Umformerwerk

Bahnstrom ist der elektrische Strom, der für den Antrieb elektrischer Eisenbahnen verwendet wird. Der Strom wird den Fahrzeugen entweder über eine Oberleitung mit Stromabnehmern oder mittels einer Stromschiene zugeführt.

Bahnstrom-Oberleitung an Portalmasten (Schweizer Bundesbahnen)

Stromschienen bei der Hamburger S-Bahn

Drei Bahnstromsysteme nördlich des Londoner Bahnhofs Farringdon: linkes Gleispaar der U-Bahn mit Gleichstrom über zwei Stromschienen, rechtes Gleispaar der Thameslink-Strecke mit durchgehender 25-kV-/50-Hz-Oberleitung und dem Beginn der in Südengland üblichen 750-V-Stromschiene

Historisch entwickelten sich in den verschiedenen Ländern oder bei unterschiedlichen Bahngesellschaften verschiedene Stromsysteme.

Geschichte

Wegen der technisch anspruchslosen Regelbarkeit und weitgehend lastunabhängigen Drehzahl erwies sich der Hauptschlussmotor als idealer Antrieb für Schienenfahrzeuge. Nachteilig ist jedoch bei Gleichstrom der hohe Investitionsbedarf für die Oberleitung oder Stromschiene wegen des erforderlichen Leiterquerschnitts. Bei größerem Abstand der Haltepunkte erweist es sich daher als günstiger, einen Transformator in das Fahrzeug einzubauen. Die zu seinem ständigen Mittransport erforderliche Energie ist geringer, als es Verluste in der Fahrleitung wären.

Das Gewicht eines Transformators ist im Wesentlichen von seinem Eisenkern bestimmt. Dieses wiederum ist annähernd umgekehrt proportional der Frequenz des Wechselstroms. Aufgrund der beherrschbaren Technologie im Transformatorenbau hatte sich eine Frequenz von 50 Hz in den europäischen Netzen durchgesetzt. Durch die an den Kollektoren entstehenden Lichtbögen gelang es jedoch nicht, Motoren im erforderlichem Leistungsbereich mit einer Frequenz von 50 Hz zu betreiben. Daher entstanden Bahnstromnetze mit 25 Hz und 16⅔ Hz. Um rotierende synchrone Umformer zur Erzeugung verwenden zu können, kam man auf die Teilerfaktoren 2 bzw. 3. Der Einsatz von modernen asynchronen Umformern bei einem exakten Teilungsverhältnis erwies sich bei hohen Leistungen allerdings als problematisch, so dass die Zielfrequenz vieler Netze inzwischen auf 16,7 Hz geändert wurde, wobei 16⅔ Hz innerhalb der Toleranz liegt.

Der heutige Stand der Technik im Bereich der Leistungselektronik macht die verminderte Frequenz des Wechselstroms nicht mehr zwingend. Moderne Fahrzeuge sind meist mit Gleichstrommotoren mit einer Nennspannung von 6 kV ausgestattet, mit einem Transformator mit 25 kV Primärspannung und Anzapfung bei 15 kV lassen diese sich zu Mehrsystemfahrzeugen umrüsten. Eine Umstellung des Bahnstroms auf 25 kV 50 Hz im Bereich der Deutschen Bahn ist dennoch nicht möglich, da der Sicherheitsabstand der Oberleitung zu vorhandenen Brücken nicht gegeben ist. Bei Neubauten werden dennoch vergrößerte Abstände eingehalten.

Stromarten

Gleichstrom

Gleichstrom ist fahrzeugseitig die einfachste Lösung. Es ist kein (schwerer) Transformator notwendig. Zudem sind Gleichstrommotoren bei gleicher Leistung kleiner als Wechselstrommotoren, was insbesondere bei beengten Raumverhältnissen günstig ist. Die Leistungssteuerung der Motoren kann zudem recht einfach, aber verlustreich über Vorwiderstände, über die die Motorspannung reguliert wird, erfolgen.

Gleichstromsysteme eignen sich daher besonders für Untergrund- und Straßenbahnen. Bei U-Bahnen werden in der Regel Stromschienen verwendet, weil eine Oberleitung ein größeres Tunnelprofil erfordern würde. Stromschienen können aber, schon aus Sicherheitsgründen, nur mit niedrigen Spannungen (in der Regel 500 bis 750 V) betrieben werden. Bei Straßenbahnen spielen neben den technisch einfacheren Fahrzeugen ebenfalls Sicherheitsgründe eine Rolle, denn ein Hochspannungs-Oberleitungsnetz über Straßen und zwischen Gebäuden wäre zu gefährlich.

Für Vollbahnen sind Gleichstromnetze weniger geeignet, finden aber trotzdem in vielen Ländern Verwendung, z. B. in Italien, den Niederlanden, Belgien, Osteuropa, Spanien, Südfrankreich, Südafrika und Japan (meist 1,5 oder 3 kV). Die Nachteile ergeben sich hier aus der im Vergleich zu Wechselstromsystemen geringeren Spannung und den damit verbundenen höheren Strömen: Gleichstrommotoren können maximal mit etwa 1,5 kV betrieben werden; bei einer Fahrspannung von 3 kV müssen deshalb jeweils zwei Motoren in Reihe geschaltet werden. Auch 3 kV sind jedoch – verglichen mit Wechselstromsystemen – eine relativ niedrige Spannung, weswegen für eine gegebene Leistung höhere Ströme notwendig sind. Dies erfordert auch eine andere Konstruktion der Oberleitung (oft mit mehreren Leitern) und der Stromabnehmer oder sogar die Verwendung von zwei Stromabnehmern gleichzeitig.

Auch die (konventionelle) Leistungssteuerung über Vorwiderstände ist entsprechenden Regelungssystemen bei Wechselstrom unterlegen, da sie den an sich recht guten Wirkungsgrad der Elektromotoren deutlich verschlechtert: Die Widerstände heizen sich auf und werden deshalb oft auf dem Dach der Fahrzeuge angeordnet.

Dieser Nachteil entfällt bei neueren Fahrzeugen, in denen die Gleichspannung mit Hilfe von Leistungselektronik umgeformt und sogar in Drehstrom umgewandelt werden kann, so dass die einfachen und robusten Asynchronmotoren verwendet werden können. Dennoch fällt bei modernen Mehrsystem-Triebfahrzeugen die Leistung unter Gleichstrom in der Regel geringer aus, weil der Nachteil der hohen zu übertragenden Ströme unverändert besteht.

Einphasiger Wechselstrom

Wechselstrom mit Standard-Industriefrequenz

Die weltweit größte Verbreitung bei Bahnen hat Wechselstrom mit der landesüblich verbreiteten Netzfrequenz (meist 50 Hz, in den USA 60 Hz).

Die Betriebsspannung ist dabei meist 25 kV, in den USA (Lake Powell Railway) und Südafrika (Erzbahn Sishen – Saldanha Bay) gibt es Bahnen, die sogar mit 50 kV fahren.

Der Vorteil der Verwendung der Netzfrequenz besteht darin, dass eine Speisung aus dem öffentlichen Stromnetz zumindest theoretisch leicht möglich ist. In der Praxis besteht dabei jedoch die Gefahr von Schieflasten im Industrienetz.

Der Nachteil dieser Systeme war anfangs die Notwendigkeit von Leistungselektronik, da die Motoren für die hohe Frequenz nicht geeignet waren und der Wechselstrom deshalb gleichgerichtet werden musste. Dafür wurden Leistungsgleichrichter benötigt, eine Technik, die erst Anfang der 1940er Jahre beherrscht wurde. Anfangs kamen dabei noch Quecksilberdampfgleichrichter zum Einsatz; erst in den 1960er Jahren setzten sich Halbleitergleichrichter durch.

Die Spannungsregelung erfolgte anfangs wie bei mit den mit reduzierter Frequenz betriebenen Lokomotiven über Stelltransformatoren, später kam auch eine Regelung über Phasenanschnittsteuerung zum Einsatz. Das typische Bauelement dabei ist der Thyristor.

Wechselstrom mit verminderter Frequenz

In einigen europäischen Ländern (Deutschland, Österreich, Schweiz, Schweden, Norwegen) fahren die Eisenbahnen mit Einphasenwechselstrom mit einer gegenüber den öffentlichen Stromnetzen verminderten Frequenz von 16,7 Hz statt 50 Hz. Daneben gibt es auch Bahnstromsysteme mit 25 Hz. Noch heute mit dieser Frequenz betrieben wird der Abschnitt New York–Washington des Ostküstennetzes in den USA sowie die Mariazellerbahn.

Da Wechselstrom eine Transformierung der Fahrdrahtspannung auf die für die Motoren geeignete Spannung zulässt, kann eine deutlich höhere Fahrdrahtspannung gewählt werden als bei Gleichstrombetrieb (anfangs ca. 5 kV, heute in den oben genannten Ländern 15 kV). Die Transformatoren sind als Stelltransformator ausgeführt (siehe auch Stufenschalter für Leistungstransformatoren) und ermöglichen eine Spannungsregelung ohne Verwendung von Widerständen. Das Gewicht dieser Transformatoren ist der leistungsbegrenzende Faktor bei Elektrolokomotiven.

Die gegenüber den öffentlichen Stromnetzen verminderte Frequenz wurde Anfang des 20. Jahrhunderts gewählt, weil es nicht möglich war, große Einphasen-Elektromotoren mit hohen Frequenzen zu betreiben, da es dabei durch die sogenannte transformatorische Spannung zu übermäßiger Funkenbildung am Kommutator kam. Historisch bedingt wurde mit Maschinenumformern oder Generatoren gearbeitet, durch deren Polteilung die Netzfrequenz von 50 Hz gedrittelt wurde, also 16⅔ Hz als Frequenz des Bahnstroms ergab. Der tatsächliche Wert der Frequenz schwankte jedoch abhängig von der Drehzahlkonstanz des Generators. Die Sollfrequenz des Bahnstroms in Deutschland, Österreich und der Schweiz wurde 1995 um 0,2 % auf 16,7 Hz erhöht, um unerwünschte Gleichströme in den Umformerwerken zu vermeiden, die durch die exakte Drittelung der Frequenz des öffentlichen Netzes entstanden. Der tatsächliche Wert weist allerdings weiterhin Schwankungen auf.

Bei der Umformung der Bahnenergie mittels Synchron-Synchron-Umformern beträgt die Frequenz des Bahnstroms exakt ein Drittel der Frequenz des speisenden Landesnetzes. Derartige Umformer sind u. a. in Schweden und im Nordosten Deutschlands in Betrieb.

Die verminderte Netzfrequenz hat jedoch auch Nachteile. Zum einen müssen die Transformatoren größer sein, zum anderen kann Strom aus dem öffentlichen Stromnetz nicht direkt bzw. durch einfache Herabtransformierung verwendet werden. Oft werden aus diesem Grund völlig unabhängige Netze mit Bahnstromleitungen unterhalten. Die Masten dieses Netzes haben üblicherweise zwei Leiterpaare (2 × Einphasenleitung).

16⅔ Hz gegenüber 16,7 Hz

Während bei klassischen Umformern sowohl der 50 Hz als auch der 16⅔ Hz-Teil Synchronmaschinen (welche eine starre Kopplung von Netzfrequenz und Drehzahl aufweisen) waren, wird bei neueren Umformern einer der beiden Teile als doppelt gespeiste Asynchronmaschine ausgeführt. Bei diesem Maschinentyp ist das vom Läufer erzeugte Magnetfeld nicht konstant, sondern wird durch eine elektronische Steuerung bestimmt, welche die an die Wicklungen des Läufers angelegte Spannung und damit Stromstärke regelt.

Typische asynchrone Umformergruppen sind so aufgebaut, dass die Polzahl der beiden Maschinen dem Frequenzverhältnis entspricht (z. B. zwölf Pole für die 50 Hz- und vier Pole für die 16⅔ Hz-Maschine). Der Unterschied zu einer synchronen Umformergruppe besteht daher nur darin, dass das Magnetfeld des einen Läufers steuerbar anstatt wie bei einer Synchronmaschine konstant ist. Wenn man nun den Läufer mit einer Gleichspannung versorgt, hat man daher eine Synchronmaschine gebaut; wenn man den Läufer mit einer Wechselspannung versorgt, dann verändert sich das Drehzahlverhältnis entsprechend der Frequenz dieser Wechselspannung.

Falls die beiden Netze nun ganz genau synchron laufen, versucht die Drehzahlregelung erfolglos einen konstanten Winkelunterschied auszugleichen. Dies führt zu einem überlagerten Gleichstrom in der Läuferwicklung, welcher wiederum zur Überhitzung des Läufers führt.

Die Lösung besteht nun darin, die Frequenz des Bahnnetzes leicht zu verschieben. Dass genau 16,7 Hz gewählt wurden hat dabei keine tiefere Bedeutung; eine zu große Verschiebung darf aber nicht geschehen, weil ansonsten Probleme mit Triebfahrzeugen auftreten können, deren Technik für eine Frequenz um 16⅔ Hz ausgelegt ist. ^[1] Die Bahnstromnetze von Deutschland, Österreich und der Schweiz stellten am 16. Oktober 1995 um 12:00 Uhr die Nennfrequenz auf 16,7 Hz um.^[2]. Naturgemäss keine Anpassung erfuhren die rotierenden Umformer in Synchron-Synchron-Ausführungen, die fest an die 50 Hz gebunden sind und somit weiterhin exakt 16 ⅔ Hz erzeugen.

Zweiphasensysteme

Zweiphasensysteme werden auch als „Zweispannungssysteme“ oder Autotransformatorsystem bezeichnet. Solche Systeme sind bei verschiedenen mit 50 Hz elektrifizierten HGV-Strecken in Frankreich sowie in Belgien und den Niederlanden zu finden. Bei den mit 16,7 Hz betriebenen Netzen ist erst in Deutschland eine Pilotanlage zwischen Stralsund und Prenzlau in Betrieb.

Drehstrom

Drehstrom ist aufgrund der guten Eigenschaften des Drehstrommotors geradezu prädestiniert für den Eisenbahnantrieb: Der entscheidende Vorteil liegt darin, dass die sehr robusten und wartungsarmen Asynchronmotoren verwendet werden können, die ohne Bürsten auskommen und bezogen auf ihre Leistung ein relativ geringes Gewicht haben.

Verwendung von extern erzeugtem Drehstrom

Die bisher meisten Anwendungen des Drehstromantriebes erfolgten aus der Zuleitung über mehrpolige Oberleitungen. Dem standen mehrere Nachteile gegenüber: Zunächst einmal kann ein Asynchronmotor nur mit einer bestimmten, von der Frequenz abhängigen Drehzahl wirtschaftlich betrieben werden. Theoretisch muss also zur Regelung der Fahrgeschwindigkeit die Stromfrequenz kraftwerkseitig verändert werden, was sich aber nur für Versuche eignet und nicht für den praktischen Betrieb. Durch eine besondere Schaltung der Motoren (Polumschaltung) können diese zwar für mehrere Drehzahlen ausgelegt werden, eine feine Regelung wie bei Gleichstrommotoren ist jedoch nicht möglich.

Ein weiterer Nachteil eines Drehstrom-Bahnsystems ist die Notwendigkeit einer dreipoligen Stromzufuhr, was mit der Verwendung der Schienen als einer der Pole eine zweipolige Oberleitung erfordert. Eine solche ist jedoch kompliziert (vor allem an Weichen und Kreuzungen) und störanfällig (Kurzschlussgefahr).

Tatsächlich fanden Drehstrom-Bahnstromnetze daher nur sehr begrenzt Verwendung: In Norditalien hat es von 1912 bis 1976 längere Zeit ein größeres Drehstromsystem gegeben (3,6 kV 16⅔ Hz). Die Gornergratbahn und die Jungfraubahn fahren noch heute mit Drehstrom (750 V 50 Hz), außerdem die Chemin de Fer de la Rhune in den französischen Pyrenäen sowie die Corcovado Bergbahn.

In den Jahren 1901 bis 1903 gab es Versuchsfahrten mit Drehstrom-Schnelltriebwagen auf einer Militär-Eisenbahn zwischen Marienfelde und Zossen bei Berlin. Dabei wurden drei übereinander liegende Oberleitungen verwendet, die seitlich abgegriffen wurden. Am 28. Oktober 1903 wurde mit 210,2 km/h ein Geschwindigkeitsweltrekord aller Verkehrsmittel aufgestellt, der erst 1931 mit dem Schienenzeppelin gebrochen wurde, der 230 km/h erreichte.

Drehstrom-Antrieb mit bordeigener Drehstrom-Umwandlung

Durch die Verwendung von Leistungselektronik können moderne Lokomotiven in beliebigen Bahnstromnetzen die Vorteile des Drehstroms nutzen, ohne dessen Nachteile bei der Zuführung zum Fahrzeug in Kauf nehmen zu müssen. Spannung und Frequenz können dabei auf elektronischem Weg stufenlos geregelt werden (Frequenzumrichter). Diese Art des Antriebs hat sich heute als allgemein üblich durchgesetzt. Die erste Lokomotive, die Einphasen-Wechselstrom mit Leistungselektronik an Bord in Drehstrom umgewandelt hat, war 1972 die Versuchslok Be 4/4 12001 der Schweizerischen Bundesbahnen. 1979 folgten die ersten Exemplare der Baureihe 120 der Deutschen Bundesbahn. Es gab auch Lokomotiven, bei denen die Umformung an Bord mit rotierenden Umformern erfolgte.

Infrastruktur

Bahnen, die mit Wechselstrom betrieben werden, dessen Frequenz von der des öffentlichen Netzes (Industriefrequenz) abweicht, beziehen ihren Strom entweder aus der Umwandlung anderer Energieträger in einem Bahnkraftwerk oder durch Frequenzumformung des Stromes aus dem öffentlichen Hochspannungsnetz.

Bahnstromnetze trifft man daher vor allem bei Bahnen an, die mit Wechselstrom verminderter Frequenz fahren, insbesondere in Deutschland, Österreich und der Schweiz, wo mit Einphasenwechselstrom mit 16,7 Hz gefahren wird. Wie im öffentlichen Stromnetz gibt es mehrere Spannungsebenen und zwar eine Hochspannungsebene und eine Mittelspannungsebene. Die Hochspannungsebene wird in Deutschland und Österreich mit 110 kV, im Bereich der Wiener S-Bahn auch mit 55 kV betrieben und dient zum Transport des Bahnstroms von den Bahnkraftwerken und Bahnstromumformerwerken zu den Unterwerken. In der Schweiz gibt es zwei Hochspannungsebenen (132 kV und 66 kV) mit praktisch äquivalenter Funktion.

Die Leitungen der Hochspannungsebene des Bahnstromnetzes laufen in der Schweiz, Österreich und Deutschland meistens völlig unabhängig vom Schienennetz. Gelegentlich hängen sie an Masten, die auch Stromkreise des öffentlichen Hochspannungsnetzes tragen. Die in allen drei Ländern mit 15 kV betriebene Mittelspannungsebene dient dazu, den Triebfahrzeugen den Bahnstrom über die Oberleitung zuzuführen. Abweichend vom Standard beträgt die Fahrdrahtspannung im Schmalspurnetz der Rhätischen Bahn und der Matterhorn Gotthard Bahn nur 11 kV.

Ein eigenes Bahnstromnetz mit Einphasenwechselstrom 25 Hz besitzt die Mariazellerbahn. Bei dieser Bahn beträgt die Spannung in den an den Oberleitungsmasten montierten Leiterseilen der Bahnstromleitungen 27 kV und in der Oberleitung 6,5 kV.

In den USA werden einige Strecken der ehemaligen Pennsylvania Railroad zwischen New York, Philadelphia und Washington noch mit Einphasenwechselstrom verminderter Frequenz betrieben (25 Hz, obwohl die Frequenz des öffentlichen Stromnetzes in den USA 60 Hz beträgt), wobei nur noch der Personenverkehr mit elektrischer Traktion verkehrt. Auch diese Bahnen besitzen ein eigenes Hochspannungsnetz, die Leiterseile der Bahnstrom-Hochspannungsleitungen bei diesen Bahnen sind meistens an den Oberleitungsmasten montiert.

Italien verfügte für die Versorgung seiner mit Drehstrom verminderter Frequenz elektrifizierten Strecken (3,6 kV 16⅔ Hz) in Norditalien über ein mit 60 kV betriebenes Bahnstromnetz, das aus Wasserkraftwerken und einem thermischen Kraftwerk gespeist wurde. Für die Speisung der Fahrleitung kamen auch fahrbare Unterwerke zum Einsatz.^[3]

Nicht bei allen Bahnen, die mit Wechselstrom verminderter Frequenz betrieben werden, gibt es ein Hochspannungsbahnstromnetz, denn es kann auch Drehstrom aus dem öffentlichen Netz mit Hilfe von Frequenzumformern oder Stromrichtern dezentral in den Unterwerken in Bahnstrom umgewandelt werden. Dies wird in Schweden, Norwegen, Mecklenburg-Vorpommern und Teilen von Sachsen-Anhalt und Brandenburg praktiziert.

Bei Bahnen, die mit Einphasenwechselstrom von Netzfrequenz oder Gleichstrom fahren, wird die zum Betrieb nötige Energie in den Unterwerken durch Aufspalten der Phasen des Drehstromsystems (im Fall von Wechselstrombahnen) oder durch Gleichrichtung (im Fall von Gleichstrombahnen) gewonnen. Dedizierte Bahnstromleitungen existieren in diesen Fällen nur vereinzelt.

Bahnkraftwerke

Ein Bahnkraftwerk ist ein Kraftwerk, welches Bahnstrom erzeugt. Während die Österreichischen Bundesbahnen fast reine Bahnkraftwerke betreiben, sind solche in anderen Ländern, wie beispielsweise in Deutschland, eher selten. Weitaus verbreiteter sind Kraftwerke, in denen sich sowohl Industriestromgeneratoren, als auch Bahnstromgeneratoren befinden. Bahnkraftwerke sind als Wasserkraftwerke, konventionelle Wärmekraftwerke und Kernkraftwerke ausgeführt. Wind- und Solarkraftwerke wurden für die alleinige Erzeugung von Bahnstrom noch nicht realisiert.

Die Bahnstromgeneratoren für Wechselstrom mit verminderter Frequenz sind erheblich größer als die fürs öffentliche Stromnetz, die zugehörigen Turbinen sind Sonderanfertigungen.

Deutschland

Kraftwerke in Deutschland, die ganz oder teilweise der Bahnstromerzeugung dienen:

Existierende Wasserkraftwerke

• Kraftwerk Walchensee, Baubeginn 1918, 1924 fertiggestellt für die elektrisch betriebenen Bahnstrecken in Oberbayern
• Pumpspeicherwerk Langenprozelten
• Kraftwerk Bertoldsheim
• Kraftwerk Bittenbrunn
• Kraftwerk Bergheim
• Kraftwerk Ingolstadt
• Kraftwerk Vohburg
• Kraftwerk Pfrombach
• Kraftwerk Eitting
• Kraftwerk Aufkirchen
• Wasserkraftwerk Reichenhall
• Wasserkraftwerk Kammerl

Existierende Kernkraftwerke

• (Gemeinschafts-) Kernkraftwerk Neckarwestheim, Block 1 (GKN-1) mit zusätzlicher Bahnstromturbine und Block 2 (GKN-2) mit Auskopplung über Frequenzumformer

Existierende Thermische Kraftwerke

• Großkraftwerk Mannheim
• Kraftwerk Datteln
• Kraftwerk Lünen
• Kraftwerk Schkopau
• Kraftwerk Kirchmöser
• Kraftwerk Mittelsbüren
• Kraftwerk Düsseldorf-Lausward

Weiterhin bestehen Verbindungen zu den Kraftwerken der Österreichischen Bundesbahn und den Schweizerischen Bundesbahnen, über die mit dem deutschen Bahnstromnetz elektrische Energie ausgetauscht werden kann.

Prozentualer Anteil bei der Erzeugung von Bahnstrom in Deutschland

Kraftwerkstyp	Installierte Leistung	Erzeugte Energie
Dampfkraftwerke	42,2 %	66,0 %
Wasserkraftwerke	11,0 %	10,0 %
Umformer	34,3 %	14,6 %
Umrichter	11,9 %	9,4 %
Gesamt	3,2 Gigawatt	11 Terawattstunden/Jahr

Ehemalige Anlagen

• Kraftwerk der Hamburg-Altonaer Vorortbahn, 1906 als erstes Bahnkraftwerk in Deutschland errichtet, inzwischen aufgelassen.
• Bahnkraftwerk Muldenstein, 1912 als zweites Bahnkraftwerk in Deutschland für die Bahnstrecke von Magdeburg über Dessau und Bitterfeld nach Halle errichtet, inzwischen aufgelassen.
• Bahnkraftwerk Mittelsteine, 1913 als drittes Bahnkraftwerk in Deutschland für die Versorgung des schlesischen Netzes errichtet, 1945 als Reparationsleistung demontiert
• Kraftwerk Stuttgart-Münster, 1933 wurde eine Bahnstrommaschine zur Speisung der neu erstellten Bahnstromleitung von München nach Stuttgart und für den Stuttgarter Vorortverkehr in Betrieb genommen (Jahr der Stilllegung unbekannt)

Österreich

Die Österreichischen Bundesbahnen ^[4] produzieren ihren Bahnstrom zum überwiegenden Teil selbst. Die Energie wird ausschließlich aus Wasserkraftanlagen gewonnen.

Bahneigene Kraftwerke

Alle bahneigenen Kraftwerke werden unbesetzt betrieben und von der Zentralen Leitstelle Innsbruck gesteuert und überwacht.

• Spullersee

Dieses Speicherkraftwerk wurde in den Jahren zwischen 1919 und 1925 als zweites Kraftwerk der Österreichischen Staatsbahnen zur Versorgung der Arlbergbahn errichtet. Der Bau eines derartigen Großkraftwerks war zur damaligen Zeit eine technische Pionierleistung und fand Bewunderung in ganz Europa.

• Braz

Dieses Laufkraftwerk befindet sich 10 km westlich vom Kraftwerk Spullersee. Es wurde in den Jahren zwischen 1947 und 1954 zur Deckung des erhöhten Energiebedarfs der Österreichischen Staatsbahnen errichtet. Das Kraftwerk Braz bildet die Unterstufe des Kraftwerkes Spullersee. Das Kraftwerk Braz wird von der Alfenz beziehungsweise mit vom Kraftwerk Spullersee abgearbeitetem Wasser bedient.

• Fulpmes

Dieses Laufkraftwerk wurde in den Jahren zwischen 1977 und 1983 etwa 20 km südlich von Innsbruck im Gemeindegebiet Fulpmes im Stubaital errichtet. Die Besonderheit daran ist, dass es in der schwedischen Bauweise, d. h. als Schachtkraftwerk errichtet wurde. Das Triebwasser wird unterhalb von Fulpmes im Stubaital gefasst. Die installierte Leistung beträgt 15 MW, wobei zwei Francisturbinen bei einem Gefälle von 182 m arbeiten. Vor der Fertigstellung des Kraftwerkes Fulpmes betrieben die ÖBB das „Ruetzkraftwerk“ in Schönberg, das ursprünglich zur Stromlieferung an die Mittenwaldbahn erbaut wurde.

• Enzingerboden

Dieses Spitzenkraftwerk mit dem Jahresspeicher Tauernmoos und den Vorspeichern Weißsee, Amersee und Salzplattensee sowie den Beileitungen Nord (6 km) und Süd (8 km) ist die Hauptstufe der Werksgruppe Stubachtal.

• Schneiderau

Dieses Kraftwerk ist die mittlere Stufe in der Werksgruppe Stubachtal. Es nützt das Unterwasser des Kraftwerkes Enzingerboden, die Zuflüsse aus dem Zwischeneinzugsgebiet sowie die Abflüsse des in das Wasserschloss eingeleiteten Wiegenbaches.

• Uttendorf I

Dieses Kraftwerk mit drei Maschinensätzen ist die unterste Stufe in der Erzeugung Versorgungsbereich Mitte. Es nützt das Unterwasser des Kraftwerkes Schneiderau und die Zuflüsse aus dem Zwischeneinzugsgebiet der Stubache sowie den übergeleiteten Ödbach.

• Uttendorf II

Dieses Kraftwerk nützt unter Beibehaltung der bestehenden Kraftabstiege Schneiderau und Uttendorf I zusätzlich, jedoch gesondert die Fallhöhe zwischen Enzingerboden und Wirtenbach.

• Obervellach

Dieses Laufkraftwerk wurde gemeinsam mit dem Speicherwerk Kraftwerk-Enzigerboden 1929 für die 16,7 Hz-Bahnstromversorgung der Gisela-Bahn in Betrieb genommen. Seit der Elektrifizierung der Tauernbahn 1935 werden weiters die beiden Steilrampen mit jeweils 700 Höhenmetern versorgt.

• Lassach

Dieses Laufkraftwerk wurde 1905 im Zuge der Baustelleneinrichtung für den Eisenbahn-Tauerntunnel errichtet. Es liegt zwischen Obervellach und Mallnitz am Mallnitzbach. Es liefert keinen Bahnstrom, sondern Drehstrom, der in das Netz der „KELAG“ (Kärntner Elektrizitäts-Aktiengesellschaft) eingespeist wird.

• Rosenbach

Dieses wurde 1902 im Zuge der Baustelleneinrichtung für den Eisenbahn-Karawankentunnel errichtet. Es liefert keinen Bahnstrom, sondern Drehstrom.

Bahnfremde Kraftwerke

• Wienerbruck

Dieses Speicherkraftwerk wird von der „EVN AG“ (Energieversorgung Niederösterreich AG) betrieben. Das Speicherkraftwerk liegt in Annaberg im südlichen Niederösterreich und wird vom Wasser der Lassing und der Erlauf mit einer Gesamtleistung von 6,6 MW gespeist. Hiervon werden 4,5 MW als Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 25 Hertz für die Mariazellerbahn bereitgestellt.

Schweiz

In der Schweiz wird der Bahnstrom zum Teil aus Kraftwerken der SBB und aus fremden Kraftwerken gewonnen.^[5]

Kraftwerke der SBB

• Etzelwerk
• Massaboden
• Vernayaz
• Chatelard-Barberine
• Amsteg
• Ritom

Kraftwerke mit SBB-Beteiligung

• Rupperswil-Auenstein
• Göschenen
• Wassen

Fremde Kraftwerke

• Gösgen
• Lungern
• Mühleberg
• Klosters (RhB)

Umformer-/Umrichterwerke

Ein Umformer- bzw Umrichterwerk ist die Schnittstelle zwischen dem öffentlichen Hoch- bzw. Höchstspannungsnetz und dem Bahnstrom-Hochspannungsnetz. Während für das öffentliche Höchstspannungsnetz Dreiphasen-Wechselstrom mit Spannungen wie 220 kV oder 380 kV und einer Frequenz von 50 Hertz üblich sind, bestehen Bahnstrom-Hochspannungsnetze fast überall aus nur einer Wechselstrom-Phase, wobei in Deutschland, Österreich und der Schweiz die Frequenz 16,70 Hertz und Spannungen von 66, 110 und 132 kV üblich sind. Neben den mittlerweile als betagt angesehenen Umformern, bei denen die Netze zwischen Generator und Motor mechanisch durch rotierende Massen zwischen den beiden Stromsystemen gekoppelt sind, werden in Deutschland seit 2002 Systeme ohne mechanische Teile, die allein mit elektronischen Bauteilen den Strom wandeln, eingesetzt. In diesem Fall spricht man von Umrichtern^[6].Die Umformerwerke werden sukzessive durch Umrichterwerke ersetzt.

Bahnstromumformerwerke in Deutschland

Zentrale Umformer-/Umrichterwerke

Anlage	Jahr der Inbetriebnahme	Angewandte Technik	Maximale Übertragungsleistung	Bemerkungen
Hamburg-Harburg		Rotierender Umformer
Bremen		GTO-Thyristor	100 MW
Chemnitz	1965	Rotierender Umformer
Lehrte		Rotierender Umformer
Limburg		IGCT Umformer	120 MW	acht Einheiten zu 15 MW
Borken		Rotierender Umformer	25 MW	zwei Einheiten zu 12,5 MW
Jübek		Rotierender Umformer
Dresden-Niedersedlitz	1977	Rotierender Umformer
Köln	1957	Rotierender Umformer	75 MW
Düsseldorf		Rotierender Umformer
Singen		Rotierender Umformer
Karlsfeld		GTO-Thyristor		Betreiber: E.ON
Saarbrücken		Rotierender Umformer
Nürnberg-Stein		Rotierender Umformer
Karlsruhe	1957	Rotierender Umformer	53 MW	zwei Umformersätze, Generator: 26,5 MVA, Motor: 31,25 MVA
Neu-Ulm		Rotierender Umformer
Neckarwestheim	1989	Rotierender Umformer	140 MW	auf dem Areal des Kernkraftwerks Neckarwestheim
Weimar		Rotierender Umformer		sowohl zentral als auch dezentral genutzt; außer Betrieb

(Bitte ergänzen und ggf. korrigieren)

Dezentrale Umformer-/Umrichterwerke

Folgende Umformerwerke stammen größtenteils aus dem überwiegend dezentral gespeisten Netz der DDR und wurden zunächst im Dreischichtbetrieb in Zwei-Mann-Besetzung, später Ein-Mann-Besetzung, und ab Ende der 1990er Jahre z. T. ferngesteuert betrieben.

Anlage	Jahr der Inbetriebnahme	Angewandte Technik	Bemerkungen
Adamsdorf		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Anklam		Rotierende Umformer	außer Betrieb
Berlin-Rummelsburg		Rotierende Umformer	2008 bis 2009 letztes ständig besetztes Umformerwerk
Bützow		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Cottbus	1989	Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Doberlug-Kirchhain	1980 (Umformer) 2008 (Umrichter)	Rotierende Umformer/Umrichter	(ständig besetztes Umformerwerk wurde 2008 ersetzt durch ein ferngesteuertes Umrichterwerk)
Eberswalde	1987	Rotierende Umformer	durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz bereits außer Betrieb
Falkenberg/Elster	1987	Rotierende Umformer	zunächst Umstieg auf Fernsteuerung, danach durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz, 2002 außer Betrieb und 2008 abgerissen
Frankfurt (Oder)		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Halle (Saale)		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Lalendorf		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Löwenberg		Rotierende Umformer	durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz bereits außer Betrieb
Ludwigsfelde	1981	Rotierende Umformer	durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz bereits außer Betrieb
Lübeck-Genin	2008	Umrichter
Magdeburg	1974	Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Neustadt (Dosse)		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Oberröblingen		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Prenzlau		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Roßlau (Elbe)		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Rostock	1985	Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Schwerin	1987	Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Senftenberg	1988	Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Stendal		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Stralsund		Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Wittenberg	1978	rotierende Umformer	außer Betrieb
Weimar	1973	Rotierende Umformer	sowohl zentral als auch dezentral genutzt; außer Betrieb
Wittenberge	1987	Rotierende Umformer	Betrieb durch Fernsteuerung
Wolkramshausen		Rotierende Umformer/Umrichter	2002 ersetzt durch ein Umrichterwerk
Wünsdorf	1982	Rotierende Umformer	durch Versorgung des Speisebereichs aus zentralem Netz bereits außer Betrieb
Wustermark		Rotierende Umformer	außer Betrieb

(Bitte ergänzen und ggf. korrigieren)

Bahnstromumformerwerke in Österreich

Von der ÖBB Infrastruktur Bau AG werden folgende Umformerwerke betrieben^[7]:

• Auhof

Für die elektrische Versorgung der Westbahn sowie später ebenso der Südbahn war es in den 1950er Jahren erforderlich, Umformerwerke im Osten Österreichs zu errichten. Das Umformerwerk Auhof im 13. Wiener Gemeindebezirk nahm 1956 den Betrieb mit zwei Umformersätzen auf. 1960 wurde es mit einem dritten Umformersatz erweitert. Da die Maschinen fast ständig unter Volllast laufen mussten, erkannten die ÖBB in den 1980er Jahren, dass in den nächsten Jahren eine Sanierung anstehen würde. 1990 entschlossen sich die ÖBB zu einer Generalerneuerung des Umformerwerks bei gleichzeitiger Leistungserhöhung von 61,5 MW auf 90 MW. Nach dem im September 1990 erfolgten Baubeginn wurden zwei Umformersätze 1998 und der dritte Umformersatz im August 2000 in Betrieb genommen.

• Bergern

Die Abdeckung des erhöhten Strombedarfs wegen weiterer Elektrifizierungen, Verdichtung des Nahverkehrs, Geschwindigkeitserhöhungen und Komfortverbesserungen durch den Einsatz von klimatisierten Reisezugwagen machte die Errichtung einer zusätzlichen Energiequelle für Bahnstrom in Ostösterreich erforderlich. Etwa 6 km westlich von Melk wurde in den Jahren 1979 bis 1983 das Umformerwerk Bergern errichtet. Der Standort des Umformerwerkes ergab sich durch die Einspeisung des Donaukraftwerkes Melk und durch die Lage der Gemeinschaftsanlage mit der Energieversorgung Niederösterreich Aktiengesellschaft (EVN AG) und mit der Österreichische Elektrizitätswirtschafts-AG (Verbundgesellschaft).

• Kledering

Der wachsende Energiebedarf im Osten Österreichs sowie der Bau des Zentralverschiebebahnhofs Wien führte Ende der 1980er Jahre zum Beschluss der Errichtung einer weiteren Bahnversorgungsanlage im Wiener Raum. Das Umformerwerk Kledering wurde in den Jahren 1986 bis 1989 errichtet und befindet sich unmittelbar neben dem Zentralverschiebebahnhof an der Ostbahn. Nachdem die beiden ersten Maschinensätze 1989 in Betrieb genommen wurden, erfolgte 1990 die Komplettierung mit dem dritten Umformersatz.

• Ötztal

Im Gemeindegebiet Haiming, rund 50 km westlich von Innsbruck wurde in den Jahren 1992 bis 1995 das Umformerwerk Ötztal errichtet. Der Standort neben der Arlbergbahn wurde wegen der in 600 m Entfernung vorbeiführenden 110-kV-Bahnstromleitung gewählt. Die Anlage umfasst zwei Maschinensätze und dient weiters als Unterwerk zur Stromversorgung der Arlbergbahn.

• Sankt Michael

Bereits bei der Errichtung des Unterwerkes Sankt Michael im Jahr 1963 auf die Erweiterung durch eine Umformerwerksanlage Rücksicht genommen. Das in den Jahren 1972 bis 1975 errichtete Umformerwerk Sankt Michael dient zur Bahnstromversorgung der Bundesländer Steiermark und Kärnten. Der Standort in der Obersteiermark ergab sich durch die Kreuzung zweier Trassen der 110-kV-Bahnstromleitungen und durch die Nähe des Umspannwerks Hessenberg der Verbundgesellschaft.

Bahnstromumformerwerke in der Schweiz

In der Schweiz gibt es acht Bahnstromumformerwerke.^[8], eines ist im Bau. Diese sind:

• Rupperswil
• Seebach
• Wimmis
• Kerzers
• Giubiasco
• Massaboden (Kraftwerk mit Umformer)
• Grafenort (zb, im Bau)
• Bever (RhB)
• Landquart (RhB)

Unterwerke

Unterwerk in Waiblingen

Unterwerk in Wijhe, Niederlande

Fahrbares Unterwerk in Neuchâtel, Schweiz

Ein Unterwerk entspricht etwa einem Umspannwerk im öffentlichen Netz. Ein Unterwerk koppelt das überregionale Hochspannungsnetz mit dem Mittelspannungsnetz zur Fahrzeugversorgung.

Es werden Wechselstrom-Unterwerke eingesetzt, die Strom mit Frequenzen von 16,7 (DB, SBB und ÖBB), 25, 50 oder 60 Hz und Spannungen zwischen drei und 50 kV erzeugen. 16,7 und 25 Hz sind spezielle Bahn-Frequenzen, die in Verbindung mit der Antriebsmotoren-Technik der elektrischen Triebfahrzeuge stehen.

Bei einem Bahnstrom-Unterwerk der DB, SBB oder ÖBB wird einphasiger Strom aus dem Hochspannungsnetz (siehe oben), von 132, 110 oder 66 kV für die Einspeisung in den Fahrdraht auf 15 kV hinuntertransformiert, die Frequenz von 16,70 Hz kann sich dabei nicht ändern.

In einigen Ländern finden auch fahrbare Unterwerke Verwendung. Sie sind so aufgebaut, dass sie ohne größere Anpassung auf dem Schienennetz verkehren können, so dass Wartungsarbeiten kostengünstig an einem zentralen Wartungsstandort oder beim Hersteller ausgeführt werden können.

In der Schweiz sind an verschiedenen Stellen Anschlüsse ans Hochspannungsnetz vorbereitet, so dass die fahrbaren Unterwerke bei besonderen Bedürfnissen (Revision an festen Unterwerken, temporäre Großverkehre) an andere Standorte verschoben werden können. Die SBB hat derzeit 18 fahrbare Unterwerke, bestehend aus einem vierachsigen Kommandowagen und einem achtachsigen Transformatorwagen, im Bestand.

Bei Unterwerken für Gleichstrombahnen (S-Bahn Berlin und Hamburg, Straßenbahn, U-Bahn, Industriebahnen im Bergbau) wird der Drehstrom des öffentlichen Stromnetzes durch einen Gleichrichter in Gleichstrom umgerichtet. Hierfür kommen Silizium-Dioden zum Einsatz. Früher wurden hierfür rotierende Umformer und wasser- bzw. luftgekühlte Quecksilberdampfgleichrichter verwendet.

Zur Vermeidung von elektrolytischer Korrosion und Vormagnetisierung von Wechselstromanlagen durch vagabundierende Gleichströme ist der an die gleichzeitig als Rückleitung dienenden Gleise angeschlossene Pol der Gleichspannung entlang der Gleise galvanisch von der Erde getrennt und nur beim Unterwerk über Dioden oder direkt mit systemfremden geerdeten Teilen (z. B. Wasserleitungen) verbunden. Die Oberleitung ist in der Regel positiv, sodass sich entlang des Schienenweges aufgrund des Laststromes immer nur ein positives Potential der Gleise gegenüber der Erde aufbaut. Dadurch bleibt die Elektrokorrosion auf die Schienen selbst beschränkt und schädigt keine systemfremden, in der Erde liegenden Metallteile. Bei zu hohen Potentialunterschieden zwischen Rückleitung und Erde kommen selbsttätige, sogenannte Erdungskurzschließer zur Anwendung.

Stromleitstelle

Eine Stromleitstelle ist das Steuerungs-, Regelungs- und Überwachungszentrum der Bahnstromversorgung.

Deutschland

Die oberste Zentralschaltstelle (ZES) von DB Energie befindet sich am Firmensitz in Frankfurt/Main. Es gibt 18 regionale Zentralschaltstellen (Stand 2008) im Netz der Deutschen Bahn AG. Die modernsten rechnergesteuerten ZES befinden sich in Berlin, Leipzig, Borken (Hessen) und Karlsruhe.

Österreich

• Zentrale Leitstelle Innsbruck

Bereits im Jahr 1925, zur Aufnahme des elektrischen Betriebes der Arlbergbahn, wurde zur Aufnahme des Verbundbetriebs der Kraftwerke Spullersee und Schönberg der Lastverteiler in Innsbruck in Betrieb genommen. Dieser hatte die Aufgabe, die Stromerzeugung zu steuern, die Synchronität der einzelnen Kraftwerke zu regeln und die Speisung der Unterwerke mit dem erforderlichen Bahnstrom sicherzustellen.

Seit August 1998 ist der Lastverteiler (Zentrale Leitstelle Innsbruck) in einer der modernsten Leitwarten Europas untergebracht. Von hier aus wird der Maschineneinsatz der Kraft- und Umformerwerke entsprechend der Belastungssituation im Bahnnetz zentral gesteuert und über Online-Programme optimiert.^[9] Ebenso werden von der Leitstelle Innsbruck sämtliche 110-kV- beziehungsweise 55-kV-Übertragungsleitungen des ÖBB-Bahnstromnetzes überwacht und die erforderlichen Schaltungen vorgenommen. Die Steuerung von Arbeitseinsätzen, oder Schalthandlungen im Störungsfall zur Fehlereingrenzung und Wiederversorgung für alle österreichischen Übertragungsleitungen liegen damit in einer Hand. Bei Ausfällen von Kraftwerken oder Versorgungsleitungen durch Naturereignisse (heftige Niederschläge, Gewitter, Lawinen) können damit durch rasches Einschreiten großräumige Versorgungsengpässe verhindert werden. Darüber hinaus können erforderliche Maßnahmen, wie Entstörungsaufträge an die zuständigen Mitarbeiter (außerhalb der normalen Dienstzeit an die Rufbereitschaft), Betriebseinschränkungen, Energiefahrplanänderungen auf schnellstem Weg erfolgen.

• Regionale Leitstellen

Ergänzend zur Zentralen Leitstelle Innsbruck haben die ÖBB vier regionale Leitstellen installiert. Diese haben die Aufgabe, den Lastausgleich zwischen den 56 Unterwerken herzustellen.

Siehe auch

• Liste der Kraftwerke
• Bahnstromleitung
• Oberleitung
• Liste der Bahnstromsysteme
• Elektrischer Bahnbetrieb in Schlesien
• Chronik der Elektrifizierung von Eisenbahnstrecken in Deutschland
• Chronik der Elektrifizierung von Eisenbahnstrecken in Österreich

Literatur

Hartmut Biesenack, Energieversorgung elektrischer Bahnen, Vieweg+Teubner Verlag, 2006 ISBN 3519062496, ^[10]

Einzelnachweise

1. ↑ C. Linder: Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2/3 Hz auf 16,70 Hz. In: Elektrische Bahnen. Heft 12, Oldenbourg-Industrieverlag, München 2002, ISSN 0013-5437. 
2. ↑ Schweizer Eisenbahn-Revue 11/1995
3. ↑ Nico Molino, Trifase in Italia 1902–1925, ISBN 88-85361-08-0 und 1925-1976, ISBN 88-85361-12-9
4. ↑ ÖBB Bau AG: Kraft- und Umformerwerke
5. ↑ Bahnstrominfrastruktur der SBB - Seite 24 (PDF-Datei; 3,37 MB)
6. ↑ Glossar der DB Energie. Abgerufen am 25. Oktober 2007.
7. ↑ ÖBB Bau AG: Energieverteilung
8. ↑ Strompanne der SBB vom 22. Juni 2005, Seite 24)
9. ↑ ÖBB Bau AG: Zentrale Leitstelle Innsbruck
10. ↑ Energieversorgung elektrischer Bahnen

Weblinks

• http://www.walter-schossig.de/Deutsch/Literatur/Aufsatze/SD_PDF_6090.pdf
• http://www.db.de/site/bahn/de/unternehmen/konzern/geschichte/themen/bahnstrom/bahnstrom.html