Wabtec FLXdrive-Lokomotive
Die Eisenbahnen neu definieren
Züge werden seit langem mit Fett und Schmutz in Verbindung gebracht – könnte Wabtecs batterieelektrisches Lösungskonzept jedoch die Eisenbahnen revolutionieren? Bericht von Will Gray
Eisenbahnen spielen eine entscheidende Rolle beim Transport von Waren und Menschen auf der ganzen Welt. Sie machen 7 % des weltweiten Güterverkehrs aus – bei rein landbasierten Transporten sogar fast 40 % – und bieten jedes Jahr Milliarden von Reisenden wichtige Verkehrsrouten. Obwohl sie eine außergewöhnlich energieeffiziente Transportmethode darstellen, erschweren die damit verbundenen Entfernungen und Gewichte zudem ihre Elektrifizierung erheblich.
Diesellokomotiven sind seit langem die wichtigsten Arbeitstiere auf den Schienen, und obwohl elektrische Züge, die über Oberleitungen angetrieben werden, sie auf einigen Strecken ersetzt haben, machen die damit verbundenen Infrastrukturkosten eine Elektrifizierung über längere Strecken äußerst teuer. Infolgedessen bleibt mehr als 60 Prozent des Eisenbahnnetzes im Vereinigten Königreich unelektrifiziert; in China hingegen – wo im Jahr 2024 51,75 Milliarden Tonnen Güter per Bahn transportiert wurden – sind etwa 25 Prozent des Netzes unelektrifiziert. Die USA sind noch stärker auf diese Technologie angewiesen, mit einer riesigen Flotte von 28.000 Diesellokomotiven im Einsatz sowie 124.000 Meilen US-amerikanischer Eisenbahnstrecken der Klasse I in intensiver Nutzung.
Herkömmliche Diesellokomotiven nutzen ihre mit fossilen Brennstoffen betriebenen Motoren zur Erzeugung von Elektrizität, die anschließend Direktantriebsmotoren antreibt. Laut der Internationalen Energieagentur tragen sie maßgeblich zu den jährlich 250 Millionen Tonnen CO2 bei, die im Schienenverkehr emittiert werden. Bisher gab es jedoch keine andere Lösung, die die erforderliche Leistung und Effizienz bietet, um mit ihnen konkurrenzfähig zu sein.
Wabtec (Westinghouse Air Brake Technologies Corporation) ist seit langem weltweit führend in der Entwicklung von Diesellokomotiven und hat innovative Methoden entwickelt, um deren Effizienz zu steigern. Im Jahr 2001 führten sie bei einigen ihrer Lokomotiven die regenerative Bremsung ein – wodurch die ersten batteriebetriebenen Diesellokomotiven entstanden – und in den folgenden 25 Jahren entwickelten sie dieses Konzept weiter zu der weltweit ersten vollständig batterieelektrischen Schwerlastlokomotive, der FLXdrive.
Falls das wie eine lange Entwicklungszeit erscheint, liegt das daran, dass – wie bei den meisten Herausforderungen im Bereich der Elektrifizierung – dies erst möglich war, nachdem alle verschiedenen Komponenten übereinstimmten. Jim Bunce verbrachte sieben Jahre damit, die Entwicklung der Batteriepakete und des Steuerungssystems zu leiten, und ist nun Leiter für Systemingenieurwesen. Er erklärt: „Das Ziel war es, ein batterieelektrisches Fahrzeug so zu konstruieren, dass es über die gleiche Leistungsfähigkeit wie eine herkömmliche Diesellokomotive verfügt – und das haben wir nun erreicht.“
„Die Antriebs- und Schubsysteme sind beim Diesellokomotiv-Antrieb sowie beim FLXdrive nahezu identisch, wodurch im Grunde dieselbe Leistung von 4500 PS erzielt wird. Das batterieelektrische System kann nicht allein über die gleichen Strecken wie eine Diesellokomotive fahren, bietet aber in Kombination mit anderen Fahrzeugen über lange Strecken erhebliche Effizienzvorteile. Das FLXdrive-System ist skalierbar und modular und eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Schienenverkehr, schwere Transporte, Gütertransporte, Lagerbewegungen sowie hybride Arbeitsabläufe.“
Skalierbarkeit ist wichtig, da der Dauerbetriebszyklus eine Rolle spielt, doch das batterieelektrische System ist derzeit nicht in der Lage, ein eigenständiges System zu bieten. Das Ziel besteht nicht darin, den Dieselmotor unter allen Umständen zu ersetzen, sondern die Batteriekraft dort einzusetzen, wo sie den größten betrieblichen und umweltbezogenen Vorteil bringt. Eine Lokomotive, die beispielsweise in einem U-Bahn-Wartungsumfeld eingesetzt wird, steht vor ganz anderen Herausforderungen als eine Güterlokomotive, die lange Strecken zurücklegt – daher wurden für verschiedene Anwendungsfälle unterschiedliche Versionen entwickelt.
Der Switcher eignet sich ideal für den Einsatz auf dem Gelände, zur Bildung von Zügen zum Transport von Fracht von einem Ort zum anderen – solche Fahrzeuge können in der Regel weniger Batteriepacks enthalten, da sie in der Nähe eines LadeSystems bleiben. Die hybride Version, die für Wartungsarbeiten in größeren Stadtbahn-Systemen konzipiert ist, behält einen Dieselmotor bei, kann aber im Tunnelbetrieb auf rein batteriebetriebenen Betrieb umschalten. Sie ist so dimensioniert, dass der Motor ausgeschaltet werden kann, wo sonst Dämpfe und Emissionen die Arbeitsumgebung beeinträchtigen würden.
In dem Fall von Langstreckengüterlokomotiven ist die FLXdrive mit der maximal möglichen Anzahl an Akkupaketen ausgestattet und dafür konzipiert, als Teil einer Flotte zu funktionieren. Sie ergänzt die vorhandenen Diesellokomotiven, indem sie neben ihnen betrieben wird und so effektiv eine hybride Lösung schafft. „Ein Langstreckengüterzug in den USA ist in der Regel etwa eineinhalb Meilen lang und verfügt über drei oder vier Lokomotiven, die an der Spitze fahren“, erklärt Bunce. „Wir ersetzen eine dieser Diesellokomotiven durch eine FLXdrive, sodass die Lokomotiven gemeinsam als Teil eines hybriden Zuges arbeiten. Die großen Reichweiten werden weiterhin durch die Diesellokomotiven gewährleistet, wobei die Kraftstoffeffizienz durch den batterieelektrischen Antrieb verbessert wird.“
Das Konzept unter Beweis stellen
Das erste Prototyp des FLXdrive-Designs wurde 2021 zur Erprobung vorgestellt. Es war mit 18.000 luftgekühlten Lithium-Ionen-Akkuzellen ausgestattet, die insgesamt 2,4 MWh Speicherkapazität boten, und wog 430.000 Pfund. Der Schwerpunkt lag auf einer längeren Reichweite; anstelle von Tests auf Teststrecken wurde die Lokomotive im realen Straßenverkehr zusammen mit der BNSF Railway, dem größten Eisenbahnunternehmen in den USA, getestet.
Während der dreimonatigen Testphase im San Joaquin Valley in Kalifornien – einem von Bergen umgebenen Gebiet mit hügeligem Gelände, das die Nutzung der regenerativen Bremse maximierte – legte sie 13.320 Meilen zurück und arbeitete dabei als Teil eines Zugverbunds zusammen mit anderen Diesellokomotiven. Durch eine 11-prozentige Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs (was mehr als 6.200 Gallonen Diesel entspricht) sowie einer Verringerung der CO2-Emissionen um etwa 69 Tonnen wurde das ursprüngliche Konzept bewiesen, gleichzeitig zeigte sich jedoch auch eine wichtige Verbesserungsmöglichkeit.
Die zweite Version, die vor einigen Jahren für den Kundendemonstrationsdienst in Australien veröffentlicht wurde, wies eine bedeutende Verbesserung auf: Das ursprüngliche luftgekühlte Batteriesystem wurde durch ein wassergekühltes Design ersetzt. Die höhere Effizienz der Wasserkühlung ermöglichte eine erhebliche Steigerung der Batteriedichte, wodurch die Batteriekapazität des Fahrzeugs um das Dreifache erhöht werden konnte – auf insgesamt 7 MWh. Das Unternehmen schätzt, dass dies je nach Strecke und Betriebsabläufen des Kunden den Kraftstoffverbrauch sowie die Emissionen um bis zu 30 % reduzieren kann.
„In einem luftgekühlten System benötigt man tatsächlich viel Platz, um die zum Kühlen der Batterien erforderliche Luft zirkulieren zu lassen“, sagt Bunce. „Durch den Umstieg auf ein wassergekühltes System können wir jeden verfügbaren Zentimeter im Lokomotivrahmen nutzen. Neben dieser Entwicklung waren die Feldtests von großer Bedeutung, da sie unseren Kunden ermöglichen, neue Technologien in ihren Anwendungen auszuprobieren – um herauszufinden, welche Wartungsanforderungen und Infrastrukturbedürfnisse bestehen – sowie uns die Möglichkeit zu geben, ein sicheres und wartbares System zu demonstrieren, das eine hohe Leistungsfähigkeit bei erheblichen Einsparungen an Kraftstoff und geringeren Emissionen bietet.“
Auch beim Fahren ist der Unterschied spürbar, da die Verringerung der durch den Motor erzeugten Vibrationen die Fahrkomfortqualität im Fahrzeug deutlich verbessert. „Wenn man in die Bedienerkabine geht, in der heute die Besatzung an einer Diesellokomotive im Vergleich zu einer FLXdrive-Lokomotive arbeitet, sind sie im Grunde identisch – doch das Fehlen des Dieselmotors hat tatsächlich einen erheblichen Einfluss auf die Lautstärke und Vibrationen des Fahrzeugs“, sagt Bunce.
„Eine der größten Schwingungsquellen in der Lokomotive ist der Dieselmotor, und obwohl unsere dieselelektrischen Lokomotiven ein weiches Befestigungssystem haben, sodass die Bediener diese Vibrationen nicht spüren, bleibt sie dennoch erheblich. Das Gewicht der Lokomotive ist vermutlich der größte Faktor für die Abnutzung der Schienen, und das Gesamtgewicht ändert sich nicht wesentlich, hat aber einen erheblichen Einfluss auf die Fahrkomfortqualität für den Bediener. Es ist viel angenehmer zu fahren!“
Massive Elektrifizierung
An der Antriebsfront setzt der FLXdrive auf die bewährte AC-Antriebstechnologie. Die meisten Versionen verwenden sechs separate General Electric GEB13 AC-Hochdrehmoment-Antriebsmotoren, die auf den Achsen montiert sind; jeder dieser Motoren leistet etwa 1000 Pferdestärken. Jede Achse wird von einem Motor angetrieben, und jede Achse wird über ihren eigenen fortschrittlichen, wassergekühlten Wechselstromumwandler mit variabler Frequenz individuell gesteuert. Dadurch entsteht eine gewisse Widerstandsfähigkeit, da ein Problem mit einem Motor oder Umwandler nicht unbedingt verhindert, dass Leistung an die übrigen Motoren weitergeleitet wird.
Die elektrische Architektur basiert auf einem Hochspannungs-DC-Bus, wobei das System normalerweise bei 1350 V DC arbeitet. Die Wechselrichtersysteme wandeln diese Stromversorgung in Wechselstrom um, der für die Asynchronmotoren verwendet wird. Aufgrund dieser hohen Spannung – bei den meisten modernen Automobilplattformen liegen die Werte bei etwa 800 V – erforderte die Entwicklung der batterieelektrischen Lokomotive mehr als nur das Hinzufügen von Batterien im Automobilstil zu einer bestehenden Lokomotivplattform. Stattdessen musste das Unternehmen speziell angefertigte Batteriepakete entwickeln, die für den Einsatz im schweren Güterzugantriebssystem konfiguriert sind.
Das ist die Elektrifizierung in einem anderen Maßstab. Jeder Akkupack ist etwa so groß wie ein Doppelbett – etwa 64 Zoll lang, 48 Zoll breit und 10 Zoll hoch – und durch den Entfernen der ursprünglichen Komponenten entsteht Platz, damit diese riesigen Akkupacks bis zu zwei Drittel der Lokomotive ausfüllen können. „Wir haben derzeit bis zu 72 Akkupacks an Bord“, sagt Bunce. „Das sind 72 Akkupacks im Wert von Teslas auf einem einzigen Fahrzeug!“
Wabtec entwirft und fertigt die Akkupacks vollständig inhouse in seiner Niederlassung in Erie, Pennsylvania. Es verwendet Akkuzellen von einem Drittanbieter und kann verschiedene Zellchemien verwenden, darunter NMC (Nickel-Mangan-Kobalt), LFP (Lithium-Eisen-Phosphat) und LTO (Lithium-Titanat-Oxid). Jeder Akkupack besteht aus 504 einzelnen Akkuzellen, die für eine Spannung von 350 V bei voller Ladung ausgelegt sind. Diese Zellen sind so angeordnet, dass vier von ihnen nominell bei 1400 V arbeiten können, was etwas über der erforderlichen Spannung von 1350 V liegt.
„Die Batteriezellen, die wir verwenden, sind für Automobilanwendungen konzipiert, weil sie die größten Verbraucher einzelner Batteriezellen sind und daher am leichtesten verfügbar sind“, sagt Bunce. „Der von uns ausgewählte Formfaktor ist bei mehreren Lieferanten in verschiedenen Chemiekonfigurationen und mit unterschiedlichen Kapazitäten erhältlich, und alle haben mehrjährige Produktentwicklungspläne. Somit sollten wir mit Verbesserungen bei den Kapazitäten und Chemiekonfigurationen die Vorteile dieser Änderungen spüren.“
„Alle unsere Batterien sind elektrisch in Reihen und Gruppen angeordnet, sodass wir bei Bedarf einzelne Batteriegruppen isolieren können. Wir leiten all diese Energie in einen gemeinsamen Gleichstrombus um, von dem aus einzelne Inverteranlagen Energie entnehmen und an jede Achse senden, um diese individuell zu steuern. Die Größe und Anzahl der Batterien richten sich nach der Anwendung – unser größeres System für den Schwerlastverkehr verfügt über bis zu 72 Batteriepakete, während unsere kleinere Switcher-Anlage 28 Pakete hat – und in einigen Fällen lassen wir Platz, um diese Einheiten zukünftig anpassen zu können, falls eine größere Reichweite erforderlich ist.“
Die individuelle Achsensteuerung sorgt für eine eingebaute Widerstandsfähigkeit gegen Ausfälle einzelner Motoren oder Inverter-Systeme, indem die Leistung einfach auf andere Motoren umgeleitet wird, ohne dass dies Auswirkungen auf die Leistung der Lokomotive hat. Zudem ermöglicht sie es dem System, Schlupf zwischen den Motoren zu verwalten. Jeder Antriebsmotor verfügt außerdem über seine eigene, unabhängige Getriebeanordnung – integriert in die Achsmotor-Konstruktion statt im gesamten Antriebsstrang – um die Traktion zu maximieren.
Das umfangreiche Batteriesystem verleiht der Lokomotive erhebliches Gewicht, doch im Gegensatz zu vielen anderen Elektrofahrzeugen, bei denen das Batteriegewicht eine unvermeidliche Einschränkung ist, an der Ingenieure ständig arbeiten, um es zu verringern, stellt dieses zusätzliche Gewicht in diesem Fall einen Vorteil dar, da es zur Traktion zwischen Rädern und Schienen beiträgt. Diesel-elektrische Lokomotiven fügen tatsächlich Ballast hinzu, um das Gewicht zu erhöhen, doch dank des Batteriesystems ist weniger Ballast erforderlich, um die Energie effektiv in die Schienen zu leiten, wodurch das Fahrzeuggewicht innerhalb der von der Schienentrasse und der Infrastruktur vorgegebenen Grenzen maximiert wird.
Batteriesicherheit und Leistung
Angesichts der hohen Spannungen ist die Betriebssicherheit von höchster Priorität. Die Fähigkeit, Teile des Stromsystems vor der Ersetzung von Batteriepacks oder der Bedienung von Wechselrichtergeräten zu isolieren, war ein wesentlicher Bestandteil der Entwurfskriterien. Der FLXdrive nutzt einen LOTO-Ansatz („Lock Out – Tag Out“) – eine etablierte Praxis in der Schienenfahrzeugindustrie – der sicherstellt, dass das System isoliert und physisch gesperrt werden kann, um zu verhindern, dass jemand anderes während der Arbeiten den Strom wieder einschaltet. Zusätzliche Sicherheit wird durch ein Schlüsselsperrsystem gewährleistet, das von Wartungsteams verlangt, eine bestimmte Ablauffolge einzuschlagen, um das Gerät schrittweise zu isolieren und abzukoppeln.
„Sicherheit war ein zentrales Anliegen bei der Konzeption der Lokomotive“, erklärt Bunce. „Wir haben erhebliche Zeit und Mühe in die Bewertung verschiedener Anwendungsszenarien aus unterschiedlichen Betriebsabläufen investiert, um nicht nur herauszufinden, wie das Fahrzeug als Lokomotive eingesetzt werden kann, sondern auch, wie Wartungspersonal das Gerät warten wird, wie es Ersatzteile austauscht und wie es mit anderen Teilen des Fahrzeugs interagiert.“
Der Sicherheitsfall umfasst auch die Anforderung an einen physischen Schutz vor den extremen Bedingungen, mit denen Schienenfahrzeuge häufig konfrontiert sind – Fahrzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit fahren und zu schweren Unfällen führen können. Wabtec hat direkt mit einzelnen Kunden zusammengearbeitet, um Notfall-Szenarien zu bewerten, indem es ihr Wissen über Batterietechnologien mit dem Verständnis der Betreiber für ihre spezifische Eisenbahnumgebung kombinierte. Bunce fügt hinzu: „Wir haben das Produkt so konzipiert, dass es robust ist, wobei dies durch umfangreiche Tests hinsichtlich Stürzen, Erschütterungen und Vibrationen bestätigt wurde.“
Die Aufrechterhaltung der Batterie bei einer geeigneten Betriebstemperatur ist ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil der Sicherheitsstrategie und zugleich ein entscheidender Faktor für eine optimale Leistung. Um in beiden Fällen die Leistung zu optimieren, hat Wabtec viel Zeit in die Entwicklung seines eigenen maßgeschneiderten Kühlsystems investiert. „Moderne Batterien benötigen eine Umgebung mit einer Nennbetriebstemperatur von etwa 25 Grad Celsius“, sagt Bunce. „Unser Batteriemanagementsystem zur Temperaturkontrolle heizt oder kühlt die Batterien, um sie in dieser Temperaturrange zu halten – dabei wird eine Mischung aus 50 Prozent Ethylenglykol und 50 Prozent Wasser verwendet, um diese Funktionalität zu gewährleisten.“
Das von einem Tochterunternehmen von Wabtec entwickelte System, das bereits in anderen Verkehrsanwendungen eingesetzt wird, wurde angepasst, um in ein Güterzuglokomotivsystem integriert zu werden. Die Akkupakete sind direkt an eine integrierte Kühlebene montiert, wodurch eine unabhängige Kühlung für jedes einzelne Paket gewährleistet wird. Die Kühltuben und -kanäle kommen niemals in Berührung mit den Akkuzellen oder dem elektrischen System, was eine vollständige Isolierung sicherstellt, und die Kühlebene leitet die Kühlung an alle Zellen weiter.
Das System verwendet in der Regel einen Schaltkreis pro Spalte, und jedes einzelne Akkupaket verfügt über eine trockene Trennverbindung, die es ermöglicht, die einzelnen Pakete zu trennen, ohne das gesamte Kühlsystem der Lokomotive entleeren zu müssen. Dadurch können Wartungstechniker ein bestimmtes Paket einfach vom Kühlsystem abkoppeln, es entfernen und ersetzen sowie anschließend die Kühlmittellinien wieder verbinden, um das System wieder in Betrieb zu nehmen.
Um einen thermischen Austritt – einer der am strengsten überwachten Risiken in jedem großen Akkusystem – zu verhindern, hat das Team eine passive Lösung auf Paketebene entwickelt. Bunce erklärt: „Lokomotiven verbringen einen erheblichen Teil der Zeit im Standby- oder Ausgeschaltungsmodus, und in vielen Fällen versenden wir diese Lokomotiven weltweit. In solchen Situationen sind sie überhaupt nicht mit Strom versorgt, und das Akkumanagementsystem ist nicht in Betrieb.“
„Aus diesen Gründen haben wir unser System so konzipiert, dass es nicht von dem Batteriemanagementsystem zur Verhinderung eines thermischen Austritts abhängig ist. Gase werden durch eine Druckplatte geleitet und fließen anschließend in kontrollierter Weise über einen Schornstein aus der Batteriepackung heraus und verlassen das Fahrzeug. Es kommt zu keiner Ausbreitung von einer Packung zur anderen, da alles innerhalb einer einzelnen Batteriepackung bleibt. Zwar bietet das Batteriemanagementsystem im Betrieb Vorteile und kann Ereignisse innerhalb dieser Packung verringern, doch es ist kein sicherheitskritischer Bestandteil unserer Strategie zur Verhinderung eines thermischen Austritts.“
Energieverwaltung
Der Schlüssel zur Funktionsweise der batterieelektrischen Lokomotive liegt in ihrer Fähigkeit, unterwegs Energie zu gewinnen. Deshalb eignet sie sich so gut als Ergänzung zu diesel-elektrischen Lokomotiven in einer Zuggruppe auf Langstreckenreisen. Die herkömmlichen diesel-elektrischen Lokomotiven des Unternehmens nutzen bereits Wechselstromantrieb, wobei das dynamische Bremsen dazu führt, dass die Antriebsmotoren elektrische Energie erzeugen. Das traditionelle System gibt diese Bremsenergie jedoch einfach als Wärme über elektrische Widerstandskreise und Kühllüfter ab, während das batterieelektrische System diese Energie nutzt und sie für eine erneute Verwendung während der Reise speichert.
Die Menge an Energie, die dabei gewonnen werden kann, hängt natürlich von der konkreten Aufgabe ab, die die FLXdrive-Lokomotive ausführt. Bunce erklärt: „Jede Strecke und jede Anwendung ist unterschiedlich. Bei den Arbeitseinsätzen im Rangierbahnhof entstehen aufgrund des Anfahrens und Anhaltens viele Regenerationsvorteile, doch auch bei Güterzugfahrten kann sie erhebliche Vorteile bieten. Das Gewicht und die Geschwindigkeit des Zuges sowie die Steilheit des Abhangs, den er hinunterfährt, beeinflussen alle, wie viel Energie erzeugt werden kann, um gespeichert zu werden – und das kann eine beträchtliche Menge sein.“
Es geht nicht nur darum, Energie zurückzugewinnen; vielmehr muss man verstehen und steuern, wie und wann sie gespeichert oder genutzt werden sollte. Dadurch wird die regenerative Bremse zu einem Bestandteil einer umfassenderen Energiestrategie – und der Vorteil der Eisenbahn besteht darin, dass sie stets einer festen Strecke entlang bekannter Topografie folgt. Angesichts dessen kann Wabtec den Betrieb entlang der Strecke optimieren und hat für FLXdrive ein intelligentes Energiemanagementsystem entwickelt, das das Laden und Entladen je nach zukünftiger Situation planen kann, um die Regeneration zu nutzen und unnötig aggressives Laden zu vermeiden.
Als FLXoptimizer bekannt, wurde dieses fortschrittliche Softwaresystem für Energiemanagement und Automatisierung speziell entwickelt, um den FLXdrive zu steuern. Als Überlagerungssystem für alle Lokomotiven in einer Zuggruppe baut es auf der bewährten Trip Optimizer-Technologie von Wabtec auf, die bereits in den Diesellokomotiven des Unternehmens eingesetzt wird. Dabei werden Standardfunktionen wie die intelligente, künstlich intelligenzgesteuerte Geschwindigkeitsregelung genutzt und diese Logik erweitert, um das hybride Zusammenspiel aus Diesellokomotiven und batteriebetriebenen Lokomotiven intelligent zu verwalten.
„Es war etwa im Jahr 2010, als die Entwicklung des Energiemanagementsystems begann, und seitdem wird es ständig weiterentwickelt“, sagt Bunce. „Der Betrieb einer FLXdrive-Lokomotive ist im Grunde genommen identisch mit dem jeder anderen Diesellokomotive – die einzelnen Bediener treffen nicht die Entscheidungen darüber, wie am besten Kraftstoff oder Geschwindigkeit optimiert werden sollen; das geschieht alles im Hintergrund über das Energiemanagementsystem – und wir nutzen außerdem mittlerweile KI auf verschiedene Weise, um das, was wir bereits erreicht haben, noch weiter zu optimieren.“
„Wir arbeiten mit unseren Kunden zusammen, um die verschiedenen Betriebsumgebungen sowie eventuell gewünschte Sonderfunktionen zu verstehen, doch alles wird über das Energiemanagementsystem geregelt. Wir kartieren tatsächlich jede einzelne Strecke, da wir das Energiemanagementsystem für den spezifischen Anwendungsfall des Zuges implementieren – somit wissen wir zu Beginn einer Fahrt genau, was wir transportieren, welche Lokomotiven wir haben, welche Energie wir verbrauchen und wohin es geht.“
„Wir verwenden das System bei herkömmlichen Diesellokomotiven mit Elektroantrieb, aber wenn eine batterieelektrische Lokomotive Teil des Zuges ist und wir im Hybridmodus fahren können, erstellen wir bereits vor Abfahrt des Zuges aus dem Bahnhof einen umfassenden Lade- und Entladeplan. Die Energiemanagements Lösung kennt die Strecke, wodurch sichergestellt wird, dass die Batterie weder völlig aufgeladen noch völlig entladen wird und dass möglichst viel Energie aus der Batterie gewonnen werden kann.“
Neben der regenerativen Ladeung verfügt die batterieelektrische Lokomotive über eine integrierte Lösung zur möglichen statischen Steckdosenladeung. Das Standardsystem wurde aus Technologien abgeleitet, die üblicherweise in der Automobilindustrie verwendet werden. Bunce fährt fort: „Die Ladeanforderungen variieren je nach Anwendung, Betriebsprofil und der Infrastruktur des Kunden, und wir arbeiten mit jedem Kunden zusammen, um diese individuell auf seine Bedürfnisse abzustimmen.“
„In der Regel erfolgt bei Güterzugfahrten die Stromversorgung größtenteils über das regenerative Bremssystem, sofern das Gelände es zulässt. Die stationäre Steckdose-Ladung ist hingegen nützlich für Fahrzeuge wie Hybrid- oder Switcher-Lokomotiven, bei denen am Ende der Schicht, wenn die Lokomotive nicht in Gebrauch ist, sie an eine Steckdose angeschlossen und außerhalb der Schicht aufgeladen werden kann. Dies ähnelt stark einem Elektrofahrzeug-System, und in einigen Fällen nutzen wir einen Anbieter für Elektrofahrzeug-Ladungen, um dies zu unterstützen.“
Neben diesem Ansatz hat das Unternehmen außerdem eine speziell für Züge entwickelte DC-Schnellladefunktion eingeführt, die einen stationären Pantografen verwendet, um Energie von den Oberleitungen zu beziehen. Derzeit ist sie noch nicht für das Laden in Bewegung geeignet, doch Bunce sagt, Wabtec „erwarte absolut, diese Fähigkeit in Zukunft zu haben“. „Wir würden beim Vorbeifahren unter dem Pantografensystem Energie abziehen und diese nutzen, um die Batterien während der Fahrt aufzuladen sowie gleichzeitig das Antriebssystem zu versorgen“, erklärt er. „Sobald wir nicht mehr unter der Oberleitung sind, würden wir dann die Batterien nutzen, um weiter voranzukommen.“
Leistungsanpassung
Die Philosophie des FLXdrive bestand darin, die Leistung der vorhandenen Diesellokomotiven so genau wie möglich nachzuahmen – doch es war nicht so einfach, den Dieselmotor durch eine gleichwertige Batteriespeicherkapazität zu ersetzen. Im Gegensatz zu einer Diesellokomotive, bei der der Motor erst Geschwindigkeit aufbauen muss, bevor er seine volle Leistung entfalten kann, zeigte die frühe Entwicklung, dass die batterieelektrische Lokomotive zu schnell reagieren konnte, was dem Bediener im Vergleich zu herkömmlichen Produkten eine unerwartete Herausforderung bereitete.
Selbstverständlich variieren die Werte bezüglich Leistung und Reichweite je nach Strecke, doch das Ziel war stets die Entwicklung einer Reihe von Lösungen, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Bunce erklärt: „Der FLXdrive Switcher ist dafür konzipiert, eine volle Achtstundenschicht zu bewältigen – basierend auf den typischen Umsetzungsanforderungen unserer Kunden. Der FLXdrive Heavy-Haul hingegen kann ein Streckenabschnitt von einerinhalb Meilen oder mehr mit Wagen befördern, wodurch seine Reichweite stark von der Strecke, dem Gelände und den Betriebsbedingungen abhängt.“
„Im Allgemeinen verwendet die Lokomotive auf einer hügeligen Strecke ihre Leistung, um den Hügel hinaufzufahren, und das System lädt sich wieder auf, wenn sie den Hügel hinunterfährt. Eine typische Bergbauanwendung vom Bergwerk zum Hafen beinhaltet das Fahren bergauf in eine Richtung und bergab in die andere – dadurch wird die volle Nutzungsmöglichkeit dieses Geländes ausgeschöpft.“
Wabtec hat Bestellungen für alle Arten von Anwendungen weltweit. Union Pacific wird bald vier FLXdrive Switcher-Einheiten für Betriebe in Kalifornien erhalten, und Canadian National wird eine solche Einheit erhalten. In Australien setzt BHP mehrere Schwergutlokomotiven in der Bergbauregion Pilbara ein, wobei sie voll beladen von Binnenbergwerken zu Küstenhäfen fahren, um auf dem Abstieg selbst wieder aufzuladen.
Die Frage ist nicht mehr einfach nur, ob eine batterieelektrische Lokomotive funktionieren kann; vielmehr geht es darum, wie die Technologie für jede konkrete Anwendung spezifiziert, unterstützt und integriert werden sollte. FLXdrive 2.0 setzt dieses Konzept weiter voran und ermöglicht es der Technologie, dem Kunden sowie der dazugehörigen Infrastruktur, gemeinsam zu lernen. Die Technologie befindet sich noch in einer frühen Entwicklungsphase, und Verbesserungen bei der Akkukapazität sowie der Energiedichte werden in Zukunft den Anwendungsbereich weiter erweitern.
Letztendlich ist die vollständige Elektrifizierung der Schienennetze jedoch noch weit entfernt. Obwohl batterieelektrische Antriebe für bestimmte Anwendungen – insbesondere für Rangierarbeiten und Betriebsarbeiten auf Bahnhöfen – sehr geeignet sind, bedeuten die Reichweitenbeschränkungen weiterhin, dass hybride Systeme auch in ferner Zukunft sinnvoll bleiben werden. In einer Welt, in der Nachhaltigkeit eine Priorität ist, glaubt Bunce daher, dass alternative Kraftstoffe neben dem FLXdrive eine Rolle spielen werden, wobei eher ein Portfolio an Lösungen statt einer einzigen Ersatztechnologie für alle Netze vorgesehen sein sollte.
Zu diesem Zweck untersucht Wabtec neben der Entwicklung seines batterieelektrischen Systems bereits alternative Kraftstoff- und Antriebstechnologien wie Biodiesel, erneuerbares Diesel sowie Erdgas, wobei Ethanol und Wasserstoff derzeit geprüft werden.
„Batterieelektrische Fahrzeuge sind nach wie vor eine sich entwickelnde Technologie, und letztendlich wird es eine Vielzahl von Produkten geben müssen, um unsere Kunden zu unterstützen – einschließlich alternativer Kraftstoffe, Hybrid- und Batteriesysteme, die alle in der Zukunft eine Rolle spielen werden“, sagt Bunce. „Jede Anwendung wird ihre eigenen Anforderungen haben, aber es gibt sicherlich einige Kundenanwendungen, die sich hervorragend für eine vollständig batterieelektrische Zukunft eignen.“
Die derzeitige FLXdrive-Lokomotive dient als Entwicklungsplattform und nicht als endgültige Lösung. Die Akkupakete basieren auf Zellformaten, die von den Verbesserungen in der gesamten Batterieindustrie profitieren können – höhere Kapazitäten, bessere Ladechemien sowie eine höhere Energiedichte können alle zu Verbesserungen bei zukünftigen Lokomotiven führen. Das Steuerungssystem wird außerdem weiterhin die Nutzung der vorhandenen Energie verbessern und von den unvermeidlichen Fortschritten in der KI profitieren.
Es ist bereits klar, dass die Technologie über die anfängliche Frage hinausgegangen ist, ob Batterien eine Lokomotive antreiben können. Die ingenieurtechnische Herausforderung besteht nun in der Skalierung, Integration, Energiemanagement sowie in der Entwicklung der Infrastruktur, die für den Betrieb dieser Art von Maschinen erforderlich ist. FLXdrive bietet mehrere Lösungen für diese Herausforderung: eine Lokomotive, die in ihrem Aussehen und ihrer Funktionsweise an herkömmliche Schienenfahrzeuge erinnert, aber einen grundlegend anderen Ansatz bei der Energieverwendung für verschiedene Betriebszustände verfolgt.
Der Fortschritt von frühen hybriden Lektionen bis hin zu Kundendemonstrationen zeigt, wie sich das System weiterentwickeln wird. Die Kühltechnologie hat bereits mehr Kapazität geschaffen; die Hochspannungsarchitektur ermöglicht den Einsatz bewährter Antriebsmotoren; die Regeneration kann nun Bremsenergie in gespeicherte Energie umwandeln; prädiktive Software hat eine feste Eisenbahn in eine Energiekarte verwandelt; und das gesamte System wurde so konzipiert, dass die Sicherheit bei Betrieb und Wartung gewährleistet ist.
Die Zukunft des schadstoffärmeren Güterverkehrs per Bahn wird voraussichtlich nicht durch einen einzigen dramatischen technologischen Wandel erreicht; vielmehr wird sie wahrscheinlich Strecke für Strecke und Anwendung für Anwendung entstehen, je mehr sich Batterien, Software, Ladeinfrastruktur und alternative Brennstoffe gegenseitig verbessern – und Bunce schließt: „Jede Strecke und jede Anwendung hat ihre eigenen spezifischen Anforderungen, und wir bewerten jede davon, um herauszufinden, welche langfristigen Erwartungen bestehen können.“
„Die Batterie-elektrische Technologie befindet sich noch in den Anfängen ihrer Entwicklung und Einführung. Da die Kapazität der Batterien stetig zunimmt und unser Energiesystem weiterentwickelt wird, glaube ich, dass die Reichweite der Fahrzeuge kontinuierlich steigen wird. Wir prüfen ständig neue Designs und Technologien, um Möglichkeiten zu finden, die Gesamtdichte unseres Systems zu verbessern – und ich denke, wir sind erst am Anfang.“
Ein anpassungsfähiger Arbeitstier
Wabtec arbeitet mit einzelnen Kunden in Nord- und Südamerika sowie Australien zusammen, um batterie-elektrische Lokomotiven für verschiedene spezifische Anforderungen zu entwickeln – von lokalen Transporten bis hin zum langstreckigen Abtransport in der Bergbauindustrie. Keine Aufgabe auf den globalen Eisenbahnen ist gleich, weshalb Wabtec vier verschiedene Basismodelle seines FLXdrive-Systems für unterschiedliche Bedürfnisse entwickelt hat.
Die Basismodelle sind alle dafür konzipiert, bei einer Spurweite von 1435 mm zu fahren, werden jedoch jeweils so ausgestattet, dass ihre Leistung für verschiedene wichtige Eisenbahnbetriebsarten optimiert wird – einschließlich Yardarbeiten, regionaler Verkehr, Untergrundbetrieb und langstreckiger Schwerlastverkehr.
Diese Basismodelle basieren auf der standardmäßigen Heavy-Haul 32 t/Achse-Plattform, wobei die Leistung über einzelne Motoren an bis zu sechs angetriebene Achsen geleitet wird. Die regenerative Bremse ermöglicht eine entscheidende Energierückgewinnung, außerdem ist eine integrierte 480 V AC-Ladefunktion vorhanden, ergänzt durch eine optionale DC-Schnellladung über Ladeleitungen auf der Oberseite der Lokomotive.
Schwerlastverkehr
Es handelt sich um die leistungsstärkste Ausführung, die für den Einsatz auf Hauptstrecken entwickelt wurde. Sie wird in der Regel zusammen mit anderen Diesellokomotiven in einer Zuggruppe eingesetzt.
Leistung (maximal): 3200 kW / 4360 PS
Batteriekapazität: 7 MWh
Achsen: 6, Co-Co-Format
Gewicht: 461 Klbs / 209 t
Abmessungen: L – 76 Fuß / 23,2 m; B – 10 Fuß / 3 m; H – 15,5 Fuß / 4,7 m
Höchstgeschwindigkeit: 76 mph / 123 kph
Antriebskraft
- Startmodus: bis zu 200 Klbf / 890 kN
- Dauerhafter Betrieb: bis zu 155 Klbf / 690 kN
- Nassbremsung: bis zu 98 Klbf / 436 kN
Switcher
Diese Version mit geringerer Leistung ist für Lagerarbeiten sowie für kürzere lokale und regionale Transporte konzipiert.
Leistung (maximal): 1700 kW / 2280 PS
Batteriekapazität: 2,7 MWh, Ladezeit bei voller Ladung 4–7 Stunden
Achsen: 6, Co-Co-Format
Gewicht: 417 Klbs / 189 t
Abmessungen: L – 68 Fuß / 20,7 m; B – 10 Fuß / 3 m; H – 15,5 Fuß / 4,7 m
Höchstgeschwindigkeit: 70 mph / 112 kph
Antriebskraft
- Startmodus: bis zu 200 Klbf / 890 kN
- Dauerhafter Betrieb: bis zu 155 Klbf / 690 kN
Shunter
Es handelt sich um die bisher entwickelte Version mit der geringsten Leistungskapazität, konzipiert mit einer anderen Laufplattform, die für den Einsatz auf den Eisenbahnen Zentralasiens geeignet ist.
Leistung (maximal): 700 kW / 940 PS
Batteriekapazität: 1,2 MWh
Achsen: 4, Bo-Bo-Auslegung
Gewicht: 212 klbs / 96 t
Höchstgeschwindigkeit: 70 mph / 112 km/h
Zugkraft
– Anfahrmodus: bis zu 83 klbf / 370 kN
Dual-Modus
Diese Version wurde speziell für den Einsatz in U-Bahnen in Europa entwickelt und verfügt über eine hybride Kombination aus elektrischem Antrieb und batterieelektrischem Antrieb.
Leistung (maximal): 800–1500 kW / 1072–2010 PS (nur Batterie); 3800–5500 kW / 5095–7375 PS (elektrisch + Batterie)
Batteriekapazität: 1,5 oder 2 MWh
Achsen: 6, Co-Co-Auslegung
Gewicht: 278 klbs / 126 t
Höchstgeschwindigkeit: 70 mph / 112 km/h
Antriebskraft
– Anlaufmodus: bis zu 117 klbf / 520 kN
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