Oben ohne – aber wie?

Für die oberleitungsfreie Straßenbahnen gibt es mehrere Technologien. Einige sind bereits seit Jahrzehnten im Einsatz, andere sind kaum über den Prototyp hinausgekommen. Nun geht es um die eigentlich spannende Frage: Wie funktioniert das technisch? Wie bei vielen Themen gibt es auch hier eine Vielzahl an Optionen. Wir stellen sie euch vor, beleuchten Vor- und Nachteile und gehen bei dem aktuellen Favoriten, den sogenannten SuperCaps, tiefer ins Detail.

Dass die CityBahn – so zumindest die aktuellen Prüfungen – auf einigen Abschnitten ohne Oberleitung fahren soll, haben wir bereits in einem früheren Artikel dargelegt. Auch, welche Abschnitte es warum werden sollen. 

Bereits 1875 bis 1896 fuhren die Wiesbadener Straßenbahnen ohne Oberleitung: Zuerst mit einem 1-PS-Pferdeantrieb, ab 1889 mit Dampf. Und obgleich die Kombination zwischen Pferdeantrieb und Rasengleis die Möglichkeit mitbrächte, dass auch unterwegs nachgetankt werden kann, gibt es inzwischen modernere Lösungen für eine oberleitungsfreie Führung. 

Ganz ohne Oberleitung: APS

Die wohl bekannteste oberleitungsfreie Straßenbahn ist die von Bordeaux. Als in der französischen Hafenstadt von 2000 an eine neue Straßenbahn eingeführt wurde, setzten die Verantwortlichen hier auf APS (Alimentation par le sol), entwickelt vom französischen Straßenbahnhersteller Alstom. Beim APS verläuft mittig zwischen den Straßenbahnschienen eine dritte, stromführende Schiene – zwei Abnehmer unterhalb der Züge stellen den Kontakt her. Die Stromschiene besteht aus acht Meter langen Segmenten, die immer nur dann Spannung führen, wenn sich eine Straßenbahn darüber befindet. Eine Gefährdung von anderen Verkehrsteilnehmern ist damit ausgeschlossen.

Die Straßenbahn Bordeaux verkehrt dank APS innerstädtisch komplett oberleitungsfrei; nur in den Vororten wird auf konventionelle Oberleitung umgestellt. Auch die Städte Sydney, Reims, Angers, Orléans und Tours entschieden sich für einen (abschnittsweisen) oberleitungsfreien Betrieb mittels APS. Rio de Janeiro und Dubai setzen im kompletten Netz auf diese Technik.

Nach massiven Kinderkrankheiten in den Anfangsjahren ist das APS heute weitgehend ausgereift. Es bleibt allerdings anfällig gegenüber stehendem Wasser nach starken Regenfällen sowie beispielsweise Laub und Schnee.

Wechselstelle in Angers: Bis hier fährt die Bahn mit Oberleitung, ab hier geht’s mit APS weiter.
(Roehrensee, Avrillé IMG 8153, CC BY-SA 3.0 DE)

Neben der erhöhten Anfälligkeit sind die Kosten ein schwerwiegender Faktor. So liegen die zusätzlichen Kosten pro Zug bei rund 300.000 Euro (Stand 2011) bei neuen Zügen, für die Umrüstung von alten Zügen bei 400.000 Euro. Der Bau der für die Stromversorgung notwendigen Infrastruktur wird – je nach Quelle – mit knapp 1,8 Millionen Euro pro Kilometer geschätzt (und damit in etwa das Dreifache der konventionellen Oberleitung).

Aus diesem Grund ist das System in den meisten Städten auch nur in Teilabschnitten im Einsatz. Beim Kauf der Straßenbahnen macht man sich außerdem von einem einzigen Hersteller abhängig. Weiterer Nachteil: Konstruktionsbedingt verhindert das APS, dass die Bremsenergie der Straßenbahnen ins Netz zurückgespeist wird. Wenn die Bahnen die Energie wieder aufnehmen sollen, müssen sie dafür eine zusätzliche Batterien oder SuperCaps mitführen.

Das italienische Konkurrenzsystem TramWave ist bislang nur im chinesischen Zhuhai im Einsatz. Auch das Bombardier-System Primove, welches vorbeifahrende Straßenbahnen mittels Induktion mit Energie versorgt, hat es nicht in den flächendeckenden Einsatz geschafft – bislang existiert hier nur eine Teststrecke in Augsburg. Der Einsatz von Batterien erwies sich als effizienter, sodass Primove für Straßenbahnen seit 2011 nicht weiterverfolgt wird. Die Primove-Technologie wird allerdings in mehreren Städten für Busse getestet.

Statt Leitung: Diesel und Wasserstoff

Statt den Strom zur Straßenbahn zu bringen, kann sie diesen natürlich auch selbst erzeugen – per Dieselaggregat oder Brennstoffzelle. In der Tat fahren in Chemnitz und Nordhausen Straßenbahnen, die mit Dieselaggregat betrieben werden – allerdings nur auf Teilstrecken. Die meisten innerstädtischen Verbindungen funktionieren weiterhin mit konventioneller Oberleitung.

Eine Combino Duo in Nordhausen. Im Hintergrund endet die Oberleitungsstrecke, ab hier gehts mit Diesel weiter.
(Falk2, I09 063 Oskar-Cohn-Straße, EVT 202, CC BY-SA 4.0)

Bei der Straßenbahn Nordhausen sind seit 2003 drei Combino Duo-Hybridstraßenbahnen im Einsatz, die auf der Linie 10 knapp elf Kilometer weit auf der nicht elektrifizierten Harzquerbahn fahren. Die CityBahn Chemnitz setzt für ihre Überlandlinien Zweikraftstraßenbahnen des Herstellers Vossloh ein. 

Reine Diesel-Straßenbahnen sind nicht in Betrieb. Die Nachteile hier sind vergleichbar mit den Nachteilen von Diesel- gegenüber Oberleitungsbussen: Emissionen, Lärm, Vibrationen, Platzverbrauch durch Motor und Tank, deutlich schlechteres Anfahrdrehmoment, fehlende Möglichkeit der Rückspeisung. Darüber hinaus ist in vielen Einsatzgebieten von Straßenbahnen (Innenstädte) eine Elektrifizierung relativ einfach – der Strom ist oftmals ja schon vor Ort.

Obgleich Brennstoffzellen schon lange verfügbar sind, werden sie erst seit kurzem für den Schienenverkehr genutzt. So liefert Alstom in den nächsten Jahren den ersten Großauftrag an Wasserstoff-betriebenen Regionalzügen nach Frankfurt, einen zweiten nach Niedersachsen. Reine Wasserstoff-Straßenbahnen (“Hydrotrolleys”) sind derzeit allerdings wenig verbreitet. 2015 stellte die chinesische Firma Sifang die erste, rein Wasserstoff betriebene Straßenbahn der Öffentlichkeit vor. Seither sind diese eher punktuell im Einsatz. 

SuperCaps und Batterien

Kommen wir zu den am meisten verbreiteten und auch für die CityBahn wahrscheinlichsten Alternativen: Batterie und Kondensatoren. 

Batterien, zumeist basierend Lithium-Ionen-Technologie, sind weit verbreitet – ob in Handys, Notebooks oder Elektroautos und -bussen. Straßenbahn-Batterien basieren auf demselben Prinzip – sind nur deutlich größer. Kondensatoren (SuperCaps) hingegen sind bislang vor allem in Schienenfahrzeugen im Einsatz.

Obwohl sich Art und Einsatz von Batterien und Kondensatoren unterscheiden, erfüllen sie letztlich für Straßenbahnen dieselbe Funktion wie für andere Elektrogeräte: Sie speichern Energie und geben diese zu einem späteren Zeitpunkt wieder ab. Mit Hilfe der gespeicherten Energie können die Bahnen dann kurze Abschnitte ohne Oberleitung überbrücken.

Mit Hilfe von SuperCaps verkehrt die Straßenbahn Sevilla rund um die Kathedrale ohne Oberleitungen.
(Sevilla-3-17 flickr photo by ajay_suresh shared under a Creative Commons (BY) license )

Im Detail gibt es handfeste Vorteile, die für die SuperCaps sprechen: Die Kondensatoren vertragen deutlich stärkere Stromflüsse, sie können also binnen Sekunden geladen werden. Eine Stärke, die sie besonders an Haltestellen ausspielen können: Beim Bremsen und Anfahren der Bahnen fließen in kurzer Zeit hohe Ströme, die in der Form von herkömmlichen Batterien nicht aufgenommen werden könnten. Weiterer Vorteil der SuperCaps: Lithium-Ionen-Akkus verlieren bereits nach wenigen tausend Ladezyklen spürbar an Leistung. SuperCaps hingegen überstehen mehrere hunderttausend Zyklen ohne Einbußen.  

Nachteilig wirkt sich bei SuperCaps hingegen aus, dass sie gegenüber Batterien eine deutlich geringere Energiedichte aufweisen. Heißt: Pro Kilogramm Gewicht kann nur ein Bruchteil der Energie gespeichert werden. Gleiches Gewicht vorausgesetzt, kann mit einer Batterie allerdings zumindest ein längerer, oberleitungsfreier Abschnitt überbrückt werden. Moderne SuperCaps – so wird es auch in den Untersuchungen für CityBahn angegeben – erlauben den Straßenbahnen (je nach Steigung), zwischen einem und zwei Kilometer ohne Oberleitung zu fahren. 

Batterien und SuperCaps haben – neben der Möglichkeit, oberleitungsfrei zu fahren – noch einen weiteren Vorteil: Ihr Einsatz kann massiv Energie sparen. Dazu aber in einem separaten Artikel mehr.

Fazit

Wegen den höheren Baukosten, der Anfälligkeit und der fehlenden Kompatibilität mit der Mainzer Straßenbahn wird die CityBahn vermutlich nicht mit dem APS oder vergleichbaren Systemen gebaut. Und während die Strecke nach Taunusstein ein wenig an die Harzquerbahn und damit an den Dieselantrieb erinnert, ist ein Dieselaggregat für beispielsweise die Biebricher Innenstadt eher nicht das Mittel der Wahl. Eine Kombination aus Diesel, Batterie und SuperCaps verteuert die Bahnen aber massiv; jede Technik benötigt außerdem Platz und erhöht das Gewicht der Bahnen. Wahrscheinlich wird es also auf den Einsatz von SuperCaps hinauslaufen – selbst wenn es in Wiesbaden keine oberleitungsfreien Abschnitte geben wird. Dafür sind die Potentiale der Energieeinsparung zu verlockend.

Zum Weiterlesen

Hinweis: Wir legen bei unseren Artikeln Wert auf solide, objektive, nachvollziehbar gestaltete Texte. Daher findest Du auch eine Vielzahl an Quellenverweisen und Belegen, Grafiken, Fotos und Erörterungen – zuweilen auch wohlbegründete Schlussfolgerungen. Nichtsdestotrotz sind wir eine rein ehrenamtliche Truppe und haben auch keinen Zugriff auf geheime Quellen. Auch wir kennen nur das, was öffentlich ist, wir uns erarbeiten und recherchieren. Fehler sind also nicht ausgeschlossen. Wenn Du Verbesserungsvorschläge hast, weitere wichtige Quellen kennst oder fachliche Fehler – her damit. Am besten per Mail oder unten in die Kommentare.

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Olli

„2015 stellte die chinesische Firma Sifang die erste, rein Wasserstoff betriebene Straßenbahn der Öffentlichkeit vor. Seither sind diese eher punktuell im Einsatz.“

Eine Tram „punktuell“ im Einsatz ?
Heißt das sie steht irgendwo zum fotografieren 🙂

Sollte es zu so einem bedeutenden Lösungsansatz keine konkreteren Informationen geben ?
Wird sie also irgendwo praktisch eingesetzt oder woran scheitert es bislang ?

Olli

Eher seltsam, wenn man nichts weiter von hört: Hinfliegen, nachfragen ?

Günstiger wohl eher, bei Alstom anzufragen ob die nicht eine Brennstoffzellen-Tram auf Ausschreibung anbieten mögen: Immerhin beherrscht Alstom die Brennstoffzellen-Technologie vom iLint und ist auch im klassischen Tram-Geschäft solide unterwegs: kein weiter Weg also, das miteinander zu kombinieren!

Übrigens steigt Alstom neuerdings auch quer ins E-Bus Geschäft ein:
https://www.alstom.com/our-solutions/rolling-stock/aptis-new-experience-electro-mobility

Ralf Boecker

Alstom liegt als bewährter Partner sowieso viel näher und liefert offenbar schon bald Praxis-erprobte Technik:
https://www.alstom.com/de/press-releases-news/2019/5/rmv-tochter-fahma-bestellt-groesste-brennstoffzellenzug-flotte-der-welt

Warum sollte das nicht auch für Trams funktionieren, wo doch Daimler für den HVV schon Gelenkbusse mit Brennstoffzellen auf dem Dach demonstriert hat ?

Verglichen mit Akkus sind Brennstoffzellen gar nicht so groß und schwer.

Ralf Boecker

FCHV-Antrieb mit Wasserstoff-Brennstoffzellen bietet die Möglichkeit, komplett auf teure Oberleitungen zu verzichten + im Winter benötigte Heizung aus Abwärme zu beziehen. So kommen leichte Tram-Fahrzeuge auch im Winter pro 1 kg Wasserstoff etwa 10 km weit und mit ausreichend Druckzylindern auf dem Dach genügt einmal täglich auftanken im Depot. H2BZ-Busse & HydRail werden schon in Serie geliefert, Stadtbahnen müssen folgen… Brennstoffzellen werden immer bezahlbarer und selbst mit einstweilen noch direkt aus Erdgas billig hergestelltem Wasserstoff betrieben, ist die CO2-Bilanz besser als konventioneller Strommix (< 500g / kWh(el) Well to Wheel). Schon in einem Jahrzehnt kann "grüner" Wasserstoff aus Windkraft der… Weiterlesen »

Olli

Was kostet der Betrieb mit Wasserstoff-Brennstoffzellen, verglichen mit normaler Oberleitung und mit anderen „Oben-Ohne“-Systemen, z.B. Akku-gestützt oder mit SuperCaps ?

Wie viel Investition spart man beim Bau, wenn gar keine Oberleitungen gespannt werden müssen + Einspeise-Stromwerke mit Transformatoren und so ?

Welche Spannung und Stromstärke wird für die Citybahn benötigt ?

Olli

Was ist NKU ? Wie hoch sind Leistungen & Stöme denn bei vergleichbaren Trams (v.a. beim Anfahren)? Warum bleibt Citybahn als Neubau noch bei klassischen 750V mit nur schwacher Leistung & hohen Stromverlusten: warum nicht 2 bis 3kV mit Leistungsreserve wie schon in manchen anderen Städten? 15kV Zweistrom-System klingt aufwändig & teuer: Da wäre Brennstoffzellen-Antrieb unabhängig von. Wird das im NKU berechnet? Trams mit Brennstoffzellen werden in China schon eingesetzt, wie man lesen konnte, auch für Regionalzüge in Niedersachsen: Erfahrungen? Außerdem hat der RMV nicht nur H2BZ-Busse im Einsatz, sondern auch Brennstoffzellen-Züge für die Taunusbahn bestellt: https://www.fr.de/rhein-main/erster-wasserstoffbus-einsatz-darmstadt-12239388.html (Leider keine Details… Weiterlesen »

olli

Besser übertragbar wäre Erfahrung mit den Brennstoffzellen-Bussen, die ESWE jetzt erhält: Fahren die schon ? Übersicht Bahnstromsysteme: https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Bahnstromsysteme 1000V scheinen zulassungstechnische Hürde, die v.a. für U- und S-Bahn-Züge überschritten wird. (Straßenbahn Darmstadt hatte 1200V bis 1945) DC 750V stammen wohl noch aus Zeiten einfacher Gleichrichter, wo der Spitzenwert unter 1 kV bleiben sollte. Mit satten 400A am Stromabnehmer liegt die Leistungsgrenze bei 300kW zum Anfahren, was Langzüge ohne SuperCaps etwas träge macht und wegen Leitungsverlusten auch ein relativ dichtes Netz von Unterwerken erfordert. Für Leistungsreserve + Kostenersparnis durch geringere Verluste & leichtere Kabel sind > 1kV für Neubau zu empfehlen.… Weiterlesen »

Ralf Boecker

Das ist tatsächlich eine interessante Option:
Weniger aufwendig als ein „Zweistromsystem“ mit vollen 15kV, könnten neue Fahzeuge ohne großen technischen Aufwand variabel 750 bis 1000V tolerieren und auf Neubaustrecke bei 1kV mit +30% Extra-Kraft fahren, aber auch wie gewohnt im Bestandnetz mit 750V.

Sogar ältere Fahrzeuge könnten mit ertüchtigter Elektrik (+Rekuperation) auf 1kV-Toleranz nachgerüstet werden, was einen langfristigen Migrationspfad für das gesamte Netz eröffnet.

Die bestehenden Oberleitungen dürften durchgängig standardmäßig eine Isolation bis zu 1kV besitzen, so dass nur die Unterwerke neue Gleichrichter brauchen, um die Leistungsreserve auszuschöpfen.

[…] Oben ohne – aber wie? 5. Juli 2019 […]