der Stromverbrauch der Deutschen Bahn AG lag 2012 bei rd. 12.000 GWh. Gegenüber dem Vorjahr war er nahezu gleich geblieben.[21] Der Bahnstrom stammte zu 45 % aus Kohlekraftwerken (vorwiegend Steinkohle), zu 22 % aus Atomkraftwerken, zu ebenfalls 22 % aus Erneuerbaren Energien (zur Hälfte Wasserkraftwerke, die etwa 12 % des Strombedarfs decken), zu 9 % aus Gaskraftwerken und zu 2 % aus sonstigen Anlagen.[20] Dieser Strommix entspricht bei den Anteilen von Kohle- und Atomstrom nahezu genau dem bundesweiten Durchschnitt. Der Anteil von Strom aus Erneuerbaren Energien liegt wegen des höheren Anteils von Wasserkraftwerken etwas höher als der bundesweite Durchschnitt. Entsprechend geringer ist der Anteil der Gaskraftwerke. Im Jahr 2011 kaufte die Deutsche Bahn AG zusätzlich 275 GWh Strom aus Erneuerbaren Energien für „die grünen DB-Angebote“ zu. (2,5 % des Gesamtverbrauchs).[20]

Die Ausgaben für Strom sind in den Jahren 2011 und 2012 gemäß Jahresbericht der Deutschen Bahn AG nahezu gleich hoch bei rd. 1,05 Mrd. € gewesen – wie der nahezu gleich gebliebene Verbrauch.[22] Bei Gesamtausgaben von rd. 37 Mrd. €.[23] nehmen die Stromkosten 2012 einen Anteil von knapp 3 % an den Gesamtausgaben der Deutschen Bahn ein.

Der Kostenaufwand je Kilowattstunde Strom lag für die Deutsche Bahn AG 2012 bei 8,75 ct/kWh (Ausgaben von 1,05 Mrd. € für den Stromverbrauch von 12.000 GWh). Zum Vergleich: Der Preis für Industriestrom lag 2012 in Deutschland im Mittel bei rd. 13 ct/kWh.

Bahnstrom und EEG-Umlage[Bearbeiten]

Mit dem derzeitigen EEG ist die Deutsche Bahn AG beim Strombezug von der EEG-Umlage überwiegend befreit, da stromintensive Unternehmen des produzierenden Gewerbes sowie Schienenbahnen in ihrer internationalen und intermodalen Wettbewerbsfähigkeit durch eine besondere Ausgleichsregelung geschützt werden sollen. Auf Grund dieser Regelungen (EEG 2012 § 40 mit zugehörigen Regelungen §§ 41 – 44) wird auf den Strombezug nur bis 1 GWh/a die EEG-Umlage in voller Höhe berechnet. Für den Stromanteil zwischen 1 und 10 GWh/a sind 10 % der EEG-Umlage zu bezahlen. Für den Stromanteil zwischen 10 und 100 GWh/a sind 1 % der EEG-Umlage zu bezahlen. Die Eigenerzeugungsanlagen sind grundsätzlich von der EEG-Umlage befreit.

Gemäß der Stromlieferverträge der DB Energie wird als EEG-Umlage ein Zuschlag von 1,0 Cent bzw. 0,1 Cent je kWh (mit genehmigtem Härtefallantrag nach EEG 2012 § 40;ff.) erhoben.[24]

Anfang 2013 wurden mit der „Energiepreisbremse“ als Änderungsvorschlag von Umweltminister Altmaier beide Regelungen – teilweise Befreiung von der EEG-Umlage für stromintensive Unternehmen und Befreiung der Eigenerzeugungsanlagen - zur Diskussion gestellt. Die Deutsche Bahn AG sah sich bei deren Umsetzung mit Mehrausgaben von jährlich 500 Millionen Euro belastet, von denen 137 Millionen Euro durch den möglichen Entfall der geminderten EEG-Umlage entstehen würden und 350 Millionen Euro durch die mögliche Einführung der EEG-Umlage für selbsterzeugten Strom.[25]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Hartmut Biesenack: Energieversorgung elektrischer Bahnen, Vieweg+Teubner-Verlag, 2006 ISBN 3-519-06249-6[26]

Normen[Bearbeiten]

  • EN 50163: Bahnanwendungen – Speisespannungen von Bahnnetzen (Deutschland: DIN EN 50163; VDE 0115-102:2005-07 und DIN EN 50163/A1 VDE 0115-102/A1:2008-02; Österreich: ÖVE/ÖNORM EN 50163 Ausgabe: 1. April 2008)

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Podstacja WSTOWO krótki opis. podstacja.internet.v.pl. Abgerufen am 7. Juni 2011.
  2. a b c  Walter von Andrian: Der Blackout bei den SBB. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr. 8, Minirex, Luzern 2005. S. 373–379
  3.  Walter von Andrian: Fachtagung „100 Jahre Hochleistungstraktion“. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr. 8, Minirex, Luzern 2013. S. 406
  4. DIN EN 50163/A1 (VDE 0115-102/A1):2008-02, Abschnitt 4.2
  5. Umstellung der Bahnnetzfrequenz von 16 2/3 auf 16,70 Hz, abgefragt am 3. Dezember 2011.
  6.  Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 14. Auflage. Hanser, 2009, ISBN 978-3-446-41754-0 (Kapitel 5).
  7.  C. Linder: Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2/3 Hz auf 16,70 Hz. In: Elektrische Bahnen. Heft 12, Oldenbourg-Industrieverlag, München 2002, ISSN 0013-5437 (Online).
  8.  Bahnen ändern Frequenz. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr. 11, Minirex, Luzern 1995. S. 460
  9. Nico Molino, Trifase in Italia 1902–1925, ISBN 88-85361-08-0 und 1925-1976, ISBN 88-85361-12-9
  10. Bahnstrom Regenerativ Endbericht (PDF; 3,7 MB)
  11. DB: Grüne PR statt grünem Strom
  12. ÖBB Infrastruktur:Daten zur Energieversorgung
  13. ÖBB Infrastruktur:93 Prozent erneuerbare Energie
  14. Leitner-Windparks mit ÖBB?:Verhandlungen mit den ÖBB laufen
  15. Bahnstrominfrastruktur der SBB, Seite 24 (pdf; 3,37 MB)
  16. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatGlossar der DB Energie. Abgerufen am 25. Oktober 2007.
  17. ÖBB-Infrastruktur AG: Energieverteilung
  18. Strompanne der SBB vom 22. Juni 2005, Seite 24 (PDF; 3,5 MB)
  19. ÖBB Bau AG: Zentrale Leitstelle Innsbruck
  20. a b c Deutsche Bahn AG: Kennzahlen und Fakten zur Nachhaltigkeit 2011 (PDF; 891 kB), Berlin, abgerufen am 12. Juli 2013
  21. Deutsche Bahn AG: Daten und Fakten 2012 (PDF; 8,8 MB) S. 27, Berlin 2013, abgerufen am 13. Juli 2013
  22. Deutsche Bahn AG: Geschäftsbericht 2012 (PDF; 8,8 MB) S. 144, Berlin 2013, abgerufen am 13. Juli 2013
  23. Deutsche Bahn AG: Geschäftsbericht 2012 (PDF; 8,8 MB) S. 2, Berlin 2013, abgerufen am 13. Juli 2013
  24. DB Energie (Hrsg.): Bahnstrompreise 2012 (PDF; 4,6 MB). In: EnergieNews vom Dezember 2011, S. 3. Online auf dbenergie.de.
  25. Die Welt: Altmaier-Plan könnte Fahrpreise der Bahn erhöhen, Ausgabe 14. März 2013, abgerufen am 12. Juli 2013
  26. Energieversorgung elektrischer Bahnen