Batteriezug stellt Streckenrekord auf – der Beginn eines schönen Schnellladens

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Unsere Kindheitserinnerungen an Züge sind romantisch: Black-Metal-Monster, die sich die Gleise hinunterwälzen, riesige weiße Rauchschwaden ziehen hinter ihnen her. „Jeder liebt das Geräusch eines Zuges in der Ferne“, sinnierte Paul Simon. „Jeder denkt, es sei wahr.“ Was heute jedoch bei den Zügen gilt, ist, dass wir die Bahnstrecken elektrifizieren müssen. Das liegt daran, dass der Transportsektor der größte Emittent von Treibhausgasen und anderen schädlichen Gasen ist. Unsere heutigen Träume müssen sich jetzt auf einen Batteriezug in der Ferne konzentrieren, um die Gesundheit des Planeten zu schützen.

Als Ende Februar die Nachricht über eine großartige Leistung eines Batteriezuges bekannt wurde, waren viele Befürworter erneuerbarer Energien begeistert. Die Great Western Railway (GWR) ist innovativ Zugversuch mit Schnellladebatterie brach Rekorde für die Entfernung in Großbritannien ohne Aufladen. Dann, ein paar Tage später, stellte es einen weiteren britischen Rekord auf – diesen über 86 Meilen (138 km) Fahrt mit Batteriestrom ohne Aufladen. Das bedeutete, dass der Batteriezug in einer realen Umgebung mit Geschwindigkeiten von bis zu 60 Meilen pro Stunde fuhr und auf einer hügeligen Strecke mit Höhenunterschieden von bis zu 200 Metern anhielt und startete.

Als ob diese Meilensteine ​​nicht genug wären, testete dieser Batteriezug der Klasse 230 kürzlich einen 70-Meilen-Transit, bei dem nur 45 % seiner Batteriekapazität genutzt wurden. Spezialingenieure an Bord bestanden darauf, dass mit einer einzigen Ladung mehr als 120 Meilen zurückgelegt werden könnten. Bisher waren solche Bemühungen durch die Reichweite begrenzt.

Die GWR-Erfolge geben Hoffnung für zukünftige Batteriezuganwendungen.

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Der Hintergrund eines Batteriezuges und ein Blick in seine Zukunft

Eine primäre Maßnahme zur Erreichung langfristiger Dekarbonisierungsziele ist die Reduzierung des Transportaufkommens von Klimaschadstoffen, das seit den 1990er Jahren nahezu unverändert ist. Als großer Energieverbraucher wurden die Eisenbahnsysteme in vielen Ländern schrittweise elektrifiziert, um die Leistung zu verbessern und die Emissionen zu reduzieren.

Die Quelle, die einen elektrischen Zug antreibt, könnte eine Oberleitung, eine Batterie oder eine dritte Schiene sein. Der Strom für den Antrieb des Zuges kann aus Quellen wie Windkraftanlagen, Wasserkraft oder Diesel stammen. Die Elektrolokomotive nutzt Wechsel- oder Gleichstrom und speichert diesen in riesigen Batterien oder Ultrakondensatoren, mit denen der Zug dann vorwärts angetrieben wird. Mit diesem gespeicherten Strom bewegen sich die Räder.

Heutzutage werden am häufigsten Hybridversionen der Elektrozüge eingesetzt: Ein Dieselmotor erzeugt Strom, der wiederum den Zug antreibt. Ein Beispiel ist Hitachi Rail, das 20 Tribrid-Züge in ganz Italien betreibt. Die Züge schalten zwischen Batteriebetrieb, Strom und Diesel um und können mit Batterieantrieb etwa 10 Meilen zurücklegen. Die Batterien werden immer dann wieder aufgeladen, wenn der Zug bremst oder indem sie Strom aus einem Oberleitungsgerät beziehen, das den Zug mit einer Stromleitung verbindet. Die Hoffnung besteht darin, den Bedarf an elektrischen Freileitungen zu eliminieren, die teuer und zeitaufwändig zu installieren sind und die Landschaft beeinträchtigen.

Der Traktionsbedarf des Schienennetzes zeichnet sich durch schnelle Schwankungen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und Fahrplänen der Züge aus. Batteriespezifikationen, Batterieenergie, Masse und Kosten tragen alle zur Lebensfähigkeit von Batteriezügen bei. Die Herausforderungen bei einem höheren Energiebedarf sind Massen- und Volumenbeschränkungen innerhalb der Lokomotive und des Zuges, um die Energie an Bord zu transportieren. Schnelle Verbesserungen der Batterietechnologie erhöhen kontinuierlich die Energiedichte, verbessern die Haltbarkeit und senken die Produktionskosten.

Batteriezüge, die von einer externen Stromversorgung angetrieben werden, sind leichter und leistungsstärker als Dieselzüge, haben jedoch höhere Anfangsinvestitions- und Wartungskosten. Der Einsatz von Batterien im Schwerlastverkehr bietet eine hervorragende Chance zur Dekarbonisierung. Die Schnellladetechnologie von GWR wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen das Problem, zuverlässige, ausschließlich batteriebetriebene Züge bereitzustellen Es ist in der Lage, den Fahrplandienst auf Nebenstrecken zu erfüllen, den Einsatz von Dieselantrieben zu eliminieren und dazu beizutragen, das Ziel der Regierung und der Bahnindustrie insgesamt zu erreichen, bis 2050 Netto-CO2-Emissionen von Null zu erreichen.

Der Schlüssel liegt im regenerativen Bremsen

Beim Bremsen eines Schienenfahrzeugs fungieren seine Induktionsmotoren als Generatoren, die die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln. Die erzeugte regenerative Bremsenergie wird an ein stationäres oder bordeigenes Energiespeichersystem (ESS) übertragen und dort gespeichert. Kommerziell realisierbare Lösungen für den Einsatz von ESS in Hochgeschwindigkeitsbahnsystemen sind relativ neue Forschungsgebiete. Verschiedene Formen von ESS – wie Schwungräder, elektrische Doppelschichtkondensatoren, Batterien, Brennstoffzellen und supraleitende magnetische Energiespeicher – werden in elektrifizierten Eisenbahnsystemen getestet.

Energiespeicher mit hoher Energie- und Leistungsdichte eignen sich für Anwendungen, bei denen Gewicht und Größe im Vordergrund stehen. Batterien, die die Rolle reversibler Speichersysteme übernehmen, ermöglichen einen umfassenden Einsatz des regenerativen Bremsens bei Schienenfahrzeugen. Elektrische Schienenfahrzeuge sind in der Lage, die kinetische Energie in der Bremsphase zur Energiewiederverwendung in elektrische Energie umzuwandeln.

Im Allgemeinen gibt es solche 3 Lösungen zur Verwaltung der regenerativen Bremsenergie in Schienenfahrzeugen:

• Synchronisierung der Lasten entlang der Bahnstromversorgungsleitungen;
• Rückspeisung der regenerativen Bremsenergie in das externe Netz; Und
• Speicherung der regenerativen Bremsenergie in einem ESS.

Unter den Batterietypen gehören Li-Ionen-Batterien zu den beliebtesten Typen, die zur regenerativen Bremsenergierückgewinnung eingesetzt werden. Laut einem wird es bei der aktuellen Li-Ionen-Batterietechnologie einen anhaltenden Vorstoß zur Erhöhung der Energiedichte geben Australisches Forscherteam im Zeitschrift für Energiespeicherung. Zu den aktiven Forschungsbereichen im Bereich LIB-Technologien gehören Ni- und Li-reiche Kathodenmaterialien, Si-reiche Anodenmaterialien und Festkörperbatterien. Die Entwicklung dieser neuen Elektroden könnte die LIB-Energiedichte auf über die aktuelle Grenze von 350 Wh/kg bringen. Festkörperbatterien können diesen Wert noch weiter auf ∼500 Wh/kg steigern, wenn der Festkörperelektrolyt mit einer metallischen Li-Anode gekoppelt ist.

US Steel rüstete Ende 2023 zwei seiner Diesel-Rangierlokomotiven in den Werken Edgar Thomson und Clairton der Mon Valley Works auf Batteriezüge um.

Fortescue konnte seinen „Infinity Train“ entwickeln, der zu 100 % mit Strom betrieben wird, aber nie aufgeladen werden muss. Der EDumper, ein riesiger, vollelektrischer Bergbau-LKW der eMining AG, rollt voll beladen und gebremst bergab und fährt dann (leer) mit der Energie, die er aus dem regenerativen Energiesystem gewonnen hat, wieder auf die Spitze der Mine jede Menge übrig.

Abschließende Gedanken

In West Ealing, wo die GWR-Technologie in diesem Frühjahr zum ersten Mal in einer realen Umgebung getestet wird, wird der britische Zug nur 3 ½ Minuten lang aufgeladen, bevor er seine Fahrt auf der Greenford-Nebenstrecke wieder aufnimmt. GWR hat bereits Simulationen auf anderen Nebenstrecken im Thames Valley durchgeführt, um zu untersuchen, wie es in Zukunft noch weiter ausgebaut werden könnte. Dadurch könnten allein die GWR-Emissionen um über 1.700 Tonnen CO2e pro Jahr reduziert werden. Es besteht die Hoffnung, dass die Technologie eines Tages dazu führen kann, dass Batteriezüge auf den über 80 Nebenstrecken des Vereinigten Königreichs mit einer Länge von rund 2.000 Meilen in Betrieb gehen.