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Die Erfindung betrifft einen Waggon zum Anhängen an ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug umfassend einen Tragrahmen mit Drehgestellen, der so ausgebildet ist, dass er einen Container zum Transport auf der Schiene tragen kann.
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Für Schienenfahrzeuge sind verschiedene elektrische Antriebsvarianten bekannt. So gibt es rein elektrisch angetriebene Schienenfahrzeuge, die eine Oberleitung oder Stromschiene zur Stromversorgung benötigen. Weiterhin gibt es dieselelektrisch angetriebene Schienenfahrzeuge, bei denen der Verbrennungsmotor einen Generator antreibt und mit dem erzeugten Strom wird ein elektrischer Fahrmotor angetrieben. Des Weiteren gibt es Hybrid-Fahrzeuge, die einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor gespeist beispielsweise aus einer Batterie als Fahrantrieb nutzen. Nachteilig an diesen Varianten ist, dass sie große Einschränkungen bezüglich der Einsetzbarkeit haben. So sind rein elektrische Schienenfahrzeuge auf Oberleitungen oder Stromschienen angewiesen, dieselelektrische Fahrzeuge können nicht abgasfrei fahren, da immer der Dieselmotor laufen muss, und hybrid-angetriebene Fahrzeuge haben im elektrischen Betrieb nur eine sehr begrenzt Reichweite, da die bisher verfügbaren Batterien nicht genug Leistungsdichte haben.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Stromversorgung für ein elektrisch oder teilweise elektrisch angetriebenes Gleichstrom- oder Mehrsystem-Schienenfahrzeug zu bieten, welche flexibler und besser verfügbar als Oberleitungen oder Stromschienen ist und eine bessere Kostenrelation oder Leistungsdichte als Batterien aufweist.
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Die Aufgabe wird durch einen Waggon oder eine Waggongruppe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen genannt. Die verschiedenen beschriebenen Merkmale können nicht nur einzeln sondern auch in Kombination genutzt werden, um die erfindungsgemäße Ausführung weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich der Waggon oder die Waggongruppe dadurch aus, dass der Waggon auf dem Tragrahmen einen Container umfasst, der zumindest eine Redox-Flow-Zelle enthält, deren Leistung auf den Antrieb eines Schienenfahrzeugs abgestimmt ist und dass der Tragrahmen eine Kupplung umfasst, die eine Anschlussstelle zur Leistungsabgabe an ein elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug aufweist.
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Die Redox-Flow-Zelle enthält Elektrolyt-Tanks und Stacks zur Stromerzeugung enthält und eine elektrische Anbindung zur Leistungsabgabe.
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Die Anzahl der Stacks und somit die Leistung der Redox-Flow-Zelle ist auf den Leistungsbedarf des Antriebs eines Schienenfahrzeugs abgestimmt. Die Leistungsabgabe der Stacks ist bevorzugt mit Gleichstrom analog der Bahn-Gleichstromnetze (1,5 oder 3 kV) ausgeführt und liegt in seiner Maximalleistung insbesondere oberhalb von 500 kW. Dies wird durch die Reihen- und/oder Parallelschaltung der Stacks erreicht. Das Volumen der Tanks für die Elektrolyte ist auf maximale Kapazität bei verfügbarem Raum optimiert. Der Waggon verfügt auf beiden Seiten über elektrische Anbindungspunkte. Die elektrische Anbindung zwischen Waggon und Schienenfahrzeug sowie zwischen elektrisch parallelgeschalteten Waggons erfolgt über die Kupplung, beispielsweise über eine Waggonkupplung, zum Beispiel eine sogenannte Scharfenberg-Kupplung, oder über eine separat zu kuppelnde Kabelverbindung. Eine Umwandlung des gelieferten Gleichstroms in die vom Fahrmotor benötigte Stromart wird bevorzugt durch die im Schienenfahrzeug integrierte Wechselrichter-Infrastruktur sichergestellt.
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Ein wesentlicher Vorteil ist, dass somit elektrische gespeicherte Energie für ein Schienenfahrzeug zur Verfügung steht, in dem ein erfindungsgemäßer Waggon oder eine Waggongruppe angekoppelt und elektrisch mit dem Schienenfahrzeug über die Kupplung zur Leistungsabgabe verbunden wird. Speicherkapazität (kwh) und Leistung (kW) definieren die Kosten einer Batterie. Durch die Verwendung von Redox-Flow-Zellen und bei Nutzung der im Schienenfahrzeug vorhandenen Gleich- und Wechselrichter steht zu geringeren Kosten wesentlich mehr Speicherkapazität zur Verfügung, als bei Batterien oder Akkuzellen, da die Kapazität durch die Menge an Elektrolyt bestimmt wird, sowie mehr Leistung, da auf die begrenzende Gleich-/Wechselrichter-Infrastruktur in der Redox-Flow-Zelle verzichtet werden kann.
Im Vergleich mit Bleiakkumulatoren oder Lithium-Ionen-Akkus weist die hier beschriebene Anwendung eine deutlich höhere Lebensdauer (>15.000 Zyklen im Vergleich zu ca. 1.500 (Bleiakkumulator) oder ca. 7.000 (Lithium-Ionen-Akku)), eine maximale Tiefentladung und geringere Kosten pro Kapazität auf.
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Dadurch dass der Energiespeicher als eigener Waggon ausgeführt wird, kann er sehr flexibel gehandhabt werden. Und bei höherem Leistungs- oder Kapazitätsbedarf können beispielsweise weitere Waggons angehängt werden. So kann ein elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug auch größere Strecken ohne Oberleitung oder Stromschiene befahren, etwa wenn aufgrund einer Störung ein Streckenabschnitt umfahren werden muss oder wenn generell eine Teilstrecke nicht elektrifiziert ist. Und ein Hydrid-Fahrzeug kann damit eine deutlich höhere Reichweite im elektrischen Betrieb erzielen im Vergleich zum Betrieb mit im Schienenfahrzeug vorhandenen Batterien.
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Die Rückspeisung der beim Bremsen vom Fahrmotor des Schienenfahrzeugs gewonnenen Energie erfolgt über die elektrische Anbindung in die Redow-Flow-Zelle und lädt diese wieder auf. So kann die elektrische Energie auch ohne Anbindung an Oberleitung oder Stromschiene genutzt werden.
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Zudem ist die erfinderische Lösung nutzbar, ohne dass ein aufwendiger Umbau oder gar ein Austausch der Schienenfahrzeugflotte notwendig ist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Waggon so gestaltet ist, dass der Container vom Tragrahmen in einfacher Weise gelöst und gegen einen anderen Container getauscht werden kann. So kann eine entladene Redox-Flow-Zelle gegen eine geladene ersetzt werden und es steht wieder Strom zur Verfügung. Alternativ kann auch der ganze Waggon gegen einen Waggon mit aufgeladener Redox-Flow-Zelle ausgetauscht werden.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist der Container zumindest zwei Tanks für zwei verschiedene Elektrolyte und zumindest je einen Betankungsstutzen zum Beladen und Entladen der Tanks. auf. So ist ein Ablassen des verbrauchten Elektrolyts und ein Betanken mit frischem Elektrolyt möglich, um die Stromversorgung durch die Redox-Flow-Zelle wieder zu ermöglichen, nachdem sie entladen war.
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Um eine größere Energiemenge zur Verfügung zu haben, zum Beispiel um größere Strecken überbrücken oder schwerere Züge schleppen zu können, können in der Waggongruppe einer oder weitere Waggons vorgesehen sein, die jeweils einen Tragrahmen mit Drehgestellen und einen Container mit zumindest einer Redox-Flow-Zelle umfassen.
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Insbesondere kann der Container des Waggons auch einen Wechselrichter umfassen, so dass die Leistungsabgabe des Waggons unabhängig vom Schienenfahrzeug geregelt werden kann.
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Um für eine Güterzuglokomotive eine ausreichende Strommenge bereitstellen zu können, ist es von Vorteil wenn die Redox-Flow-Zelle eine Energiemenge von mindestens 250 kWh, insbesondere von mindestens 500 kWh speichern kann. So kann eine Reichweite von mindestens 50 km mit einem Waggon erzielt werden.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Container für einen Waggon gemäß einem der Ansprüche, wobei der Container zumindest eine Redox-Flow-Zelle enthält, die abgestimmt ist auf den Antrieb eines Schienenfahrzeugs.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
- 1 Erfindungsgemäßer Waggon angekoppelt an ein Schienenfahrzeug
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Waggons, der an ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug 1 angekoppelt ist. Der Waggon weist einen Tragrahmen 3 mit zwei Drehgestellen auf. Auf dem Tragrahmen 3 ist ein Container 2 lösbar befestigt, der im Inneren zumindest eine Redox-Flow-Zelle 4 mit entsprechenden Tanks 6a,6b für die notwendigen Elektrolyte und entsprechende Stacks 7 zur Stromerzeugung aufweist. Dabei sind mindestens zwei verschiedene Elektrolyte und damit auch zwei verschiedene Tanks 6a,6b notwendig, die jeweils eigene Betankungsstutzen aufweisen. Die Kupplung 5 weist eine Anschlussstelle zur Übertragung der elektrischen Leistung auf das Schienenfahrzeug 1 auf und verbindet somit elektrisch die Redox-Flow-Zelle 4 des Waggons mit dem Antriebssystem des Schienenfahrzeugs 1. Die Kupplung 5 kann als separate elektrische Kupplungsverbindung beispielsweise über Kabel und Stecker ausgeführt sein oder sie kann in die mechanische Waggonkupplung integriert sein. Insbesondere in eine Scharfenberg-Kupplung.
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Fällt auf einer Strecke beispielsweise die Oberleitung aus oder muss ein Zug über eine Strecke umgeleitet werden, die nicht elektrifiziert ist, so kann der beschriebene Waggon angehängt werden und die Stromversorgung für das Schienenfahrzeug bereitstellen.
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Ebenso gut kann der erfindungsgemäße Waggon auch bei Schienenfahrzeugen mit nur teilweise elektrischem Antrieb eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei Hybrid-Fahrzeugen die elektrische Reichweite vergrößert werden.
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Ist der Elektrolyt verbraucht und die Redox-Flow-Zelle entladen, kann entweder der ganze Container 2 getauscht werden gegen einen Container mit aufgeladener Zelle oder es können die verbrauchten Elektrolyte aus den Tanks abgepumpt werden und gegen frische Elektrolyte getauscht werden. In beiden Fällen ist der Container-Waggon danach wieder bereit zum Einsatz, um ein elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug mit Strom zu versorgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schienenfahrzeug mit zumindest teilweise elektrischem Antrieb
- 2
- Container mit Redox-Flow-Batterie
- 3
- Tragrahmen mit Drehgestellen
- 4
- Redox-Flow-Zelle
- 5
- Kupplung
- 6a, 6b
- Tanks für Elektrolyte
- 7
- Stacks
