NGT FuN and Energy
Übergeordnetes Projektziel ist es, die Attraktivität des Schienenpersonen- und Schienengüterverkehrs als Teil des Gesamtverkehrssystems sowohl aus einer starken betreiber- als auch aus einer nutzerorientierten Perspektive zu sichern und zu steigern. Weiteres Ziel ist dabei möglichst alle Anforderungen der unterschiedlichen Stakeholder an ein Schienenfahrzeug optimal erfüllen zu können.
In den Vorgängerprojekten RoSto und ProCo begonnene und erfolgreich im europäischen ERJU-Kontext platzierte Arbeiten (Fahrwerk, Hybridpowerpack, Wasserstofftanks, Aerodynamik) werden fortgesetzt und zu größerer technischer Reife geführt. Aufgrund der Vorarbeiten stehen im den nächsten 3 Jahren Test- und Demonstrationsvorhaben im Verbund mit Industriepartnern im ERJU Umfeld an, in denen die technologische Reife nachgewiesen wird und der Technologietransfer durchgeführt wird.
Das Leitkonzept NGT TAXI wird aus dem Projekt NGT FuN and Energy (NGT FE) mit konkret ausgearbeiteten Inhalten gefüllt. Das betrifft hier hauptsächlich Fahrwerk, Antrieb, Energieversorgung und Energiespeicherung.
Fahrwerk und Antrieb
In diesem Teilprojekt werden innovative Fahrwerke und Antriebe für den Schienenpersonen- und -güterverkehr systematisch entwickelt, erprobt und hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit, Sicherheit, Komfortwirkung sowie Integrationsfähigkeit bewertet. Ziel ist es, hochautomatisierte, energieeffiziente und wartungsarme Fahrwerks- und Antriebsstrukturen bereitzustellen, die in unterschiedlichen Anwendungsszenarien – von urbanen Leichtfahrzeugen bis hin zum Schienengüterverkehr – eingesetzt werden können. Dabei erfolgt die Entwicklung sowohl modellbasiert als auch experimentell, unterstützt durch Prüfstandsbetrieb, digitale Zwillinge und simulationsgestützte Bewertung.
Für das mechatronische Leichtbau-Einzelradfahrwerk mit radnahem Direktantrieb des NGT-HGV werden die Basisinnovationen mechatronische Spurführung, Leichtbau und radnaher Direktantrieb weiterentwickelt – mit erweiterten Sicherheitsfunktionen, intelligenter Regelung für Gleit- und Schleuderschutz sowie Spurführung. Im Bereich des elektrischen Antriebs werden Temperaturmanagement, Schwingungsverhalten und Akustik gezielt optimiert. Durch experimentelle Validierung des NGT FuN Fahrwerks auf Leistungs- und Integrationsprüfständen wird die Betriebsstabilität erhöht und der Technologiereifegrad gesteigert. Gleichzeitig wird die Zertifizierbarkeit zustandsbasierter Instandhaltungssysteme erforscht – ein entscheidender Schritt für die Zulassung sicherheitskritischer Technologien.
Für den Schienengüterverkehr stellt das autarke, selbstfahrende ASINO-Drehgestell eine Plug-and-Play-Lösung für den Betrieb auf der „letzten Meile" ohne Rangierlok dar, mit der die Güterlogistik flexibler und die Betriebskosten gesenkt werden sollen. Ziel ist, existierende Güterwagen einfach und kostengünstig durch Tausch der Drehgestelle mit einer autonomen Fahrfunktion aufzuwerten. Das Konzept sieht vor, dass alle Komponenten für den autarken Betrieb – elektrischer Antriebsstrang (Akku, Wechselrichter, Motor, Getriebe), Kühlung, Steuerungselektronik, Luftkompressor für die Bremsung sowie Kommunikations- und Positionssensoren – direkt im Drehgestell des Güterwagens integriert werden.
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Hybridpowerpack und Energiemanagement
Zur Reduzierung der Emissionen im Schienenverkehr sollen dieselbetriebene Fahrzeuge durch emissionsfreie Alternativen ersetzt werden. Während Akkuhybrid- und Brennstoffzellenhybridtriebzüge im Personenverkehr bereits im Fahrplaneinsatz sind, existieren für Streckenlokomotiven bislang keine marktverfügbaren Lösungen. In diesem Teilprojekt wird daher ein lokal emissionsfreies Fuel-Cell-Hybrid-Power-Pack-Konzept (FCHPP) für hohe Leistungs- und Energiebedarfe entwickelt – als modularer Baukasten für skalierbare Wasserstoff-/Batterie-Hybridantriebe, der eine anforderungsgerechte Energieversorgung auch auf nicht elektrifizierten Strecken ermöglicht.
Im Fokus stehen die Schnittstellenstandardisierung sowie die Energie- und Kosteneffizienz des Systems. Das FCHPP wird für den Anwendungsfall eines Energietenders konzipiert und definiert, um einen robusteren Schienenverkehr, ein optimiertes Energiemanagement sowie eine verbesserte Batterieladung und Wasserstoff-Betankung zu ermöglichen. Dabei kommen die in den Drittmittelprojekten FCH2Rail und H2BAR gewonnenen Datenschätze zum Einsatz und werden zur Aufstellung und Validierung von digitalen Zwillingen genutzt.
Ergänzend werden Fragestellungen zur Sektorenkopplung, zur Erweiterung des Einsatzbereichs auf stationäre und maritime Anwendungen sowie zur elektrischen und thermischen Energieauskopplung untersucht, sodass die entwickelten Konzepte über den Schienenverkehr hinaus übertragbar sind.
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H2-Drucktanks für Schienenanwendungen
Die prinzipielle Eignung von Wasserstoff als Energieträger im Schienenverkehr wurde in den vergangenen Jahren erfolgreich demonstriert – etwa im Forschungsprojekt FCH2RAIL oder mit Fahrzeugen wie dem Coradia iLint und dem Mireo Plus H. Für den wirtschaftlichen Bahneinsatz besteht jedoch weiterhin erheblicher Optimierungsbedarf bei den H₂-Drucktanksystemen.
Ein zentrales Optimierungspotenzial liegt in der Verlängerung der Einsatzdauer von CFK-basierten Drucktanks gegenüber konventionellen metallischen Systemen. Zur Steigerung der Lebensdauer und Verlängerung der Serviceintervalle werden maßgeschneiderte numerische Methoden entwickelt, die das strukturelle Versagensverhalten der Tanks zuverlässiger abschätzen. Ein Structural-Health-Monitoring-System (SHM) erfasst dabei kontinuierlich Informationen über den strukturellen Zustand der Tanksysteme, die für die Modellbildung und Bewertung herangezogen werden.
Ebenso adressiert wird der Betankungsprozess: Da die maximal zulässige Temperatur von 85 °C im Tank nicht überschritten werden darf, erfordert der negative Joule-Thomson-Effekt – die Wärmefreisetzung bei der Wasserstoffexpansion mit lokal ausgeprägten Temperaturspitzen – bislang konservative Betankungsstrategien. Zur Überwindung dieser Einschränkung werden alternative Materialkombinationen mit verbesserten Wärmeleiteigenschaften untersucht, die beschleunigte Betankungsprozesse ermöglichen.
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Aerodynamik
Die Aerodynamik ist sowohl im Betrieb als auch im Zulassungsprozess von Zügen ein entscheidender Faktor: Sie beeinflusst direkt die Fahrsicherheit und den Energiebedarf und trägt somit maßgeblich zu den Lebenszykluskosten bei. Da numerische Methoden aufgrund der Strömungskomplexität nur bedingt verlässliche Ergebnisse liefern, sind experimentelle Untersuchungen – oft in Echtgröße – weiterhin unverzichtbar. Ziel ist es, durch die Weiterentwicklung numerischer Verfahren und die aerodynamische Optimierung von Zügen und Komponenten die Zertifizierung zu vereinfachen und die Betriebskosten zu senken.
Im Fokus stehen dabei mehrere Anwendungsfelder: Die Aerodynamik eines Regionalzugs mit variabler Geometrie wird untersucht, um aerodynamischen Widerstand und Seitenwindkräfte mithilfe geeigneter numerischer Methoden präzise vorherzusagen. Ein modularer Stromabnehmer wird aerodynamisch und akustisch optimiert: Durch geeignete Anbauteile soll der Anpressdruck auf den Fahrdraht in den Idealbereich gebracht und gleichzeitig die Schallemission verringert werden. Ergänzend werden in Zusammenarbeit mit dem ERJU-Projekt Rail4Earth Simulationen durchgeführt, um den Einfluss der Einbauposition auf die Umströmung zu berücksichtigen.
Zur Erfassung der aerodynamischen Beladungslasten wird ein speziell ausgerüsteter Messcontainer eingesetzt, der Lasten auf die Zugbeladung unter Realbedingungen erfasst. Die Messmethodik wurde im Windkanal verifiziert. Anhand der gewonnenen Daten sollen der aerodynamische Widerstand des Zugs und die Seitenwindlasten auf den Container durch gezielte Maßnahmen reduziert werden. Die Arbeiten werden in Zusammenarbeit mit den ERJU-Projekten TRANS4M-R und Future4Freight durchgeführt.
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Beteiligte Institute und Einrichtungen: