Forschungsprojekt MOSENAS
Modularer skalierbarer Energiespeicher für einen nachhaltigen Schienenpersonennahverkehr
Das Vorhaben MOSENAS hat das Ziel der Entwicklung eines batterieelektrischen Zugs für den langfristigen Einsatz auf unterschiedlichen nicht- und teilelektrifizierten Bahnstrecken. Dabei liegt der Fokus des Projektes auf der Auslegung eines modular skalierbaren Batteriespeicher-Systems unter Beachtung von Betriebstauglichkeit, Wirtschaftlichkeit und Vereinbarkeit mit der umgebenden Ladeinfrastruktur.
Forschungsprojekt MOSENAS | |
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Laufzeit | Januar 2022 bis Oktober 2024 |
Förderung durch | Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) |
Projektbeteiligte | - Stadler Deutschland GmbH
- Institut für Vernetzte Energiesysteme
- Institut für Fahrzeugkonzepte
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Im Schienenverkehr bietet der elektrische Antrieb deutliche Emissionsvorteile gegenüber dem Dieselmotor. Die Ausstattung aller Strecken mit Oberleitungen stellt jedoch eine wirtschaftliche Hürde dar oder ist durch lokale Einschränkungen nicht ohne Weiteres umzusetzen. Der zeitnahe Umstieg auf Erneuerbare Energien im Bahnsektor kann jedoch durch den Einsatz moderner Batterietechnologien realisiert werden.
Durch eine Skalierbarkeit des Energiespeichers ist eine optimale Anpassung an die Einsatzbedingungen unterschiedlicher Streckenprofile möglich und die bisher mit Dieselfahrzeugen betriebenen Strecken können elektrisch befahren werden. Dabei stellt Zuverlässigkeit für den reibungslosen Fahrgastbetrieb eine besondere Herausforderung dar. Hier werden Maßnahmen zur Sicherstellung der Energieversorgung ggf. auch über mehrere Streckenumläufe erforderlich.
Streckentopographie, Rekuperation, Klimatisierungsanforderungen, Passagierzahlen sowie die verfügbare Ladeinfrastruktur wirken sich einerseits auf den notwendigen Energiespeicher- und Leistungsbedarf des Batteriesystems und andererseits auf die Lebensdauer der Batterien aus. Eine zu knappe Auslegung der Batteriespeicher kann zu mangelhaften Ladezuständen und in der Folge zu Betriebsstörungen und Zugausfällen führen. Bei Überdimensionierung werden unnötig viel Masse und Bauvolumen gebunden, was in einem zusätzlichen Antriebsenergiebedarf mündet. Gleichzeitig wird zusätzliches Kapital gebunden.
Um die Frage zu adressieren, wieviel Batteriekapazität benötigt wird und welche Zellen am besten geeignet sind, um einen sicheren sowie wirtschaftlichen Betriebsablauf zu gewährleisten, wird im Zuge des Vorhabens eine systematische Batteriealterungsanalyse durchgeführt. Diese Analyse wird durch eine Batteriemesskampagne unterstützt. Auf Basis von Batterie-Alterungsmodellen wird die Konfiguration und Dimensionierung eines Batteriesystems zum Antrieb des batterieelektrischen Zuges optimiert. Die Entwicklung lebensdauerverlängernder Betriebsstrategien wird in Kooperation mit dem DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte erarbeitet.
Lange Zeiten im Fahrbetrieb und vergleichsweise kurze Aufenthalte an den Ladepunkten, beispielsweise in Bahnhöfen oder im Depot, erfordern die schnelle Bereitstellung großer Energiemengen und punktuell die Erweiterung der Ladeinfrastruktur. Diese ist durch geeignete Konzepte der lokalen Netzversorgung und Ausnutzung aller Sektorenkopplungspotenziale und unter möglichst hohem Einbezug von Erneuerbaren Energien zu gewährleisten.
Die Analyse möglicher Nachelektrifizierung, insbesondere Ergänzungselektrifizierung von Streckenabschnitten und Oberleitungs-Inselanlagen, und optimierter Systemlösungen für Infrastruktur- und Fahrzeugkombinationen ist eine weitere Kernaufgabe des Vorhabens. Die Einbindung von Second-Use-Batterien in stationäre Speicheranlagen, um einen ökonomischen und robusten Betrieb mit abgemilderten Auswirkungen auf das öffentliche Stromnetz zu ermöglichen, wird in diesem Zusammenhang untersucht. Als Vergleichsreferenz wird die Vollelektrifizierung von Strecken mit konventionellen Zügen mitgeführt. Bei dieser Referenz sind auf der Strecke durchgängig Oberleitungen vorhanden, wodurch eine Batterie für den Zug nicht notwendig ist. Dies bedingt allerdings einen signifikanten Aufwand zur Ertüchtigung der Infrastruktur. Zur Erhöhung des Einsatzes von erneuerbaren Energieträgern im Verkehrssektor wird die direkte Kopplung der Ladeinfrastruktur mit regenerativen Erzeugungsanlagen (direkt und über das öffentliche Stromnetz) untersucht.
