Bahnstrom-PV-Anlagen können Zugverkehr komplett versorgen und Strompreise senken

Die Deutsche Bahn (DB) ist der größte Verbraucher von elektrischer Energie in Deutschland und betreibt über die DB Energie GmbH ein eigenes Bahnstrom-netz mit einer eigenen Frequenz von 16,7 Hz zur Versorgung der Triebfahrzeuge und Lokomotiven auf den elektrifizierten Strecken.

Grundsätzlich sind zwei relevante Spannungsebenen zu betrachten: Das eigentliche Bahnstromnetz mit einer Spannung von 110 kV ist mit dem öffentlichen Verteilnetz vergleichbar (Länge 7.936 km). Es bildet eine eigene Regelzone. Über insgesamt 191 Unterwerke wird der eigentliche Fahrdraht (15 kV, 19.715 km) gespeist. Über diese Oberleitung werden, die sich bewegenden Fahrzeuge mit elektrischer Energie versorgt.

Insgesamt sind am Bahnstromnetz in Deutschland Erzeugungsanlagen mit einer installierten Leistung von ca. 3 GW installiert. Dies beinhaltet auch die Netzkupplungen (Umformer- und Umrichter-werke) die keine direkten Erzeuger darstellen, sondern eine Kopplung des öffentlichen 50-Hz-Netzes an das 16,7-Hz-Bahnstromnetz realisieren.

Das typische Verbrauchsprofil ist durch den Bedarf an Mobilität bzw. den Fahrplan der DB und anderen Betreibern definiert und weist auf Grund des Pendlerverkehrs typische Lastspitzen in den Morgen- und frühen Abendstunden auf. Diese Spitzen korrelieren stark mit den Börsenstrompreisen. Dies bedeutet, dass allgemein betrachtet gerade dann viel Energie benötigt wird, wenn der Börsenstrompreis hoch ist.

Seit vielen Jahren wird diskutiert, wie man dieses Stromnetz für die Energiewende nutzbar machen kann. Sei es als alternatives Stromnetz, um den konventionellen Netzausbau effizienter zu gestalten, als „mobiler“ Stromspeicher, in dem z.B. Züge Strom auf- oder abgeben können, zur Rückspeisung von Bremsenergie zur Stromnetz-Stabilisierung oder – klassischerweise als Abnehmer von grünem Strom.

Wie das deutsche Bahnstromnetz für die Einspeisung von Solarstrom genutzt werden kann, untersuchte jetzt das Projekt „PV4Rail“.

Das Konsortium unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE entwickelte und testete einen Wechselrichter für die direkte Einspeisung von Photovoltaik-Strom, analysierte das Flächenpotenzial längs der Gleise und führte techno-ökonomische Untersuchungen von Bahnstrom-PV-Anlagen durch. Diese könnten ein wichtiger Baustein der Energiewende werden, wenn regulatorische und marktliche Nachteile ausgeglichen würden.

Am Netz der Deutschen Bahn sind aktuell Erzeugungsanlagen mit einer Leistung von etwa zwei Gigawatt (GW) installiert. Dies sind vor allem konventionelle Kraftwerke und Wasserkraftwerke. Direkt in das Bahnstromnetz einspeisende PV-Anlagen werden jedoch aktuell in Deutschland noch nicht betrieben.

„Ein relevanter Teil des Energiebedarfs im Bahnstromnetz könnte jedoch durch Photovoltaik abgedeckt werden, denn das PV-Flächenpotenzial längs der Bahnstrecken ist um ein Vielfaches höher als die Menge an Energie, die im Bahnstromnetz gebraucht wird“, erklärt Andreas Hensel, Projektleiter PV4Rail am Fraunhofer ISE.

Das Projektteam hatte bundesweit geeignete Flächen identifiziert und mit detaillierten Simulationen auf ihr Potenzial hin untersucht. Selbst wenn nur Flächen im Umkreis von zwei Kilometern um ein Bahn-Unterwerk einbezogen wurden, lag die mögliche installierbare Nennleistung bei 37,6 GW_p und der mögliche Stromertrag bei 32.920 GWh jährlich. Der Strombedarf für die Beförderung der Züge lag 2023 bei ca. 7.500 GWh.

Da das Bahnnetz nicht wie das öffentliche Netz mit einer Frequenz von 50 Hertz, sondern einphasig mit 16,7 Hz betrieben wird, wurde vom Projektpartner Vensys Elektrotechnik GmbH ein Zentralwechselrichter mit 2 MW Leistung entwickelt, der in zwei symmetrische Leistungsteile von jeweils 1 MW aufgeteilt ist.

Im Multi-Megawatt-Labor des Fraunhofer ISE wurde einer der Leistungsteile getestet und ein Wirkungsgrad von 96,6 Prozent gemessen (inklusive Eigenverbrauch für Kühlung etc.). Das Fraunhofer ISE entwickelte zudem Regelungen für den netzbildenden Betrieb der Umrichter im Bahnnetz.

Für die Ausführung des Netzanschlusses betrachtete das Team verschiedene Anschlussmöglichkeiten, je nach Größe der Anlage: während kleinere Anlagen bis 5 MW direkt in die Oberleitung einspeisen können, werden Leistungen bis 12 MW in Unterwerken über die Sammelschiene eingespeist.

Diese Variante weist hinsichtlich der LCoE-Kosten die geringsten Unterschiede gegenüber 50-Hz-Anlagen auf. Für große Anlagen bis 40 MW muss im Allgemeinen ein eigenes Unterwerk mit Trafo und Schaltanlage zur Einspeisung ins 110-kV-Bahnnetz errichtet werden.

Aktuell benachteiligen jedoch die technischen und regulatorischen Rahmenbedingungen Bahnstrom-PV-Anlagen gegenüber Anlagen am 50-Hz-Netz. Die durch den Bezug über das öffentliche Netz entstehenden Mehrkosten aufgrund höherer Verluste bei der Übertragung und der Frequenzumformung werden über die Allgemeinheit aller Verbraucher in Form der Netzentgelte bezahlt.

Eine Weitergabe dieser ökonomischen Vorteile an die Verbraucher durch reduzierte Netzentgelte kann die wirtschaftliche Attraktivität von Bahnstrom-PV-Anlagen steigern und die Energiewende innerhalb des Bahnstromnetzes massiv beschleunigen.

Bislang beschränken sich in Deutschland Bahnstrom-PV-Anlagen daher auf Pilotinitiativen. In Österreich wurden bereits mehrere Anlagen mit mehr als 10 MW_p Leistung am Netz in Betrieb genommen. Die Netzanschlussbedingungen bei der Österreichischen Bundesbahn (ÖBB) unterscheiden sich jedoch von den Anschlussbedingungen der Deutschen Bahn.

Aufgrund der Anforderung an den Betrieb des Bahnstromnetzes und die Kompatibilität der Wechselrichter zur Leit- und Sicherungstechnik können bei der DB nur spannungseinprägende Wechselrichter zum Einsatz kommen. Spannungseinprägendes Verhalten wurde im Projekt von Forschenden am Fraunhofer ISE bereits in der Simulationsumgebung getestet und könnte im Rahmen eines Folgeprojektes noch implementiert werden.