Analyse und Energiesimulation für Schienenfahrzeuge - Simulationsframework pySimRail
Der Energiefluss im Betrieb von Schienenfahrzeugen durchläuft eine Vielzahl komplexer Prozesse – von der Energiebereitstellung über den Pantographen oder Tankstelle über die intelligente Steuerung von Energieträgern (z. B. Batterie und Brennstoffzelle) bis hin zur effizienten Nutzung für Antrieb und die Versorgung interner Verbraucher wie Klimatisierung. Für eine bedarfsgerechte, wirtschaftliche Auslegung sowie einen energieoptimierten Betrieb ist eine ganzheitliche Betrachtung dieses gesamten Energiepfads unerlässlich. Diese können wir mit unserem ganzheitlichen Schienenfahrzeug-Simulationsframework pySimRail abbilden.
Motivation
Betreiber und Fahrzeughersteller stehen vor der Herausforderung, Fahrzeuge mit alternativen Antriebskonzepten auf bestehender Infrastruktur zu integrieren, ohne über umfassende Betriebserfahrungen mit diesen neuen Technologien zu verfügen. Vor diesem Hintergrund ist eine datenbasierte, ganzheitliche Planung entscheidend, bei der pySimRail die nötigen Erkenntnisse liefert:
- Auf Grundlage betrieblicher Anforderungen und vorhandener Infrastruktur müssen Fahrzeughersteller neue Technologien bewerten, die entsprechenden Antriebssysteme kosteneffizient auslegen und energieoptimierte Betriebsstrategien entwerfen. pySimRail ermöglicht bei der Auslegung und Bewertung zudem eine Ableitung gegebenenfalls notwendiger Infrastrukturmaßnahmen.
- Im laufenden Betrieb der neuen Fahrzeuge besteht für die Betreiber zudem ein wachsender Bedarf an systematischer Erfassung und Analyse von Flottendaten, um Optimierungspotenziale zu identifizieren. Durch die simulative Nachbildung realer Betriebsabläufe lassen sich Energiebedarfe, Verluste und Betriebsstrategien schnell bewerten. So können Schwachstellen erkannt und gezielte Maßnahmen zur Energieeinsparung sowie zur Optimierung von Energiemanagement, Lade- und Betankungsvorgängen, Fahrweise, Fahrplan und Instandhaltung entwickelt werden.
Forschungsportfolio
Aufbauend auf unserer langjährigen Erfahrung entwickeln wir digitale Systemmodelle mit virtuellen Komponentenabbildern, um fundiertes Wissen für nachhaltige und bedarfsgerechte Transportlösungen im Schienenverkehr zu generieren. Mit pySimRail – einem mehrstufigen, modularen Python-Framework – können wir den gesamten Betriebsablauf (alternativ angetriebener) Schienenfahrzeuge digital abbilden. Es kombiniert detaillierte Teilmodelle für:
- Längsdynamik zur Simulation der Fahrzeugbewegung,
- Fahrgastraummodell mit Fokus auf Heizung, Lüftung und Klimatisierung,
- Energiemanagementsystem zur intelligenten Leistungsverteilung und effizienten, komponentenschonenden Betriebsführung (z. B. von Batterie und Brennstoffzelle),
- Optimierungsmodul Smart Energy and Speed Optimzer Rail (SEnSOR
Unser Ansatz unterstützt sowohl in der Konzeptphase bei der Entwicklung wirtschaftlicher Fahrzeug- und Infrastrukturkonzepte als auch im laufenden Betrieb durch einen umfassenden Service zur Erfassung, Analyse und Optimierung realer Betriebsdaten alternativer Antriebssysteme.
Projektreferenzen
- FCH2Rail - FCH2RAIL – DLR Transport
- Forschungsprojekt DZSF - Forschungsprojekt DZSF – Versorgungskonzept und Integration von erneuerbaren Energien in neuartige Tank- und Ladeinfrastrukturen
- Europe's Rail - Flagship Project 4: RAIL4EARTH - A sustainable and green rail system - Europe's Rail - Flagship Project 6: FUTURE - Regional rail services/Innovative rail services to revitalise capillary lines - Europe's Ra
- Hydrail Projekt
- Grundfinanzierte Forschung - ProCo - Propulsion and Coupling - FCHPP
- Wasserstoffschiene Heidekrautbahn - H2BAR - Begleitforschung Fahrzeuge und Tankstelle
- MOSENAS - MOSENAS – „Modularer skalierbarer Energiespeicher für einen nachhaltigen Schienenpersonennahverkehr“
Veröffentlichungen
- Begleitforschung Heidekrautbahn - Beschreibung Simulationsframework und Anwendung auf realen Wasserstoffzugbetrieb: electronic library - Holistic Modeling and Optimization of Hydrogen-Powered Trains for Zero-Emission Railway Operation
- Forschungsbericht DZSF - Versorgungskonzept und Integration von Erneuerbaren Energien in neuartige Tank- und Ladeinfrastrukturen: DZSF - Forschungsberichte - Versorgungskonzept und Integration von Erneuerbaren Energien in neuartige Tank- und Ladeinfrastrukturen
- FCH2RAIL - Anwendung auf Brennstoffzellen-Powerpack: electronic library - The FCH2RAIL Project: A Demonstration of a Modular Fuel Cell Hybrid Power Pack
- FCH2RAIL - Dimensionierung von Batterie und Brennstoffzelle: electronic library - IRSA 2023 Proceedings: Comparison of simulative methods for dimensioning of fuel cell-battery hybrid powertrains in FCH2Rail and VirtualFCS
- MOSENAS - Simulationen für effiziente Innenraumklimatisierung: electronic library - Efficient Air Conditioning of Battery-Electric Multiple Units (BEMU): Modeling and Optimization
- ProCo (DLR grundfinanzierte Forschung) -- Optimierung der Fahrweise und des Energiemanagements für beliebige Schienenfahrzeugtypen: electronic library - Optimization algorithm for minimizing railway energy consumption in hybrid powertrain architectures: A direct method approach using a novel two-dimensional efficiency map approximation
- ProCo (DLR grundfinanzierte Forschung) - Optimierung von Nachlade-Infrastruktur auf Basis von Simulationsreihen: electronic library - AN OPTIMIZATION MODEL FOR COST-MINIMAL CONFIGURATION OF BATTERY TRAINS AND RECHARGING INFRASTRUCTURE
- ProCo (DLR grundfinanzierte Forschung) - Dimensionierung von Antriebsstrangkomponenten: electronic library - Standardized Sizing for Alternative Drivetrains in Rail Vehicles: A Modular Approach for Enhanced Efficiency and Cost Reduction