Geh an einem Bahnsteig entlang, und die Züge vor dir werden meist von Elektromotoren angetrieben, ob oben ein Draht hängt oder nicht. Unterschiedlich ist die Stromquelle. Ein Dieselzug erzeugt den Strom an Bord aus Kraftstoff. Ein elektrischer Zug bezieht ihn von der Bahn selbst. Diese eine Entscheidung prägt Beschleunigung, Betriebskosten und welche Strecken sich zu verkabeln lohnen.
Diesel: drei Wege zu den Rädern
Ein Dieselmotor läuft am besten bei einer ziemlich gleichmäßigen Drehzahl, aber ein Zug muss aus dem Stand mit einer enormen Last anfahren. Zwischen Motor und Rädern muss etwas sitzen, das diese Lücke überbrückt.
- Dieselelektrisch. Der Motor treibt einen Generator an, und der erzeugte Strom speist Fahrmotoren die die Achsen drehen. Es gibt keine mechanische Verbindung vom Motor zu den Rädern, daher kann der Motor mit seiner besten Drehzahl laufen, während die Motoren aus dem Stand kräftigen Zug liefern. Das ist die übliche Bauweise für Hauptstrecken-Lokomotiven und viele Triebwagen.
- Dieselhydraulisch. Eine Flüssigkeitskupplung oder ein Drehmomentwandler leitet die Leistung weiter, ähnlich wie in einem Automatikauto. Es wurde bei leichteren Lokomotiven und Triebwagen eingesetzt, besonders in Deutschland.
- Diesel-mechanisch. Eine Kupplung und ein Getriebe, wie bei einem Lastwagen. Es ist einfach und passt zu kleinen Triebwagen und Rangierloks, wird aber bei steigender Leistung unhandlich.
Der Motor selbst wandelt etwa 35 bis 45 Prozent der Energie des Kraftstoffs in Wellenleistung um, und Generator und Motoren verlieren noch etwas. Ein dieselelektrischer Zug ist daher ein kleines Kraftwerk auf Rädern. Sein Vorfahre, die Dampflok, erledigte dieselbe Aufgabe mit Kessel und Zylindern, wie beschrieben in wie eine Dampflokomotive funktioniert.
Elektrisch: Strom von außen
Ein elektrischer Zug nimmt Strom aus einer Oberleitung über einen Stromabnehmer, oder von einer Stromschiene neben dem Gleis über einen Schleifschuh. Ein Transformator und Umrichter im Zug passen ihn für die Motoren an. Die Elektromotoren und ihre Ausrüstung haben vom Netz bis zum Rad typischerweise deutlich über 85 Prozent Wirkungsgrad, ungefähr, wobei die Gesamtzahl auch davon abhängt, wie der Strom erzeugt wurde.
Die Systeme unterscheiden sich je nach Land und sind oft ein Erbe aus der Zeit, in der die jeweilige Strecke elektrifiziert wurde:
- 25 kV, 50 Hz AC Oberleitung: Großbritannien, weite Teile Europas und die meisten neuen Hochgeschwindigkeitsstrecken.
- 15 kV, 16.7 Hz AC Oberleitung: Deutschland, die Schweiz, Österreich, Schweden und Norwegen.
- 3 kV DC Oberleitung: zum Beispiel Italien, Belgien und Polen.
- 1.5 kV DC Oberleitung: zum Beispiel die Niederlande und Teile Frankreichs.
- 750 V DC Stromschiene: weite Teile Südenglands.
Warum die Spannung wichtig ist
Leistung ist Spannung mal Strom, daher braucht eine höhere Spannung bei gleicher Leistung weniger Strom. Ein Zug mit 5 MW braucht bei 25 kV etwa 200 A, aber bei 750 V etwa 6,700 A. Bei hoher Spannung reichen dünnere Leitungen und weniger Einspeisepunkte. Deshalb eignet sich eine 25-kV-Oberleitung für lange, schnelle Strecken, während eine 750-V-Stromschiene für dichte Netze auf kurzen Strecken mit eng beieinander liegenden Umspannwerken geeignet ist. Die Schiene liegt nahe am Boden, daher wäre dort hohe Spannung unsicher.
Warum elektrische Züge stärker beschleunigen
Ein Dieselzug trägt seine Energiequelle mit sich, daher begrenzen Größe und Gewicht des Motors seine Leistung. Eine typische Diesellokomotive auf Hauptstrecken liefert etwa 2 bis 3 MW. Eine E-Lokomotive lässt das Kraftwerk hinter sich und kann 5 MW oder mehr aus der Oberleitung ziehen, manchmal weit mehr. Mehr Leistung bei gleicher Masse bedeutet stärkere Beschleunigung und höhere Höchstgeschwindigkeit, was für Halteverkehr und Hochgeschwindigkeitsstrecken passt.
Die Räder müssen trotzdem greifen. Da Stahl auf Stahl nur begrenzt haftet, hilft zusätzliche Leistung nur bis zu dem Punkt, an dem die Räder durchrutschen.
Rekuperationsbremsung
Ein Elektromotor kann rückwärts als Generator laufen. Bremst der Triebfahrzeugführer, wandeln die Fahrmotoren die Bewegung des Zuges zurück in Strom und speisen ihn in die Leitung ein, wo ihn ein anderer Zug nutzen kann, oder in Widerstände auf dem Dach, wenn ihn nichts aufnehmen kann. Die Einsparung ist auf Strecken mit häufigen Halten am größten. Dieselelektrische Züge können denselben Trick mit dem Motor anwenden, haben aber keinen sinnvollen Ort, an den sie die Energie schicken könnten, daher wird sie üblicherweise als Wärme in Widerständen verheizt.
Fahrleitungskosten gegen Verkehrsaufkommen
Masten, Draht, Umspannwerke und Brücken- oder Tunnelprofile kosten pro Kilometer viel, und die Rechnung ist gleich, ob zehn oder hundert Züge die Strecke nutzen. Elektrische Züge sind günstiger im Betrieb und in der Wartung, daher amortisiert sich die Fahrleitung dort, wo viel Verkehr herrscht. Auf einer ruhigen Nebenstrecke tut sie das womöglich nie. Viele Bahnen behalten Diesel für dünn befahrene Strecken und elektrifizieren Hauptstrecken.
Die Der Bimodus-Triebzug schließt die Lücke. Er führt Dieselmotoren und einen Stromabnehmer mit, fährt unter dem Draht elektrisch und schaltet auf Diesel um, wo der Draht endet. Die Baureihe Class 800 in Großbritannien ist ein Beispiel. Der Kompromiss ist das Mehrgewicht, denn er trägt Motoren mit, die er nur zeitweise nutzt.
Im Spiel Valley Rail: Train Tycoon du kaufst einen Zug, wählst, wohin er fährt, und er fährt die Strecke selbstständig, mit sechs Zugmodellen für Personen- und Güterverkehr. Die App befindet sich im geschlossenen Test.
Fast alle modernen Züge werden elektrisch angetrieben. Die Frage ist, ob der Strom im Zug erzeugt oder aus einem Draht oder einer Schiene bezogen wird.
Was du daraus mitnehmen solltest
- Dieselelektrisch: Motor, Generator, Fahrmotoren. Diesel-hydraulisch und diesel-mechanisch nutzen stattdessen Flüssigkeit bzw. Zahnräder.
- Die Versorgung reicht von der 750-V-DC-Stromschiene bis zur 25-kV-50-Hz-AC-Oberleitung; dieselbe Leistung braucht bei 25 kV etwa ein Dreißigstel des Stroms, den sie bei 750 V braucht.
- Elektrische Züge beziehen Strom von außen, daher können sie mehr davon haben, und sie können beim Bremsen Energie zurückgeben.
- Die Fahrleitung ist ein fester Kostenblock pro Kilometer, daher passt sie zu stark befahrenen Strecken, während Bimodus-Triebzüge den Rest überbrücken.
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