Die Hybridlokomotive H3 von Alstom

Jim Knopf fährt Hybrid

„Eine Insel mit zwei Bergen und dem tiefen, weiten Meer. Mit vier Tunnels und Geleisen und dem Eisenbahnverkehr. Nun, wie mag die Insel heißen? Ringsherum ist schöner Strand, jeder sollte einmal reisen in das schöne Lummerland.“ Als Michael Ende die Geschichte…

„Eine Insel mit zwei Bergen und dem tiefen, weiten Meer. Mit vier Tunnels und Geleisen und dem Eisenbahnverkehr. Nun, wie mag die Insel heißen? Ringsherum ist schöner Strand, jeder sollte einmal reisen in das schöne Lummerland.“ Als Michael Ende die Geschichte von Jim Knopf erdachte, dampfte die Lok Emma noch mit Kohle über die Bühne der Augsburger Puppenkiste. Heute, 50 Jahre später, ist die vom Auto bekannte Hybridbauweise zumindest für Rangierlokomotiven zum Greifen nah. An der Technischen Hochschule (TH) Nürnberg bringt eine Forschergruppe die Deutsche Bahn auf den Stand der Technik.

Der Rangierbetrieb umfasst nicht nur das klassische Hin- und Herrangieren von Waggons am Bahnhof, sondern auch die Beförderung von Gütern im Umkreis bis 100 Kilometer. Innerhalb dieses Radius können Hybridloks Lasten bis zu 2.000 Tonnen hinter sich herziehen. Eine Simulation ist dann gefordert, wenn geklärt werden muss, wieviel Leistung die Lok für eine Aufgabe benötigt oder ob der Treibstoff noch ausreicht. Das Bahnhofsgelände ist zwar eben, doch darüber hinaus  erfordert es erheblich mehr Energie, die Güter über eine Steigung zu hieven.

Diese Bauweise ist technisch vergleichsweise aufwändig. Wie beim Auto schlagen in der Lok zwei Herzen: ein Diesel- und ein Elektromotor, die zusammen 700 Kilowatt leisten, was etwa 900 PS entspricht. Ideal ist diese Kombination für die Fahrt auf Strecken durch geräuschsensible Gebiete, wie eine Siedlung bei Nacht. Die Energie liefert ein Akku, der gut ein Viertel der Lokomotivlänge ausmacht. Ist dieser aufgebraucht, springt der Verbrennungsmotor als Generator ein. Da der Rangierbetrieb hierzulande zwölf Prozent des Dieselverbrauchs ausmacht, ist viel Sparpotential vorhanden.

Um als Kunde, wie die DB, die richtige Lok zu kaufen, bedarf es der Beratung durch eine Simulation. Die Forschergruppe der TH betritt damit Neuland. Es sind zwar schon „gewisse Blöcke da, wie Hybrid für die Straße“, sagt Martin Cichon, Leiter der Forschungsgruppe. „Aber für Schienen gibt es andere Anforderungen.“ Die Motoren sind wesentlich leistungsstärker und müssen hohe Kräfte beim Anfahren aufbringen können. Außerdem gibt es zu viele Kombinationsmöglichkeiten der Motoren, als das alle für den Testbetrieb gebaut werden könnten. Auf dem PC allerdings muss dafür nur ein Modul ausgewechselt werden.

Die gute, alte Dampflok. Schon lange nicht mehr zeitgemäß, Foto: Klaus Hausmann

Die gute, alte Dampflok. Schon lange nicht mehr zeitgemäß, Foto: Klaus Hausmann

Modellieren: Programmieren statt Töpfern

Seit etwa zwei Jahren arbeitet die Gruppe an der Modellbildung. Das Ziel: die Realität möglichst genau durch Abstrahierung und Vereinfachung abbilden. Wichtig ist, „dass man das große Problem soweit herunterbricht, dass man es mit den Möglichkeiten des Studiums berechnen kann“, erklärt Cichon. Grundsatz ist aber dennoch: so einfach wie möglich, so kompliziert wie nötig.

Roman Schaal ist gelernter Maschinenbauer und jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter des Projektes. Auf seinem Computerbildschirm ist die Simulation zu sehen. Sechs bunte Kästchen schweben auf einem weißen Hintergrund, winzig beschriftet und mit dünnen Linien verbunden. Jedes Kästchen symbolisiert eine wichtige Bauteilgruppe, beispielsweise Getriebe oder Steuerung. Klickt er auf eines der Kästchen, öffnet sich ein wesentlich komplizierterer Schaltplan. Der Kasten dient der Zusammenfassung. Bereits ab der zweiten Ebene wird das Modell sehr verworren.

Dem Modell werden so viele Ebenen hinzugefügt, bis für die Berechnung eine mehr oder minder „einfache“ physikalische Formel übrig bleibt. Trotzdem muss man „wesentlich mehr Informationen reinpacken“, als man auf den ersten Blick erwarten könnte, kommentiert Cichon. Das ist der Tatsache geschuldet, dass diese Formeln bereits von vereinfachten Fällen ausgehen, die große Ungenauigkeit erzeugen können.

Erst kommen die Großen dran

Nachdem ein passendes Modell gefunden wurde, hat das Team mit den „low hanging fruits“ begonnen, so Cichon. Das bedeutet, es wird mit den Baugruppen gestartet, die den größten Einfluss auf das System haben. Neue Teile sind dabei nach Art von Plug & Play integrierbar: Positionierung, Anschluss und Einspeisung der Daten.  Markus Schmidt: „Die Programmierung an sich ist nicht schwer, aber das Hintergrundwissen“. Für den Maschinenbauer, der hier seine Bachelorarbeit absolviert, ist dabei die Steuerungs- und Regeltechnik bedeutend. Er arbeitet mit „if…then…“-Beziehungen. Zum Beispiel wenn der Akku unter X Prozent geladen ist, dann wird der Generator eingeschaltet. Hier also: wann und warum ein Motor ein- oder ausgeschaltet wird.

Schmidt öffnet das Programm. Die „Beziehungen“ und „Aktionen“ sind farblich markiert. Er startet das Programm und noch ehe der Ausgabewert vom Laien entdeckt ist, poppt ein anderes Fenster auf. „Ich schau‘ grad im Internet, ob der Wert realistisch ist“, antwortet er auf Nachfrage. Dieser Teil funktioniert bereits, doch Fehlschläge sind alltäglich. Das Programm gibt dann beispielsweise die Meldung „System konvergiert nicht“ heraus und es beginnt die Fehlersuche im Programm. Es „hängt oft an Kleinigkeiten“, kommentiert der Forscher. Probleme sind meist fehlerhafte Beziehungen oder wenn sich das System in eine Dauerschleife manövriert hat.

Mehr Daten: Simulation 2.0

Wenn alle Programmkomponenten richtig agieren, wird eine erste Lok eingesetzt. Ausgestattet mit Sensoren liefert sie ab kommenden Herbst Daten, die die errechneten Ergebnisse stichprobenartig stützen sollen, Validierung genannt. Cichon: „Wir sind zwar nicht die Einzigen“, die an einer Simulation arbeiten, aber „unsere Möglichkeiten werden immer besser“, zum Beispiel durch leistungsstärkere PCs. „Unsere Modelle werden zukünftig immer feiner.“ Nächster Schritt könnte sein, dass die Daten über den Akku verbessert werden. „Momentan wissen wir aber einfach zu wenig, wie ein Akku altert. Durch intelligente Nutzung könnte man die Ladezyklen so steuern, dass der Akku 25 Prozent länger lebt. Das sind dann vielleicht zehn statt acht Jahre.“ Egal, ob es nun acht Jahre sind oder nicht. Die gute, alte Dampflok Emma wird sicher nie ganz verschwinden.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.