Batterieelektrischer Antrieb auf der Schiene

Die FLXdrive-Lokomotive, die im vergangenen Oktober feierlich vorgestellt wurde, trug Roy Hills ikonische rosa Lackierung. (Foto: Wabtec Corporation)

Ende Oktober 2023 feierten der Transportlösungsanbieter Wabtec und sein Erstkunde Roy Hill, ein in Australien ansässiges Eisenerzbergbauunternehmen, das Debüt der FLXdrive-Lokomotive – eines Serienmodells, das Wabtec als „weltweit erste zu 100 % batteriebetriebene Schwerlastlokomotive für den Fernverkehr“ bezeichnete.

Das Debüt war der Höhepunkt von über einem Jahrzehnt Forschung und Entwicklung, die zu einer Zeit begann, als Batterietechnologie und -dichte noch weitaus begrenzter waren. Rogerio Mendonca, Präsident von Freight Equipment bei Wabtec, bezeichnete das erste Projekt des Unternehmens als „eher ein wissenschaftliches Pilotprojekt als alles andere“.

Rogerio Mendonca, Präsident, Freight Equipment, Wabtec

Der FLXdrive kam 2021 mit einer Pilotlokomotive, die in Zusammenarbeit mit BNSF entwickelt wurde und über 21.000 Kilometer zurücklegte, richtig in Fahrt. „Es war in vielerlei Hinsicht ein sehr, sehr erfolgreiches Pilotprojekt“, sagte Mendonca. „Die Lokomotive hatte eine Leistung von etwa 2,4 MWh. Es war tatsächlich das erste Mal, dass wir eine echte Schwerlastlokomotive mit vollwertigem Batterieantrieb im Güterverkehr im Einsatz hatten …“

„An diesem Punkt wurde uns klar, dass wir wahrscheinlich bereit für ein kommerzielles Produkt größeren Maßstabs auf Basis der Batterietechnologie waren.“

Skalierbare Lösung

Wabtec hat mit mehreren Kunden, darunter Roy Hill, bei der gemeinsamen Entwicklung der FLXdrive-Schwerlastlokomotive zusammengearbeitet. Diese Partnerschaften sowie die rasanten Fortschritte in der Batterietechnologie haben Aspekte wie die Verpackung der Batterien, die optimale Leistung an Bord, Sicherheitssysteme und vieles mehr beeinflusst.

Infolgedessen ist das Serienmodell – obwohl es physikalische Ähnlichkeiten mit der Pilotlokomotive aufweist – weit von dieser entfernt. „[Im Jahr 2021] hatten wir diese 2,4-MWh-Lokomotive, und die, die wir an Roy Hill liefern, hat eine Leistung von 7 MWh. Es handelt sich also um die gleiche physikalische Struktur und die gleiche Lokomotivgröße, aber die Technologie … hat es uns ermöglicht, eine deutlich höhere Leistungsdichte zu erreichen, was eine der entscheidenden Variablen ist“, sagte Mendonca.

Die FLXdrive-Lokomotive verfügt über eine modulare und skalierbare Batteriearchitektur, die für die Integration in verschiedene Schienenfahrzeuge und Umgebungen konzipiert ist, darunter Schwerlast-, Rangierbahnhof-, Regional-, Pendler-, Hybrid- und Speziallokomotiven. Die maximale Batteriekapazität reicht je nach Konfiguration und Anwendung von 1,5 bis zu 8,5 MWh.

Die Schwerlastversion basiert laut Mendonca auf einer dieselelektrischen Lokomotive, nutzt jedoch anstelle eines Dieselmotors flüssigkeitsgekühlte Lithium-Ionen-Akkus. Ein „ganzer Batteriesatz“ liefert die erforderliche Leistung – insgesamt 72 Akkus bei der Lokomotive, die von Roy Hill in der bergbauintensiven Pilbara-Region in Westaustralien eingesetzt werden soll.

Die FLXdrive-Lokomotive verfügt über eine modulare und skalierbare Batteriearchitektur, die für die Integration in verschiedene Schienenfahrzeuge und Umgebungen konzipiert ist. (Foto: Wabtec Corporation)

„Dieser Batteriesatz ist ein komplexes System, das nicht nur die Batteriezellen enthält, sondern auch alle dazugehörigen Sicherheits- und Kontrollsysteme“, sagte Mendonca, darunter ein proprietäres Wärmemanagementsystem. „Wenn wir so viele Batterien zusammenbauen, wollen wir sicherstellen, dass dies sicher und zuverlässig geschieht. Dazu gehören zahlreiche Zubehörteile und Systeme zur Kühlung, Steuerung und Gewährleistung eines stabilen Systembetriebs.“

Die FLXdrive-Schwerlastlokomotive kann zwar auch unabhängig betrieben werden, wurde aber für den Einsatz in einem Hybridzug entwickelt – sie ersetzt beispielsweise eine der dieselelektrischen Einheiten in einer dreiteiligen Lokomotivkette. Das Energiemanagementsystem von Wabtec optimiert den Energieverbrauch innerhalb dieses Zugverbandes.

„Es bestimmt beispielsweise, wann die Batterie genutzt und wann sie geladen wird, und wie der optimale Betrieb zwischen den beiden Dieselmotoren und der einen Lokomotive im Batteriebetrieb aussieht“, erklärte Mendonca. „Ich würde sagen, einer der faszinierendsten Aspekte der Technologie ist die Möglichkeit, die Energieverteilung im gesamten Zugverband zu steuern, nicht nur zur Kraftstoffoptimierung, sondern auch zur Reduzierung der Emissionen.“

Abfahrtsladung

Für FLXdrive-Einheiten sind statisches Laden und optionales Gleichstrom-Schnellladen mit stationärem Stromabnehmer verfügbar. Für die Zukunft ist die Einführung optionaler Lademöglichkeiten in Bewegung geplant. Der Schwerlast-FLXdrive ermöglicht zudem die regenerative Bremsladung während der Fahrt.

„Diese Funktion ist meiner Meinung nach einer der wichtigsten Aspekte hinsichtlich Emissions- und Kraftstoffeinsparungen dieser Lokomotive und vereinfacht den gesamten Betrieb“, da die Notwendigkeit statischer Aufladung weitgehend entfällt, so Mendonca. „Es ist eine Funktion der Anwendung, da die Topografie die Fähigkeit dieser Lokomotiven, die Batterie aufzuladen, maßgeblich bestimmt.“

Roy Hill plant, die batterieelektrischen Lokomotiven als Teil eines Hybridzuges in seine bestehende Flotte zu integrieren. (Foto: Wabtec Corporation)

Wir haben Kunden, die im Bergbau tätig sind. Typischerweise fährt man von einer Mine auf einem Berggipfel zu einem Hafen. Dort werden diese Lokomotiven oft nur über das Bremssystem aufgeladen. Daher könnte es in einem Hybridzug zu einem Punkt kommen, an dem diese batterieelektrischen Lokomotiven nicht mehr extern aufgeladen werden müssen. Sie können während der gesamten Strecke aufgeladen werden.

Darüber hinaus enthält das Batteriesystem den FLX Optimizer, ein intelligentes Tempomatsystem für Elektrozüge, das auf dem Trip Optimizer für die Diesellokomotiven von Wabtec basiert. „Es ist ein System, das den Betrieb der Lokomotive steuert, Brems- und Beschleunigungspunkte bestimmt und so hilft, die sogenannte optimale Fahrt zu erreichen“, sagte Mendonca. „Wie bringt man einen Zug am besten von A nach B? Dieses System berechnet – basierend auf Geschwindigkeit, Haltepunkten und Höhenlage – die richtigen Beschleunigungs- und Bremspunkte.“

Auch der FLXdrive profitiert stark von diesem System, da es Lade- und Entladevorgänge optimiert. Das trägt nicht nur zum Betrieb selbst bei, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Batterien, da ein optimaler Betrieb gewährleistet wird.

Geringere Kosten und Emissionen

Diese Technologie ist entscheidend, um die Leistung zu erbringen, die Kunden wie Roy Hill erwarten. Das Bergbauunternehmen betreibt derzeit vier dieselelektrische Lokomotiven der Wabtec ES44Aci Evolution-Serie, die 240-Wagen-Erzzüge auf einer geschlossenen Ringstrecke ziehen, die von der Mine auf der eigenen Eisenbahnlinie zu den Hafenanlagen und zurück führt. Das Unternehmen verschifft jährlich über 63 Millionen Tonnen Erz an Stahlproduzenten.

„Sie profitieren von äußerst zuverlässigen Anlagen mit hoher Verfügbarkeit. Das ist für sie von entscheidender Bedeutung, da sie im Grunde das Förderband betreiben, das das Erz von der Mine zum Hafen und wieder zurück transportiert“, sagte Mendonca.

Angesichts der Strecke und des Bahnbetriebs des Unternehmens ist zu erwarten, dass Hybridzüge mit der FLXdrive-Lokomotive sowohl die Treibstoffkosten als auch die Emissionen pro Zug um einen zweistelligen Prozentsatz senken werden.

Podcast: Anwendungen und Vorteile der batterieelektrischen Lokomotive von Wabtec. Rogerio Mendonca von Wabtec hebt die Vorteile und Anwendungen der batterieelektrischen Lokomotive FLXdrive des Unternehmens hervor

„Der Hauptgrund für die Entwicklung der Batterielokomotiven ist, unsere Kunden bei ihren Dekarbonisierungsplänen zu unterstützen, sei es bei einem Verbund mit drei Diesellokomotiven und einer oder zwei Batterien, um die Emissionen proportional zu reduzieren, oder bei einem kompletten Batteriezug“, erklärte Mendonca. „Das war das ursprüngliche Konzept – ein Produkt zu schaffen, das im Schwerlastverkehr emissionsfrei eingesetzt werden kann. Und ich halte diesen Weg für sehr vielversprechend.“

Roy Hill plant, die batterieelektrischen Lokomotiven in seine bestehende Flotte zu integrieren und gleichzeitig die Dieseltechnologie weiterzuentwickeln, um sie kraftstoffeffizienter und zuverlässiger zu machen. „Die Kombination aus Batterie und Diesel wird ihnen definitiv helfen, einen sehr guten, optimierten Punkt in Sachen Kraftstoffeffizienz und Transportkapazität zu erreichen – all die Variablen, die für ein großes Bergbauunternehmen wie Roy Hill am wichtigsten sind“, sagte Mendonca.

Er fügte hinzu: „Die dieselelektrischen Lokomotiven sind nach wie vor ein sehr wichtiger Bestandteil unseres Portfolios und der Geschäftstätigkeit unserer Kunden weltweit, und das wird auch noch einige Zeit so bleiben. Die Dieseltechnologie hat sich in den letzten Jahren hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und… nicht nur der CO2-Emissionen, sondern auch der Partikelemissionen der Tier-4-Technologien rasant weiterentwickelt. Es gibt also eine sehr solide dieselelektrische Technologie auf dem Markt, die mit Batterien kombiniert wird und diesen Übergang schrittweise vorantreibt.“

Kontinuierliche Entwicklung

Die FLXdrive-Lokomotive, die Ende 2024 nach Westaustralien geliefert wird, wird in Wabtecs Produktionsstätte in Erie, Pennsylvania, gebaut. „Da es sich um die erste Lokomotive handelt, bauen wir in der Nähe unserer Entwicklungsstandorte“, sagte Mendonca. „In Zukunft werden sie hoffentlich in unseren Werken weltweit gebaut.“

Die Produktentwicklung wird auch nach der Inbetriebnahme der Lokomotive im Bergbaubetrieb von Roy Hill in Pilbara, Australien, fortgesetzt. (Foto: Wabtec Corporation)

Die Produktentwicklung wird auch nach Inbetriebnahme der Lokomotive fortgesetzt. „Wenn diese Lokomotiven in Australien in Betrieb gehen, werden wir mit Roy Hill vor Ort sein und die Lokomotiven gemeinsam betreiben. Wir werden kontinuierlich lernen und unsere Erkenntnisse in den Bau- und Konstruktionsprozess einfließen lassen“, sagte Mendonca.

„Das war ein interessanter Lernprozess für die Branche im Allgemeinen“, fügte er hinzu, „und wir haben das Glück, Partner wie Roy Hill zu haben, die diesen Lernprozess gemeinsam mit uns beschleunigen.“

Die Technologie rund um die Batterien – nicht nur im Hinblick auf Batteriedichte und Lebensdauer, sondern auch auf die Steuerung – werde sich weiterhin rasant weiterentwickeln und zu noch weiteren Fortschritten im Design führen, prognostizierte Mendonca.

„Von unserem Pilotprojekt vor drei Jahren bis zu den Lokomotiven, die wir heute bauen, sehen wir bereits eine deutliche Entwicklung. Und ich denke, die Branche ist davon überzeugt, dass sich die Fortschritte weiter beschleunigen werden“, sagte er. „Das ist sehr, sehr vielversprechend. Wir freuen uns auf die Weiterentwicklung der Technologie in den nächsten Jahren.“