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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur elektrischen Energieversorgung eines schienengebundenen Fahrzeuges mittels eines elektrischen Energieversorgungsnetz mit einer Energierückgewinnungsvorrichtung, die zur Rückgewinnung eines Teils der kinetischen Energie des schienengebundenen Elektrofahrzeuges in elektrische Energie und zur Einspeisung der rückgewonnenen elektrischen Energie in ein elektrisches Energieversorgungsnetz eingerichtet ist.
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Im modernen Schienenverkehr werden heutzutage überwiegend Fahrzeuge eingesetzt, die auf einem elektromotorischen Antrieb beruhen. Dabei wird über eine stromführende Oberleitung oder eine im Gleisbett angeordnete Stromschiene dem Schienenfahrzeug über entsprechende Stromabnehmer elektrische Energie zugeführt, die zum Antrieb des Elektromotors des schienengebundenen Fahrzeuges verwendet wird. Aufgrund des hohen Gewichtes eines schienengebundenen Fahrzeuges bedarf es dabei in der Regel relativ viel elektrischer Energie, um ein solches Fahrzeug aus dem Stillstand in die gewünschte Endgeschwindigkeit zu bringen.
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Aufgrund der zunehmenden Verteuerung von Energieressourcen ist es ein grundlegendes Ziel der Bahnbetreiber, Energie einzusparen, um möglichst profitabel und somit wettbewerbsfähig zu sein. Neben der Entwicklung immer sparsamerer Elektromotoren besteht eine weitere Möglichkeit in der Energieeinsparung im Schienenverkehr darin, einen Teil der kinetischen Energie eines sich bewegenden schienengebundenen Fahrzeuges zum Beispiel beim Abbremsen des Schienenfahrzeuges wieder in elektrische Energie rückumzuwandeln und diese rückgewonnene elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz rückeinzuspeisen.
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Diese Rückgewinnung und Rückeinspeisung wird heutzutage bei nahezu allen modernen elektrischen Lokomotiven verwendet. So deckte beispielsweise die Deutsche Bahn im Jahre 2007 knapp 8% ihres gesamten Strombedarfs für den Eisenbahnbetrieb durch rückgespeiste Bremsenergie (Quelle DB Welt). Dabei wird beim Bremsen des schienengebundenen Fahrzeuges ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeuges durch eine generatorische Verwendung der Antriebsmotoren in elektrische Energie umgeformt und über die Stromversorgungseinrichtung, wie zum Beispiel Oberleitung oder Stromschiene, in das Energieversorgungsnetz zurückgespeist, sofern die entsprechenden Infrastrukturen eine solche Rückeinspeisung durch das Schienenfahrzeug zulassen.
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Eine solche Rückeinspeisung hat dabei den Nachteil, dass sie ungerichtet erfolgt, das heißt, dass aus dem Zeitpunkt der Rückeinspeisung nicht feststeht, ob für die zur Verfügung gestellte elektrische Energie tatsächlich auch ein Verbraucher in diesem Moment existiert. Im ungünstigsten Fall muss überschüssige elektrische Energie zum Beispiel durch Widerstände „verheizt” werden. Wenn dies nicht geschieht, könnte eine Notabschaltung des Netzbereiches wegen einer auftretenden Überspannung erfolgen.
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Aus der
DE 198 31 204 A1 ist eine Vorrichtung zum Betrieb von elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei der beim Bremsen die kinetische Bremsenergie im Energiespeicher gespeichert wird und beim Anfahren bzw. Beschleunigen wieder an das Schienenfahrzeug abgegeben wird. Hier verweist die Vorrichtung im Unterwerk eine entsprechende Steuereinheit auf, die feststellt, wann der Fahrstrom sich erhöht bzw. wann der Fahrstrom absinkt, wobei in Abhängigkeit des Absinkens des Fahrstroms Energie aus dem Energiespeicher hinzugeführt wird, während beim Anheben die überschüssige Energie in den Energiespeicher eingespeist wird. Dabei kann die jeweilige Stromaufnahme der elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuge an eine zentrale Steuer- und Reglereinrichtung für das Fahrstromnetz zurückgemeldet werden.
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Ähnliches offenbart auch die
JP 2005-247192 A .
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Aus der
DE 41 40 218 A1 ist ebenfalls eine solche Vorrichtung zur Energiespeicherung von Schienenfahrzeugen bekannt, wobei hier vorgeschlagen wird, an diskreten, vorherbestimmten Punkten der Fahrstrecke die Einspeisung der Energie bzw. die Aufnahme der überschüssigen Energie durchzuführen.
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Die
DE 101 45 514 A1 schlägt darüber hinaus noch vor, dass unter Kenntnis des nächsten Fahrabschnittes der Energiespeicher so eingerichtet ist, dass er die Energie aufnehmen bzw. abgeben kann.
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Aus der
DE 42 39 164 C1 ist ein informationsgesteuertes Energiespeichersystem für Busse bekannt, die über eine Oberleitung mit elektrischer Energie versorgt werden. Zwischen dem Bus und dem ortsfesten Schwungradspeicher ist dabei ein Signalaustausch zur Steuerung des Energieflusses erforderlich, um so die Speicher- als auch die Bereitstellungszeitpunkte für die elektrische Energie zu synchronisieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zur Rückeinspeisung und Nutzbarmachung der rückeingespeisten Energie im Bahnbetrieb anzugeben, die die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt.
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Die Aufgabe wird mit der Einrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Demnach wird eine Einrichtung zur elektrischen Energieversorgung eines schienengebundenen Fahrzeuges mittels eines elektrischen Energieversorgungsnetztes vorgeschlagen mit einer Energierückgewinnungsvorrichtung, die zur Rückgewinnung eines Teils der kinetischen Energie des schienengebundenen Fahrzeuges in elektrische Energie und zur Einspeisung der rückgewonnen elektrischen Energie in das elektrische Energieversorgungsnetz eingerichtet ist, wobei die Einrichtung mindestens einen mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz verbundenen Energiespeicher aufweist und die Einrichtung zur Speicherung der in das Energieversorgungsnetz eingespeisten elektrischen Energie in den mindestens einen Energiespeicher und zur Abgabe der gespeicherten elektrischen Energie aus dem mindestens einen Energiespeicher in das Energieversorgungsnetz in Abhängigkeit eines elektrischen Energiebedarfs des schienengebundenen Fahrzeuges eingerichtet ist und wobei die Einrichtung zur Ermittlung eines Einspeiszeitpunktes unter Synchronisation der Einspeisung durch das schienengebundene Fahrzeug mit der Speicherung durch den mindestens einen Energiespeicher zum Einspeiszeitpunkt eingerichtet ist und/oder die Einrichtung zur Ermittlung eines Energiebedarfs des schienengebundenen Fahrzeuges und zur Synchronisation des Energiebedarfs mit der Energieabgabe in das elektrische Energieversorgungsnetz durch den mindestens einen Energiespeicher zum Energiebedarfszeitpunkt eingerichtet ist, wobei die Einrichtung zur fahrzeugseitigen Ermittlung des Einspeiszeitpunktes und/oder Energiebedarfszeitpunktes eingerichtet ist, wobei die Einrichtung Kommunikationsmittel aufweist, die zum Übertragen des Einspeiszeitpunktes und/oder Energiebedarfszeitpunktes von dem schienengebundenen Fahrzeug an mindestens einem Energiespeicher zwecks Synchronisation ausgebildet sind, wobei die Einrichtung zur Ermittlung des Einspeiszeitpunktes in Abhängigkeit eines Bremszeitpunktes des schienengebundenen Fahrzeuges eingerichtet ist, wobei die Einrichtung zur Ermittlung des Bremszeitpunktes in Abhängigkeit eines Fahrplanes eingerichtet ist, und/oder dass die Einrichtung zur Ermittlung des Energiebedarfszeitpunktes in Abhängigkeit eines Beschleunigungszeitpunktes des schienengebundenen Fahrzeuges eingerichtet ist, wobei die Einrichtung zur Ermittlung des Beschleunigungszeitpunktes in Abhängigkeit eines Fahrplans eingerichtet ist.
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Dadurch wird es möglich, dass die rückeingespeiste Energie, sofern zum Zeitpunkt der Rückeinspeisung kein Verbraucher existiert, zielgerichtet und temporär in einem Energiespeicher zwischengespeichert wird und bei einem entsprechenden Energiebedarf beziehungsweise beim Vorhandensein eines entsprechenden Verbrauchers wieder an das Energieversorgungsnetz zwecks elektrischer Energieversorgung der schienengebundenen Fahrzeuge abgegeben wird.
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Die Einrichtung weist dazu zunächst eine Energierückgewinnungsvorrichtung auf, die einen Teil der kinetischen Energie eines schienengebundenen Fahrzeuges in elektrische Energie umformt. Dies kann beispielsweise durch die aus dem Stand der Technik bekannte generatorische Verwendung der Antriebsmotoren eines schienengebundenen Elektrofahrzeuges fahrzeugseitig geschehen. Es ist aber auch denkbar, dass eine solche Energierückgewinnungsvorrichtung streckenseitig installiert ist. Die so umgeformte elektrische Energie wird dann durch die Energierückgewinnungsvorrichtung in das elektrische Energieversorgungsnetz eingespeist.
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Des Weiteren weist die Einrichtung mindestens einen Energiespeicher auf, der infrastrukturseitig, das heißt an der Strecke selbst, installiert sein kann, wobei der Energiespeicher mit dem Energieversorgungsnetz, in das die umgeformte elektrische Energie der Energierückgewinnungsvorrichtung eingespeist wird, verbunden ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die eingespeiste Energie auch in dem Energiespeicher gespeichert werden kann. Erfolgt nun eine solche Rückeinspeisung durch das Schienenfahrzeug, so nimmt der Energiespeicher die eingespeiste elektrische Energie auf und speichert sie entsprechend.
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Besteht nun ein elektrischer Energiebedarf, der zum Beispiel durch ein schienengebundenes Fahrzeug verursacht wurde, so ist die Einrichtung derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit dieses elektrischen Energiebedarfs der Energiespeicher die gespeicherte elektrische Energie an das Energieversorgungsnetz abgibt, um das entsprechende schienengebundene Fahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen. Somit kann sehr zielgerichtet auf den schwankenden Energiebedarf im Bahnbetrieb eingegangen werden und so eine optimale konstante elektrische Energieversorgung sichergestellt werden.
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Das elektrische Energieversorgungsnetz, mit dem der Energiespeicher in Verbindung steht, ist dabei zur elektrischen Energieversorgung des schienengebundenen Fahrzeuges vorgesehen, so dass die rückgewonnene elektrische Energie wieder in das zur elektrischen Energieversorgung vorgesehene Versorgungsnetz eingespeist und von dem Energiespeicher gespeichert werden kann.
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Vorteilhafterweise ist die Energierückgewinnungsvorrichtung derart eingerichtet, dass sie während eines Bremsvorgangs des schienengebundenen Fahrzeuges elektrische Energie erzeugt und somit einen Teil der kinetischen Energie in elektrische Energie umwandelt. Dies kann zum Beispiel mittels einer elektromotorischen Bremse erfolgen, bei der die Antriebsmotoren beim Abbremsen als Generatoren verwendet werden.
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Des Weiteren ist es besonders vorteilhaft, wenn die in dem Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz des schienengebundenen Fahrzeuges abgegeben wird, wenn sich das schienengebundene Fahrzeug in einem Beschleunigungsvorgang befindet. Aufgrund der großen Masse eines schienengebundenen Fahrzeuges und der damit einhergehenden Trägheit erfordert es eine erhebliche Menge an elektrischer Energie, um das schienengebundene Fahrzeug auf die gewünschte Geschwindigkeit zu bringen. Bei einem solchen erhöhten Energiebedarf ist es dann besonders sinnvoll, dass der Energiespeicher seine gespeicherte Energie an das Versorgungsnetz abgibt.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Einrichtung zur Kompensation von Einspeisspitzen und Lastspitzen im Energieversorgungsnetz eingerichtet ist. Einspeisspitzen ergeben sich dabei dann, wenn die von der Rückgewinnungsvorrichtung rückgewonnene elektrische Energie in das Versorgungsnetz eingespeist wird und es im Zweifel für diesen Zeitpunkt keinen adäquaten Verbraucher gibt. Im ungünstigsten Fall muss dann überschüssige Energie zum Beispiel durch Widerstände „verheizt” werden. Im Gegensatz dazu ergeben sich Lastspitzen im Energieversorgungsnetz dann, wenn schienengebundene Fahrzeuge eine erhöhte Aufnahme von elektrischer Energie aus dem Energieversorgungsnetz benötigen, zum Beispiel während eines Beschleunigungsvorgangs. Die Vorrichtung ist nun derart eingerichtet, dass durch entsprechendes Speichern der eingespeisten Energie in dem Energiespeicher und Abgabe der gespeicherten Energie solche Einspeisspitzen beziehungsweise Lastspitzen kompensiert werden können.
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Der zur Speicherung der überschüssigen elektrischen Energie vorgesehene Energiespeicher kann dabei zur kinetischen, chemischen und/oder thermischen Speicherung der elektrischen Energie vorgesehen sein. So ist es zum Beispiel denkbar, dass der Energiespeicher durch das Bewegen von Massen (Schwungmassen beziehungsweise Schwungräder), durch Kompression und Dekompression von Gasen, durch Anheben von Gewichten oder Hochpumpen von Wasser, wie zum Beispiel in klassischen Kraftwerken, die elektrische Energie kinetisch gespeichert wird. Aber auch eine direkte Speicherung der elektrischen Energie in Supercaps oder Akkumulatoren ist denkbar.
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Erfindungsgemäß ermittelt die Einrichtung vor der eigentlichen Einspeisung in das Energieversorgungsnetz den Zeitpunkt, zu dem die Einspeisung erfolgen soll, wobei dann die Einrichtung und die Einspeisung der elektrischen Energie in das Energieversorgungsnetz und die Speicherung in den Energiespeicher zum Einspeiszeitpunkt synchronisiert wird. Das heißt mit anderen Worten, der Energiespeicher nimmt erst dann Energie aus dem Energieversorgungsnetz auf, wenn gleichzeitig durch das schienengebundene Fahrzeug die rückgewonnene elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird.
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Erfindungsgemäß ermittelt das schienengebundene Fahrzeug einen Bremszeitpunkt, bei dem mittels der Rückgewinnungsvorrichtung elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird. Die Ermittlung eines Bremszeitpunktes, der in der Zukunft liegt, erfolgt dabei in Abhängigkeit eines Fahrplanes oder in Abhängigkeit einer Geschwindigkeitsüberwachung der Zugsicherung.
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Erfindungsgemäß ist die Einrichtung zur Ermittlung des Energiebedarfszeitpunktes eingerichtet, das heißt zur Ermittlung des Zeitpunktes, an dem das schienengebundene Fahrzeug einen erhöhten Energiebedarf benötigt. Zu diesem ermittelten Energiebedarfszeitpunkt synchronisiert die Einrichtung dann die Energieabgabe aus dem Energiespeicher in das elektrische Energieversorgungsnetz, um so eventuell auftretende Lastspitzen im Energieversorgungsnetz zu kompensieren.
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Dabei ist es denkbar, dass der Energiebedarfszeitpunkt in Abhängigkeit eines Beschleunigungszeitpunktes des schienengebundenen Fahrzeuges ermittelt wird, da erfahrungsgemäß bei einem Beschleunigungsvorgang mehr elektrische Energie benötigt wird. Ein solcher Beschleunigungszeitpunkt wird dabei ebenfalls in Abhängigkeit eines Fahrplans oder einer Geschwindigkeitsüberwachung der Zugsicherung ermittelt.
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Erfindungsgemäß werden die entsprechenden Zeitpunkte (Einspeiszeitpunkt, Energiebedarfszeitpunkt) fahrzeugseitig ermittelt, wobei sowohl das schienengebundene Fahrzeug als auch der Energiespeicher über entsprechende Kommunikationsmittel verfügen. Wurde nun fahrzeugseitig ein solcher Zeitpunkt ermittelt, so kann zum Zwecke der Synchronisation der entsprechenden Zeitpunkte eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Energiespeicher aufgebaut werden. Somit wird sichergestellt, dass der Energiespeicher nur dann Energie aufnimmt/abgibt, wenn dies auch tatsächlich erforderlich ist.
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Die Kommunikation kann dabei auf der Basis des zukünftigen Bahnfunks GSM-R erfolgen.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es aber auch, wenn der Energiespeicher zur Abgabe seiner gespeicherten elektrischen Energie vorgesehen ist, wenn von der Einrichtung ein Spannungsabfall im Energieversorgungsnetz detektiert wird. Auch ist es denkbar, dass der Energiespeicher zur Aufnahme und Speicherung von elektrischer Energie zu dem Zeitpunkt eingerichtet ist, in dem von der Einrichtung ein Spannungsanstieg detektiert wird.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert:
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Es zeigt:
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1 – Schematische Darstellung der Einrichtung.
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1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Einrichtung. Ein Schienenfahrzeug 1, welches mittels einer Oberleitung 2 mit einem Energieversorgungsnetz 3 verbunden ist, weist erfindungsgemäß eine Energierückgewinnungsvorrichtung 4 auf, die an dem Fahrzeug 1 angeordnet ist. Das Fahrzeug 1 bewegt sich dabei in Richtung des Pfeils A.
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Des Weiteren weist die Einrichtung streckenseitig einen ersten Energiespeicher 5a und einen zweiten Energiespeicher 5b auf, der mit dem Energieversorgungsnetz 3 elektrisch verbunden ist. Sowohl das Schienenfahrzeug 1 als auch die Energiespeicher 5a, 5b weisen Kommunikationsmittel 6 auf, mit deren Hilfe das Schienenfahrzeug 1 zwecks Synchronisation mit den Energiespeichern 5a, 5b kommunizieren kann.
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Ein denkbarer Ablauf könnte dabei wie folgt sein:
Zu einem Zeitpunkt T1 ermittelt das schienengebundene Fahrzeug, dass es zu einem Zeitpunkt T2 einen Bremsvorgang einleiten wird. Diese Information könnte das schienengebundene Fahrzeug 1 zum Beispiel aus einem aktuellen Fahrplan aber auch aus einer Geschwindigkeitsüberwachung der Zugsicherung herleiten.
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Die Einleitung des Bremsvorgangs zum Zeitpunkt T2 kommuniziert das Schienenfahrzeug 1 mittels der Kommunikationsvorrichtung 6 an den nächstgelegenen Energiespeicher 5a, so dass der Energiespeicher 5a sich auf die Energieaufnahme zum Zeitpunkt T2 vorbereiten kann.
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Erreicht das Schienenfahrzeug 1 nun den Zeitpunkt T2, so beginnt es mit dem Bremsvorgang, wobei mit Hilfe der Energierückgewinnungsvorrichtung 4 ein Teil der kinetischen Energie während des Bremsvorgangs in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Energierückgewinnungsvorrichtung speist diese rückgewonnene Energie nun mittels der Oberleitung 2 in das Energieversorgungsnetz 3 ein, wo es dann von dem Energiespeicher 5a aufgenommen und gespeichert wird. Das Ende des Bremsvorgangs teilt das Schienenfahrzeug 1 dann dem Energiespeicher 5a ebenfalls mittels des Kommunikationsmittels 6 mit, so dass das Ende der Energieaufnahme durch den Energiespeicher 5a auf den Zeitpunkt fällt, an dem das Schienenfahrzeug 1 sein Bremsvorgang beendet und somit keine Energie mehr in das Energieversorgungsnetz 3 einspeist.
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Zu einem späteren Zeitpunkt T3 ermittelt das Schienenfahrzeug 1 nunmehr, dass es zu einem Zeitpunkt T4 einen Beschleunigungsvorgang einleiten wird und somit einen erhöhten Energiebedarf benötigt. Dies teilt das Schienenfahrzeug 1 mittels der Kommunikationsmittel 6 dem nächstgelegenen Energiespeicher 5b mit und richtet somit den Energiespeicher 5b derart her, dass er zum Zeitpunkt T4 bereit ist, seine gespeicherte Energie an das Energieversorgungsnetz 3 abzugeben. Die Information über den Zeitpunkt des bevorstehenden Beschleunigungsvorgangs könnte das schienengebundene Fahrzeug zum Beispiel aus einem aktuellen Fahrplan oder aus einer Geschwindigkeitsüberwachung der Zugsicherung herleiten.
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In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass das Schienenfahrzeug 1 zum Zeitpunkt T3 zunächst den nächstgelegenen Energiespeicher 5b anfragt, ob überhaupt genügend Energie gespeichert ist. Sollte dies nicht der Fall sein, so ist es weiterhin denkbar, dass das Schienenfahrzeug 1 alternative Energiespeicher in der Umgebung sucht und diese mit Hilfe der Kommunikationsmittel 6 anspricht.
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Erreicht das Schienenfahrzeug 1 nun den Zeitpunkt T4, so erfolgt der Beschleunigungsvorgang und der Energiebedarf des Schienenfahrzeugs 1 steigt. Genau zu diesem Zeitpunkt gibt der Energiespeicher 5b seine gespeicherte elektrische Energie an das Energieversorgungsnetz 3 ab und kompensiert somit eventuell auftretende Lastspitzen im Energieversorgungsnetz 3. Das Ende des Beschleunigungsvorgangs durch das Schienenfahrzeug 1 wird dann ebenfalls dem Energiespeicher 5b mitgeteilt, so dass rechtzeitig die Abgabe der elektrischen Energie durch den Energiespeicher 5b in das Energieversorgungsnetz 3 beendet werden kann.
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Ein Anwendungsgebiet und diese Einrichtung könnte zum Beispiel der Eisenbahnbetrieb sein, aber auch S-Bahnen-Netze und U-Bahn-Netze.
