Antrieb­s­tech­nologie

Beim Antrieb von Bahnen kann zunächst grob nach dem Energieträger unterschieden werden:

  • Dampf, vor allem Wasserdampf
  • Mineralölprodukte, insbesondere Dieselkraftstoff
  • elektrischer Strom
  • Kombination verschiedener Energieträger

Spezialfälle wie Natronlokomotiven, Dampfmotoren, Gasmotorbahnen, Kabelzugbahnen mit ortsfesten Antrieben, Magnetbahnen oder experimentelle Verfahren sollen in diesem Abschnitt nicht näher betrachtet werden.

Dampflokomotiven

Klassischer Ausbau einer Weiche
© Plasser & Theurer

Der Eisenbahn-Klassiker war über Jahrzehnte die Dampftraktion. Dampflokomotiven und Dampftriebwagen beherrschten etwa 150 Jahre lang global das Bild von der Eisenbahn. Sie sind nichts anderes als ein „an Schienen gebundenes, fahrbares Dampfkraftwerk“ [1].

Die Dampftraktion basiert auf dem namengebenden Energieträger Wasserdampf, der im Fahrzeug mittels eines Dampfkessels unter Kohle- oder Ölfeuerung, seltener mit Holzfeuer, aus mitgeführten Wasservorräten erzeugt wird. Das erfordert für den notwendigen Betriebsdruck eine erhebliche Anheizzeit, bevor sich der Zug in Bewegung setzen kann. Kernstück des eigentlichen Antriebes sind eine oder auch mehrere Dampfmaschinen, in denen ein Kolben wechselseitig mit Dampf beaufschlagt wird und sich so in steter translatorischer (Längs-)Bewegung befindet. Mithilfe eines aufwendigen Gestänges und Zapfen an den Rädern wird diese „Hin-und-her-Bewegung“ in eine Rotation umgesetzt. Feuerlose oder Dampfspeicher-Lokomotiven beziehen ihren Betriebsdruck von ortsfesten Anlagen und führen einen Dampfvorrat im Druckkessel mit. Sie sind also schneller fahrbereit, wenn auch mit begrenztem Aktionsradius.     

Erste Dampfmaschinen sollen bereits im 16. Jahrhundert entstanden sein. Bis zur vollen Funktionsfähigkeit war vor allem im 18. und 19. Jahrhundert noch eine Reihe bedeutender Erfindungen erforderlich, so jene von James Watt ab 1775 (Kondensator, Doppelwirkung, Schwungrad, Fliehkraftregler). Bereits 1769 war der Cugnot´sche Dampfwagen auf Straßen versuchsweise unterwegs. Ihm folgten weitere Experimente, bevor ab 1803 erste Fahrten auch auf Schienen stattfanden, teilweise mit Zahnrad- oder Stelzenunterstützung. Urahn aller Dampflokomotiven im heutigen Sinne war 1825 die „Rocket“ von Robert Stephenson. In den folgenden rund 130 Jahren wurde fortwährend verbessert, weiterentwickelt und am nach wie vor geringen Wirkungsgrad gearbeitet. Immer wieder tauchen auch heute noch Pläne auf, die Dampftraktion mit neuen Verfahren und hohem Wirkungsgrad wiederauferstehen zu lassen. Reizvoll mag sein, hier auf eine Primärenergiequelle (Kohle) setzen zu können, doch neigt sich das Zeitalter der Kohle- wie auch der Ölverbrennung dem Ende zu.  

Diesellokomotiven

Unter den Antrieben mit Verbrennungskraftmaschinen erfuhren im Bahnbereich die Dieselmotoren die weltweit größte Verbreitung. Gleichwohl gab es auch Benzol-, Leuchtgas- und Ottomotoren in vereinzelten Einsätzen sowie die dem Flugzeugbau entlehnte Gasturbine, diese unter anderem im Schnellverkehr mehrerer Länder. All diese Aggregate verbrennen Mineralölprodukte oder Gas. Da ein Großteil der im Treibstoff vorhandenen Energie auch hier in Wärme umgesetzt wird, ist der Wirkungsgrad begrenzt. Er sinkt noch weiter, werden zusätzlich Rohstoffgewinnung, Treibstoffproduktion und Transportleistungen berücksichtigt.   

Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren führen ihren Treibstoff mit und sind daher universell einsetzbar – auch im Fall von Streckenstörungen. Die vom Dieselmotor (entwickelt von Rudolf Diesel ab 1892) in seinen Zylindern erzeugte Rotationsenergie kann auf drei Arten auf die angetriebenen Radsätze übertragen werden:

  • dieselmechanisch, mittels mechanischem Zahnrad-Schaltgetriebe
  • dieselhydraulisch, mittels Hydraulikflüssigkeit und Wandlern
  • dieselelektrisch, mittels elektrischem Strom

Der dieselmechanischen Leistungsübertragung sind Grenzen gesetzt, auch gibt es zumindest leichte Zugkraftunterbrechungen beim Schalten der Gänge. Wegen ihrer Vorteile haben sich die dieselhydraulische und die dieselelektrische Übertragung durchgesetzt – mit unterschiedlichen Präferenzen je nach Land, Betreiber und Instandhalter.

Beide System beinhalten unterschiedliche Vorteile
© Plasser & Theurer

Elektrolokomotiven

Nachdem Werner Siemens das elektrodynamische Prinzip 1879 erstmals umkehrte und zum Antrieb einer kleinen Schienenbahn nutzte, sind Elektroantriebe im Bahneinsatz kontinuierlich fortentwickelt worden. Charakteristisch ist das besondere Merkmal von Elektromotoren, kurzzeitig hoch überlastbar zu sein. Das ist insbesondere in der Anfahrphase (hohe Anfahrzugkraft) sehr vorteilhaft und hält die erforderliche Motorgröße im Rahmen.

Nur Elektroantriebe machen leise, lokal emissionsfreie und umweltverträgliche Verkehre möglich. Hinsichtlich der Emissionen insgesamt ist bedeutsam, aus welchen Quellen die elektrische Energie bezogen wird. Ganz sauber ist der Antrieb, wenn statt Kohle- oder Atomstrom erneuerbare Energien (Wasserkraft, Wind- oder Solarenergie) genutzt werden. Dann lässt sich auch ein Gesamt-Wirkungsgrad von 80 % und mehr erreichen. Einige Unternehmen haben bereits teilweise oder vollständig auf den Einkauf von „Ökostrom“ umgestellt. 

Bei der Elektrotraktion sind mehrere Lösungen möglich.

Gleichstrommotoren (Gleichspannung)

Der Gleichstrommotor wird von Anfang an bei Schienenfahrzeugen genutzt, er ist einfach und robust, die Energierückgewinnung beim Bremsen leicht möglich. Allerdings ist die Leistungsübertragung trotz großer Leitungsquerschnitte in Gleichstromnetzen verlustbehaftet, die Höhe der Spannung begrenzt und nicht transformierbar. Netzspannungen bis 750, inzwischen auch bis 1.000 V kommen in urbanen Netzen zum Einsatz. Hauptbahnen unter 1.500 V Gleichstrom gibt es beispielsweise in Frankreich und den Niederlanden, solche mit 3.000 V – zugleich das Maximum – unter anderem in Belgien, Italien, Slowenien und Südamerika.

Wechselstrommotoren (Einphasen-Wechselspannung)

Der Betrieb des Wechselstrommotors profitiert von den großen Vorteilen bei der Leistungsübertragung zwischen Kraftwerk und Verbraucher, die – bei hoher Spannung – mit nur geringen Verlusten behaftet ist. Wechselstrom kann leicht transformiert werden, allerdings ist hier die Leistung des Motors begrenzt. Viele Bahnen Europas nutzen Wechselstrom mit 15 kV 16,7 Hz Fahrdrahtspannung, in Frankreich werden 25 kV 50 Hz, in den USA 50 kV 50 Hz und in den Staaten der ehemaligen Sowjetunion 11 kV 25 Hz verwendet. Transformatoren im Fahrzeug und elektronische Bauelemente machen den Wechselstrom für die Lokomotiven nutzbar.

Drehstrommotoren (Dreiphasen-Wechselspannung)

Drehstrommotoren gelten heute als der ideale Fahrmotor im Eisenbahnwesen, sowohl im kommunalen Bereich als auch im Schwer- und Schnellverkehr. Sie können unter Wechselspannung ebenso wie unter Gleichspannung betrieben werden. Im Fahrzeug wird der Strom aus der Eingangsspannung transformiert und zudem – in Wechselstromnetzen – zunächst zu Gleichstrom, dann stets zu Dreiphasen-Wechselstrom umgeformt. Drehstrom-Asynchronmotoren sind einfach, robust und wartungsarm sowie ideal für die Rekuperation (Bremsstromrückgewinnung) in beiden Stromsystemen. Die Stromzuführung aus Dreileiter-Drehstromnetzen, wie in der Frühzeit der elektrischen Traktion untersucht, scheitert an dem hohen Aufwand für drei externe Zuleiter entlang der Strecke und deren wenig praxisgerechter Anwendbarkeit.

Hybridlokomotiven

Hybridstopfmaschinen können wahlweise mit Diesel oder Strom aus der Oberleitung betrieben werden
© Plasser & Theurer

Bei genauerer Betrachtung sind – nach heutiger Bezeichnungsweise – dieselelektrische Triebfahrzeuge bereits mit den Grundelementen serieller Hybridtechnik ausgestattet, denn der Diesel arbeitet lediglich als Kraftwerk für den Elektroantrieb. Besonderes Kennzeichen heutiger Hybride ist zudem die Möglichkeit, Energie zu speichern und so den Energiebedarf insgesamt deutlich zu senken. Ein modernes Hybridfahrzeug verfügt über elektrische Fahrmotoren, die stets aus Speichern gespeist werden. Diese werden durch Rekuperation und den bedarfsweise laufenden Verbrennungsmotor oder die Brennstoffzelle nachgeladen, fallweise auch via Oberleitung oder induktiv. Um eine lange Lebensdauer der Speicher (Lithium-Ionen-Technik) zu gewährleisten, werden die Zellen stets möglichst nur in geringem Maße entladen. Bei Nahverkehrsbahnen können diese Speicher hoher Kapazität um Hochleistungskondensatoren ergänzt werden, die kurzzeitig Energie nahezu verlustfrei aufnehmen und abgeben können, unterstützend genutzt insbesondere in der Anfahrphase.

Eine Besonderheit sind Elektrolokomotiven mit – kleinem – „Last-Mile-Diesel“. Er ermöglicht in Verbindung mit einem Generator Rangierfahrten geringer Geschwindigkeit überall dort, wo kein Fahrdraht installiert ist. Perspektivisch wird dieser Diesel durch einen Energiespeicher ersetzt werden können. 


  1. [1] Preuß, E., Preuß, R.: Lexikon Erfinder und Erfindungen. Eisenbahn. Berlin 1986, VEB Verlag für Verkehrswesen. ISBN 3-344-00053-5