Genaue Daten als Grundlage – Preisgekröntes Projekt zur Einsparung von Energie in Schienenfahrzeugen

 

Im Januar 2019 wurde ein Projekt des Departements Physik der Universität Basel und des Bahnunternehmens BLS mit dem Energiepreis Watt d’Or des Bundesamt für Energie ausgezeichnet. Das Projekt, das von Prof. em. Peter Oelhafen initiiert worden war, ermöglicht Energieeinsparungen bei Schienenfahrzeugen. Andreas Tonin vom Elektroniklabor des Departements Physik, der viele Jahre lang vom SNI unterstützt wurde, war massgeblich an dem Projekt beteiligt. Bei ihm laufen nun alle Fäden eines Nachfolgeprojekts mit der Metro in Lausanne zusammen.

 

Andreas Tonin und Peter Oelhafen bei der Preisverleihung (Bild: Andreas Tonin)

Einsparpotenzial untersuchen
Auch im öffentlichen Verkehr lässt sich Energie einsparen. Bevor Massnahmen umgesetzt werden, ist es wichtig zu wissen, bei welchen Teilsystemen eine Modernisierung lohnend ist. Prof. em. Peter Oelhafen vom Departement Physik der Universität Basel regte genau dies an. In einer Zusammenarbeit mit dem Bahnunternehmen BLS wurde 2011 ein NINA S-Bahn Zug (NINA: Niederflur-Nahverkehrs-Zug) mit Sensoren ausgestattet, der seither den genauen Energieverbrauch verschiedener Geräte und Systeme sowie Klimadaten erfasst und auf einem Daten-Server speichert. 

Gezielte Modernisierung spart Energie
Es zeigte sich, dass etwa ein Drittel der Energie für Heizung, Lüftung und Kühlung benötigt wurde. Etwa ein weiteres Drittel verbrauchten die Züge im Stehen, da viele Systeme nicht abgestellt worden waren. Die genauen Messungen haben gezielte Neuerungen angestossen, die den gesamten Energieverbrauch um rund 20% reduzieren konnten. So wurde ein Schlummerbetrieb eingeführt und die Frischluftzufuhr bedarfsgerecht geregelt. Die Züge wurden mit moderner Lichttechnologie ausgestattet und nanobeschichtete Fenster eingebaut, die einen verbesserten Wärmeschutz bieten, aber trotzdem für Mobilfunkwellen durchlässig sind.

Für die Beteiligten war das Projekt ein voller Erfolg, der durch die Auszeichnung mit dem Watt d’Or des Bundesamts für Energie im Januar 2019 noch gekrönt wurde. 

Nachfolgeprojekte gestartet
Inzwischen sind auch andere Verkehrsbetriebe in Projekte zur Verbrauchs- und Klimadatenerfassung in Personenzügen in Zusammenarbeit mit der Universität Basel und anderen Schweizer Forschungsinstitutionen (Hochschule Luzern, Empa, EPFL, Berner Fachhochschule, Fachhochschule Südschweiz) involviert. Swiss electric research und die Bundesämter für Energie und Verkehr unterstützen diese Initiativen. 

So gibt es beispielsweise seit November 2018 eine weitere Zusammenarbeit mit den Verkehrsbetrieben Lausanne (tl) zur Messung einer Metro, nachdem dort schon seit 2015 ein Trolleybus untersucht wurde. Andreas Tonin vom Departement Physik in Basel, der bei dem preisgekrönten Projekt mit der BLS massgeblich beteiligt war, spielt auch in dieser Kooperation eine zentrale Rolle. Im April 2019 konnten die Messungen in der Metro starten: «Auch in Lausanne messen wir kontinuierlich den Energieverbrauch der verschiedenen Teilsysteme und erfassen Klimadaten.» 

Zunächst werden die notwendigen Komponenten im Labor getestet, damit dann beim Einbau alles möglichst zügig gehen kann (Foto: Andreas Tonin, Departement Physik, Universität Basel).

Viele verschiedene, aufeinander abgestimmte Komponenten
Das hört sich zunächst einfach an, ist aber ziemlich komplex. Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO2-Gehalt werden an verschiedenen Orten im Fahrgastraum sowie in den beiden Fahrerkabinen des zweiteiligen Pendelfahrzeugs erfasst. Die Sonneneinstrahlung wird ebenso gemessen wie die Aussentemperatur und Öffnungszeiten der Türen. Da die Metro meist oberirdisch fährt, ist eine genaue Standortbestimmung per GPS möglich. Zudem messen Sensoren den Energieverbrauch der Motoren, der Heizung, der Beleuchtung, der Infosysteme und der Kühlung, die es allerdings nur in den Fahrerkabinen gibt. Auch die Energierückgewinnung im Bremsbetrieb wird erfasst. In der Metro müssen für alle Geräte geeignete Orte zur Montage gefunden werden und das Messsystem darf den Fahrbetrieb in keiner Weise behindern. Deshalb sind alle Messgeräte elektrisch vom Fahrzeugsystem isoliert und werden nur aus der Fahrzeugbatterie versorgt, welche vor übermässiger Entladung geschützt wird.

Seit November 2018 plant, baut und dokumentiert Andreas Tonin das System und den Einbau der verschiedenen Sensoren und Messsysteme, die er an die Gegebenheiten vor Ort anpassen muss. 

«Die Metro Lausanne läuft hauptsächlich mit Gleichspannung (750V, 24V), was die Messungen deutlich schwieriger macht als das beim NINA-Projekt der Fall war», berichtet er. So muss jeder Strom- und Spannungswert separat gemessen und mit einem speziellen System etwa 30 mal pro Sekunde zu einem Leistungswert multipliziert und dieser laufend zu einem Energiewert aufaddiert werden. Verbrauchszähler, wie wir sie auch aus dem Haushalt kennen, sind für Wechselstrom ausgelegt und kommen hier nur bei den Klimageräten zum Einsatz, die aus einem Wechselrichter gespeist werden. 

Im April ging es los
Wie geplant werden seit April 2019 einmal am Tag via Mobilfunk alle erfassten Daten automatisch auf einen zentralen Daten-Server geschickt, von wo aus sie abgerufen werden können. 

Andreas Tonin fungiert als Datenmanager und liefert die Daten an die anderen Projektpartner. Er wertet auch selber Daten aus. Alle Beteiligten sind gespannt, welche Schlüsse aus der Fülle von Zahlen gezogen werden können und welche Ergebnisse sich wie bei den NINA-Zügen der BLS dann in Massnahmen zu Energieeinsparung umsetzen lassen.

Mehr Information über das preisgekrönte Projekt: 

Watt d’Or 2019: Zug um Zug zu mehr Energie-effizienz:

https://www.youtube.com/watch?v=38U4lnVrb84watch?v=38U4lnVrb84

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