DE102021209042A1 - Anordnung zum Antrieb einer Lokomotive - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Antrieb einer Lokomotive (LOK) mit zwei unterschiedlichen Energiebereitstellungssystemen mit einer Lokomotive (LOK) und mit einem von der Lokomotive gezogenen Wagen (WA). Ein erstes Energiebereitstellungssystem (PANT, TRAFOL, ACDCWL, GSZK, DCACWL, M) ist als integrierter Bestandteil der Lokomotive (LOK) ausgebildet. Das erste Energiebereitstellungssystem ist als Strombasiertes Energiebereitstellungssystem ausgebildet, das elektrische Energie aus einem Leitungssystem entnimmt, wandelt und zum Antrieb einem elektrischen Antriebsmotor (M) der Lokomotive (LOK) zuführt. Ein zweites Energiebereitstellungssystem (Storage, FuelCell, DCDCWAW, DCACWWA, TRAFOWA) ist als integrierter Bestandteil des Wagens (WA) ausgebildet. Das zweite Energiebereitstellungssystem ist als Wasserstoff-basiertes Energiebereitstellungssystem ausgebildet, das aus Wasserstoff elektrische Energie bildet, wandelt und zum Antrieb den elektrischen Antriebsmotoren (M) der Lokomotive (LOK) zuführt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Antrieb einer Lokomotive mit zwei Energiebereitstellungssystemen.
- Es sind Lokomotiven mit unterschiedlichen Energiebereitstellungssystemen bekannt, die jeweils unabhängig voneinander in der Lokomotive angeordnet sind und unabhängig voneinander betrieben werden.
- Eine elektrische Lokomotive bezieht ihre Energie durch Strom (Wechsel- oder Gleichstrom) aus der Oberleitung und verwendet damit nur ein strombasiertes Energiebereitstellungssystem.
- Elektrische Mehrsystem-Lokomotiven können verschiedene Spannungsebenen und Wechsel- sowie Gleichstrom als Antriebsenergie nutzen. Nachfolgend werden diese verschiedenen Ausprägungen, die auch parallel zueinander auf Mehrsystem-Lokomotiven realisiert werden, als elektrisches Energiebereitstellungssystem auf der Lokomotive beschrieben. In manchen Fällen werden ergänzend auf diesen Loks noch kleine Batterien oder Dieselaggregate verbaut. Dies macht Rangierbetrieb auf nicht elektrifizierten Streckenabschnitten („Last Mile“) möglich.
- Eine Zweikraftlokomotive verwendet beispielsweise als erstes Energiebereitstellungssystem einen Dieselmotor, der einen mit dem Dieselmotor gekoppelten elektrischen Generator antreibt. Eine dadurch erzeugte elektrische Leistung wird mit Hilfe eines AC/DC-Wandlers an einen Gleichstromzwischenkreis übergeben und gelangt von dort über einen DC/AC-Wandler an elektrische Antriebsmotoren der Lokomotive, die die Lokomotive antreiben.
- Parallel dazu ist auf der Lokomotive ein zweites, beispielsweise ein elektrisches, Energiebereitstellungssystem vorhanden. Die Lokomotive entnimmt über einen Stromabnehmer bzw. Pantographen elektrische Leistung aus einer Hochspannungs-Oberleitung und führt diese über einen Hauptschalter einem Transformator zu. Der Transformator wandelt die Hochspannung auf einen niedrigeren Mittelspannungswert herunter. Die Mittelspannung wird dann mit Hilfe eines AC/DC-Wandlers an den Gleichstromzwischenkreis übergeben und gelangt von dort über den DC/AC-Wandler an die elektrische Antriebsmotoren der Lokomotive.
- Derartige Lokomotiven sind flexibel einsetzbar, da sie als Schienenfahrzeuge mit Stromabnehmer und mit Dieselmotor auf elektrifizierten Strecken, auf nicht-elektrifizierten Strecken sowie in deren Übergangsbereichen nahezu unterbrechungsfrei fahren können.
- Nachteilig ist hingegen, dass ein derartiges Schienenfahrzeug eine hohe Gesamtmasse und ein großes Volumen aufweist, bedingt durch die beiden parallel ausgebildeten Energiebereitstellungssysteme bzw. ihrer Komponenten.
- Ein weiterer Nachteil ist mit Blick auf Umweltaspekte und der damit zusammenhängenden Kohlenstoff-Dioxid-Bilanz die Verwendung von Diesel zum Antrieb der Lokomotive.
- Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine umweltfreundlichere Lösung für den Antrieb einer Lokomotive anzugeben, so dass die Lokomotive sowohl auf elektrifizierten Strecken als auch auf nicht-elektrifizierten Strecken fahren kann.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Antrieb einer Lokomotive mit unterschiedlichen Energiebereitstellungssystemen. Die Anordnung weist eine Lokomotive und einen von der Lokomotive gezogenen Wagen auf. Ein erstes Energiebereitstellungssystem ist als integrierter Bestandteil der Lokomotive ausgebildet, während ein zweites Energiebereitstellungssystem als integrierter Bestandteil des Wagens ausgebildet ist.
- Das erste Energiebereitstellungssystem ist als Strombasiertes Energiebereitstellungssystem ausgebildet, das elektrische Energie aus einem Leitungssystem bzw. aus einem Oberleitungssystem entnimmt, wandelt und zum Antrieb einem elektrischen Antriebsmotor der Lokomotive zuführt.
- Das zweite Energiebereitstellungssystem ist als Wasserstoff-basiertes Energiebereitstellungssystem ausgebildet, das aus Wasserstoff elektrische Energie bildet, wandelt und zum Antrieb den elektrischen Antriebsmotoren der Lokomotive zuführt.
- Das Wasserstoff-basierte Energiebereitstellungssystem bildet somit elektrische Energie aus Wasserstoff, der in allen Aggregatszuständen, gelöst oder gebunden vorliegen kann, bevorzugt unter Verwendung einer Brennstoffzelle.
- In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das erste Energiebereitstellungssystem einen Stromabnehmer, einen Transformator, einen AC/DC-Wandler, einen Gleichstromzwischenkreis, einen DC/AC-Wandler sowie den elektrischen Antriebsmotor auf.
- Diese sind derart geschaltet, dass elektrische Energie aus einer Wechselstrom-Leitung (z.B. aus einer Oberleitung oder aus einer Stromschiene) über den Stromabnehmer zum Transformator gelangt, dort gewandelt wird und nachfolgend über den AC/DC-Wandler in den Gleichstromzwischenkreis gelangt.
- Die Energie des Gleichstromzwischenkreis gelangt wiederum über den DC/AC-Wandler zum Antriebsmotor der Lokomotive.
- Das zweite Energiebereitstellungssystem weist einen Wasserstoffspeicher, eine Brennstoffzelle, einen DC/DC-Wandler sowie ein mit dem Gleichstromzwischenkreis der Lokomotive gekoppeltes DC-Übertragungssystem auf. Diese sind derart geschaltet,
- - dass Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher an die Brennstoffzelle gelangt, die daraus elektrische Energie bildet,
- - dass die elektrische Energie über den DC/DC-Wandler zum DC-Übertragungssystem gelangt, um dem Gleichstromzwischenkreis der Lokomotive zugeführt zu werden.
- Alternativ dazu weist das zweite Energiebereitstellungssystem einen Wasserstoffspeicher, eine Brennstoffzelle, einen DC/AC-Wandler sowie einen mit dem AC/DC-Wandler der Lokomotive gekoppelten Transformator auf. Diese sind derart geschaltet,
- - dass Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher an die Brennstoffzelle gelangt, die daraus elektrische Energie bildet,
- - dass die elektrische Energie über den DC/AC-Wandler und über den Transformator zum AC/DC-Wandler der Lokomotive gelangt, um dem Gleichstromzwischenkreis der Lokomotive zugeführt zu werden.
- In einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das erste Energiebereitstellungssystem einen Stromabnehmer, einen Gleichstromzwischenkreis, einen DC/AC-Wandler sowie den elektrischen Antriebsmotor auf.
- Diese sind derart geschaltet, dass elektrische Energie aus einer Gleichstrom-Leitung (z.B. aus einer Oberleitung oder aus einer Stromschiene) über den Stromabnehmer zum Gleichstromzwischenkreis gelangt. Die Energie des Gleichstromzwischenkreis gelangt über den DC/AC-Wandler zum Antriebsmotor der Lokomotive.
- Auch hier weist das zweite Energiebereitstellungssystem einen Wasserstoffspeicher, eine Brennstoffzelle, einen DC/DC-Wandler sowie ein mit dem Gleichstromzwischenkreis der Lokomotive gekoppeltes DC-Übertragungssystem auf. Diese sind derart geschaltet,
- - dass Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher an die Brennstoffzelle gelangt, die daraus elektrische Energie bildet,
- - dass die elektrische Energie über den DC/DC-Wandler zum DC-Übertragungssystem gelangt, um dem Gleichstromzwischenkreis der Lokomotive zugeführt zu werden.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beinhaltet die Lokomotive ein Batteriesystem, das mit dem Gleichstromzwischenkreis der Lokomotive zur Energiespeicherung oder zur Energieeinspeisung gekoppelt ist.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beinhaltet der Wagen ein Batteriesystem, das mit dem Gleichstromzwischenkreis der Lokomotive zur Energiespeicherung oder zur Energieeinspeisung gekoppelt ist.
- Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen umweltschonenden Betrieb der Lokomotive samt Wagen sowohl auf elektrifizierten Strecken als auch auf nicht-elektrifizierten Strecken.
- Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine an sich autarken E-Lokomotive mit geringem Aufwand mit einem weiteren Energiebereitstellungssystem auszustatten.
- Die beiden Energiebereitstellungssystem werden über definierte und einfach realisierbare Schnittstellen in Form einer AC-Verbindung oder in Form einer DC-Verbindung bevorzugt mit einer logischen Ansteuerung bzw. Regelung miteinander funktional gekoppelt.
- Dabei handelt es sich beispielsweise um eine 3kV DC - Verbindung oder um eine 15/25 kV AC - Verbindung.
- Das Energiebereitstellungssystem ist autark auf dem Wagen angeordnet, so dass kein Energieträger-Transport zwischen den beiden Einheiten Lokomotive und Wagen notwendig ist.
- Wagen und Lokomotive sind somit über eine mechanische Verbindung miteinander gekoppelt, um die Bewegung des Wagens (der passiv nachlaufend oder aktiv angetrieben sein kann) zusammen mit der Lokomotive sicherzustellen.
- Wagen und Lokomotive sind wie beschrieben auch über eine elektrische Verbindung miteinander gekoppelt, die einfach realisierbar bzw. nachrüstbar ist.
- Diese Kopplungen ermöglichen es einem Betreiber, bei Bedarf mehrere Wagen mechanisch und zur gemeinsamen (gleichzeitig oder sequenziell) Energiebereitstellung elektrisch zu koppeln und an die Lokomotive anzuhängen.
- Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
- Eine Lokomotive LOK ist mit einem von der Lokomotive LOK gezogenen Wagen WA verbunden.
- Ein erstes Energiebereitstellungssystem ist als integrierter Bestandteil der Lokomotive LOK ausgebildet, während ein zweites Energiebereitstellungssystem als integrierter Bestandteil des Wagens WA ausgebildet ist.
- Das erste Energiebereitstellungssystem ist als Strombasiertes Energiebereitstellungssystem ausgebildet, das elektrische Energie aus einem Leitungssystem bzw. aus einem Oberleitungssystem entnimmt, wandelt und zum Antrieb einem elektrischen Antriebsmotor der Lokomotive zuführt.
- Das zweite Energiebereitstellungssystem ist als Wasserstoff-basiertes Energiebereitstellungssystem ausgebildet, das aus Wasserstoff elektrische Energie bildet, wandelt und zum Antrieb den elektrischen Antriebsmotoren der Lokomotive zuführt.
- Das erste Energiebereitstellungssystem weist einen Stromabnehmer PANT, einen Transformator TRAFOL, einen AC/DC-Wandler ACDCWL, einen Gleichstromzwischenkreis GSZK, einen DC/AC-Wandler DCACWL sowie einen elektrischen Antriebsmotor M auf.
- Diese sind derart geschaltet, dass elektrische Energie aus einer Wechselstrom-Leitung über den Stromabnehmer PANT zum Transformator TRAFOL gelangt, dort gewandelt wird und nachfolgend über den AC/DC-Wandler ACDCWL in den Gleichstromzwischenkreis GSZK gelangt. Die Energie des Gleichstromzwischenkreis GSZK gelangt wiederum über den DC/AC-Wandler DCACWL zum Antriebsmotor M der Lokomotive LOK.
- Das zweite Energiebereitstellungssystem weist einen Wasserstoffspeicher Storage, eine Brennstoffzelle FuelCell, einen DC/DC-Wandler DCDCWWA sowie ein mit dem Gleichstromzwischenkreis GSZK der Lokomotive LOK gekoppeltes DC-Übertragungssystem DCUE auf.
- Diese sind derart geschaltet,
- - dass Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher Storage an die Brennstoffzelle FuelCell gelangt, die daraus elektrische Energie bildet, und
- - dass die elektrische Energie über den DC/DC-Wandler DCDCWWA zum DC-Übertragungssystem DCUE gelangt, um dem Gleichstromzwischenkreis GSZK der Lokomotive LOK zugeführt zu werden.
- In einer hier ebenfalls gezeigten Alternative weist das zweite Energiebereitstellungssystem einen DC/AC-Wandler DCACWWA sowie einen mit dem AC/DC-Wandler ACDCWL der Lokomotive LOK gekoppelten Transformator TRAFOWA auf. Diese sind derart geschaltet,
- - dass Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher Storage an die Brennstoffzelle FuelCell gelangt, die daraus elektrische Energie bildet, und
- - dass die elektrische Energie über den DC/AC-Wandler DCACWWA und über den Transformator TRAFOWA des Wagens WA zum AC/DC-Wandler ACDCWL der Lokomotive LOK gelangt, um über diesen dem Gleichstromzwischenkreis GSZK der Lokomotive LOK zugeführt zu werden.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beinhaltet die Lokomotive LOK ein Batteriesystem BATL, das mit dem Gleichstromzwischenkreis GSZK der Lokomotive LOK zur Energiespeicherung oder zur Energieeinspeisung gekoppelt ist.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beinhaltet der Wagen WA ein Batteriesystem BATWA, das mit dem Gleichstromzwischenkreis GSZK der Lokomotive LOK oder mit der Brennstoffzelle FuelCell zur Energiespeicherung oder zur Energieeinspeisung gekoppelt ist.
- In einer hier nicht weiter gezeigten Alternative ist anstelle der Brennstoffzelle FuelCell auch eine Verwendung eines Wasserstoffmotors mit Generator und nachgeschaltetem AC/DC-Wandler denkbar.
- Diese sind derart geschaltet,
- - dass Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher Storage an den Wasserstoffmotor samt Generator gelangt, der daraus elektrische Energie bildet, und
- - dass die elektrische Energie über den DC/DC-Wandler DCDCWWA zum DC-Übertragungssystem DCUE gelangt, um dem Gleichstromzwischenkreis GSZK der Lokomotive LOK zugeführt zu werden.
- In einer hier ebenfalls nicht weiter gezeigten Alternative zur Verwendung des Wasserstoffmotors mit Generator und nachgeschaltetem AC/DC-Wandler ist folgende Beschaltung denkbar:
- - Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher Storage gelangt an den Wasserstoffmotor samt Generator, der daraus elektrische Energie bildet, und
- - die elektrische Energie gelangt über den DC/AC-Wandler DCACWWA und über den Transformator TRAFOWA des Wagens WA zum AC/DC-Wandler ACDCWL der Lokomotive LOK, um über diesen dem Gleichstromzwischenkreis GSZK der Lokomotive LOK zugeführt zu werden.
Claims (7)
- Anordnung zum Antrieb einer Lokomotive (LOK) mit zwei unterschiedlichen Energiebereitstellungssystemen, - mit einer Lokomotive (LOK) und mit einem von der Lokomotive gezogenen Wagen (WA), - bei der ein erstes Energiebereitstellungssystem als integrierter Bestandteil der Lokomotive (LOK) ausgebildet ist, - bei der das erste Energiebereitstellungssystem als Strom-basiertes Energiebereitstellungssystem ausgebildet ist, das elektrische Energie aus einem Leitungssystem entnimmt, wandelt und zum Antrieb einem elektrischen Antriebsmotor (M) der Lokomotive (LOK) zuführt, - bei der ein zweites Energiebereitstellungssystem als integrierter Bestandteil des Wagens (WA) ausgebildet ist, - bei der das zweite Energiebereitstellungssystem als Wasserstoff-basiertes Energiebereitstellungssystem ausgebildet ist, das aus Wasserstoff elektrische Energie bildet, wandelt und zum Antrieb den elektrischen Antriebsmotoren (M) der Lokomotive (LOK) zuführt.
- Anordnung nach
Anspruch 1 , bei der das erste Energiebereitstellungssystem einen Stromabnehmer (PANT), einen Transformator (TRAFOL), einen AC/DC-Wandler (ACDCWL), einen Gleichstromzwischenkreis (GSZK), einen DC/AC-Wandler DCACWL) sowie den elektrischen Antriebsmotor (M) aufweist, die derart geschaltet sind, dass elektrische Energie aus einer Wechselstrom-Leitung über den Stromabnehmer (PANT) zum Transformator (TRAFOL) gelangt, dort gewandelt wird und nachfolgend über den AC/DC-Wandler (ACDCWL) in den Gleichstromzwischenkreis (GSZK) gelangt und dass die Energie des Gleichstromzwischenkreis (GSZK) über den DC/AC-Wandler (DCACWL) zum Antriebsmotor (M) der Lokomotive (LOK) gelangt. - Anordnung nach
Anspruch 1 , bei der das erste Energiebereitstellungssystem einen Stromabnehmer (PANT), einen Gleichstromzwischenkreis (GSZK), einen DC/AC-Wandler (DCACWL) sowie den elektrischen Antriebsmotor (M) aufweist, die derart geschaltet sind, dass elektrische Energie aus einer Gleichstrom-Leitung über den Stromabnehmer (PANT) zum Gleichstromzwischenkreis (GSZK) gelangt und dass die Energie des Gleichstromzwischenkreis (GSZK) über den DC/AC-Wandler (DCACWL) zum Antriebsmotor (M) der Lokomotive (LOK) gelangt. - Anordnung nach
Anspruch 2 oder3 , bei der die Lokomotive (LOK) ein Batteriesystem (BATL) beinhaltet, das mit dem Gleichstromzwischenkreis (GSZK) zur Energiespeicherung oder zur Energieeinspeisung gekoppelt ist. - Anordnung nach
Anspruch 2 oder3 , bei der das zweite Energiebereitstellungssystem einen Wasserstoffspeicher (Storage), eine Brennstoffzelle (FuelCell), einen DC/DC-Wandler (DCDCWWA) sowie ein mit dem Gleichstromzwischenkreis (GSZK) der Lokomotive (LOK) gekoppeltes DC-Übertragungssystem (DCUE) aufweist, die derart geschaltet sind, - dass Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher (Storage) an die Brennstoffzelle (FuelCell) gelangt, die daraus elektrische Energie bildet, - dass die elektrische Energie über den DC/DC-Wandler (DCDCWWA) zum DC-Übertragungssystem (DCUE) gelangt, um dem Gleichstromzwischenkreis (GSZK) der Lokomotive (LOK) zugeführt zu werden. - Anordnung nach
Anspruch 2 , bei der das zweite Energiebereitstellungssystem einen Wasserstoffspeicher (Storage), eine Brennstoffzelle (FuelCell), einen DC/AC-Wandler (DCACWWA) sowie einen mit dem AC/DC-Wandler (DCACWL) der Lokomotive (LOK) gekoppelten Transformator (TRAFOWA) aufweist, die derart geschaltet sind, - dass Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher (Storage) an die Brennstoffzelle (FuelCell) gelangt, die daraus elektrische Energie bildet, - dass die elektrische Energie über den DC/AC-Wandler (DCACWWA) und über den nachgeschalteten Transformator (TRAFOWA) zum AC/DC-Wandler (ACDCWL) der Lokomotive (LOK) gelangt, um dem Gleichstromzwischenkreis (GSZK) der Lokomotive (LOK) zugeführt zu werden. - Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wagen (WA) ein Batteriesystem (BATWA) beinhaltet, das mit dem Gleichstromzwischenkreis (GSZK) der Lokomotive (LOK) und/oder mit der Brennstoffzelle (FuelCell) zur Energiespeicherung oder zur Energieeinspeisung gekoppelt ist.
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