Hochgeschwindigkeitsverkehr

ICE 3 (2005)

Shinkansen-Baureihe 200 - E5

Alstom AGV

Eisenbahn-Hochgeschwindigkeitsverkehr bezeichnet den fahrplanmäßigen Zugverkehr mit Spitzengeschwindigkeiten oberhalb einer Schwelle von 200 km/h.^[1]

Grundlagen

Für den Hochgeschwindigkeitsverkehr von Schienenfahrzeugen müssen alle Komponenten des Systems Eisenbahn an die höheren Anforderungen angepasst werden. Neben dem Hochgeschwindigkeitszug wird eine spezielle Schnellfahrstrecke und ein entsprechend leistungsfähiges Zugleit- und Sicherungssystem benötigt.

Hochgeschwindigkeitszug

→ Hauptartikel: Hochgeschwindigkeitszug

Fahrzeuge für den Hochgeschwindigkeitsverkehr werden überwiegend elektrisch angetrieben. Diesel- oder Gasturbinen-Triebfahrzeuge wurden zwar des Öfteren erprobt, bilden aber die große Ausnahme.

Um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, wird eine große Antriebsleistung (nahe 10.000 kW) installiert und der Zug gleichzeitig so leicht wie möglich gebaut (Leichtbau). Die für ihre Masse äußerst stark motorisierten Züge sind so auch in der Lage, wesentlich größere Steigungen zu überwinden als herkömmliche Züge. Reine Schnellfahrstrecken können so freier trassiert werden, was Baukosten einzusparen hilft. Hochgeschwindigkeitszüge erreichen fahrplanmäßig Geschwindigkeiten von bis zu 320 km/h, bei Versuchsfahrten auch mehr (bis 575 km/h, TGV-Versuchszug V150).

Schnellfahrstrecke

Neubaustrecke Hannover–Würzburg

→ Hauptartikel: Schnellfahrstrecke

Als Schnellfahrstrecke (SFS) wird im deutschen Eisenbahnverkehr eine Eisenbahnstrecke bezeichnet, auf der Fahrgeschwindigkeiten jenseits der regulären Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h möglich sind.

Neben einer entsprechenden Trassierung, die den hohen Belastungen standhalten muss, dürfen Schnellfahrstrecken keine höhengleichen Bahnübergänge enthalten und falls Vorbeifahrten am Bahnsteig mit Geschwindigkeiten über 200 km/h erfolgen, müssen Reisendensicherungsanlagen vorgesehen sein.

Auch an die Oberleitung werden besondere Ansprüche gestellt: So werden Fahrdrähte aus einer speziellen Legierung benutzt, die den elektrischen Kontakt verbessert sowie den Funkenflug vermeidet.

Linienzugbeeinflussung

→ Hauptartikel: Linienzugbeeinflussung

Bei den langen Betriebs- (etwa 7000 m) und Schnellbremswegen (über 3000 m) moderner Hochgeschwindigkeitszüge ist das traditionelle Signalsystem mit den Streckenblocks zur Zugdeckung nicht mehr tauglich, da damit die Blockabstände und Durchrutschwege immens lang sein müssten. Dies steht auch der vom Fahrplan geforderten kurzen Zugfolge entgegen.

Hochgeschwindigkeitszüge werden daher nicht mehr auf der Strecke punktuell durch feste Eisenbahnsignale mit Aufforderungen zum Halten oder Langsamfahren gesteuert, sondern durch ständigen Funkkontakt. Üblicherweise werden hierzu Linienleiter entlang der Strecke benutzt, die auf eine Zugantenne einwirken, und eine Verbindung zwischen dem Zug und einer Leitstelle errichtet.

Übertragen werden beispielsweise Ort und Art von bevorstehenden Geschwindigkeitsänderungen („in 10 km anhalten“; „in 2400 m auf 230 km/h abbremsen“). Die Position der Zugantenne am Linienleiter dient der Zugortung. Auch dabei gibt es heute generell noch feste Blockabschnitte.

Als angenehmer Nebeneffekt verhindert die linienförmige Zugbeeinflussung abrupte Bremsmanöver und das für die Fahrgäste unangenehme Halten in stark überhöhten Kurven.

Grenzen des Hochgeschwindigkeitsverkehrs

Im Wesentlichen begrenzen die folgenden Faktoren die Anhebung der Höchstgeschwindigkeit:

• Laufruhe
• Haftung Rad/Schiene
• Luftwiderstand
• Leistungsübertragung
• Lärmentwicklung
• Wirtschaftlichkeit
• Betriebskoordination

Laufruhe

Während in den 1950er Jahren die Fahrwerke Geschwindigkeiten jenseits von 200 km/h ohne bleibende Schäden im Fahrweg und einer Gefährdung der sicheren Führung des Fahrzeugs nicht bewältigen konnten, sind heutzutage Geschwindigkeiten von bis zu 500 km/h laufwerktechnisch beherrschbar, wie neben Versuchen auf Rollprüfständen auch die Rekordfahrt mit dem TGV jenseits von 500 km/h zeigte. Dieses ist insbesondere der aufgrund von leistungsfähigen Rechnern möglich gewordenen Simulationstechnik zu verdanken, welche eine Optimierung der Konstruktion wesentlich vereinfacht.

Haftung Rad/Schiene

Im niedrigen Geschwindigkeitsbereich ist (zumindest bei allachsgetriebenen Fahrzeugen) die maximal erreichbare Beschleunigung auch bei ungünstigen Witterungsbedingungen nicht durch den Haftwert zwischen Rad und Schiene begrenzt, sondern allein durch den Fahrkomfort. Bei hohen Geschwindigkeiten ist der Fahrwiderstand jedoch so hoch, dass die Haftreibung zu gering sein kann, um eine ausreichend starke Zugkraft auf die Schiene übertragen zu können. Daher werden bei Hochgeschwindigkeitszügen viele Achsen angetrieben, also ein Triebkopf- oder Triebzugkonzept verwendet.

Luftwiderstand

Die genauen Zusammenhänge, die einen Einfluss auf den Haftwert bei ungünstigen Witterungsbedingungen haben, sind schlecht fassbar, und der Fahrwiderstand – bei höheren Geschwindigkeiten insbesondere der (quadratisch mit der Geschwindigkeit zunehmende) Luftwiderstand – hat entscheidenden Einfluss auf die erreichbare Geschwindigkeit. Trotzdem erscheint eine Geschwindigkeit von zumindest bis zu 400 km/h auch in einem alltäglichen Betrieb bei unterschiedlichsten Wetterbedingungen ohne wesentliche Verbesserung heutiger Konstruktionen möglich.

Leistungsübertragung

Die für einen Hochgeschwindigkeitsverkehr notwendige hohe Motorleistung wird heute ausschließlich von Elektromotoren aufgebracht. Zwar wäre im Prinzip auch ein Gasturbinenantrieb möglich, jedoch wurde dieser unter anderem aufgrund der extremen Lärmentwicklung und des geringen Wirkungsgrades insbesondere bei Teillast nicht weiter verfolgt und scheint auch in Zukunft keine Alternative zu sein.

Die Grenzen des Elektroantriebs liegen weniger in der Leistungsfähigkeit der Elektromotoren, sondern in der Leistungsübertragung über die Oberleitung. Die eine Grenze stellt die mechanische Belastbarkeit der Oberleitung dar, die andere der maximale Strom, der über den Stromabnehmer von der Oberleitung übertragen werden kann. Derzeit ist der Oberleitungsbau so weit fortgeschritten, dass Geschwindigkeiten von bis zu 350 km/h im Regelbetrieb hinsichtlich der mechanischen Belastung bei entsprechender Oberleitung unproblematisch erscheinen; eine weitere Anhebung dieser Grenze ist künftig zu erwarten.

Was die Leistungsaufnahme betrifft, scheint die Grenze, wohl auch aus wirtschaftlichen Gründen wie die Kosten für den Strom und den Aufwand für Unterwerke, bei etwa 15–20 MW zu liegen. Durch eine immer leichtere Bauweise und einen immer geringeren Luftwiderstand konnte der Energiebedarf der Fahrzeuge immer weiter gesenkt werden.

Lärmentwicklung

Im Geschwindigkeitsbereich oberhalb von 250 km/h wird die Schallemission eines Fahrzeugs im Wesentlichen durch das aerodynamische Geräusch bestimmt, wobei die Schallleistung mit der fünften Potenz der Geschwindigkeit zunimmt. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einer Geschwindigkeitserhöhung von 300 km/h auf 400 km/h der Mittelungspegel um 6 dB zunimmt (Als Faustregel gilt: Ein Unterschied von 10 dB wird als Lautstärkeverdopplung wahrgenommen).

Da Hochgeschwindigkeitszüge auch durch dichtbesiedelte Gebiete fahren, stellt die Lärmentwicklung der Fahrzeuge einen Faktor für die zulässige Höchstgeschwindigkeit auf dem jeweiligen Streckenabschnitt dar. Daher erweist sich eine schalltechnische Optimierung von Fahrzeug und Fahrweg gegebenenfalls als direkt nutzbar.

Wirtschaftlichkeit

Zwar sind Hochgeschwindigkeitsverkehre immer auch Prestigeobjekte, die für die technische Leistungsfähigkeit des jeweiligen Landes stehen, doch lässt sich ohne ein gewisses Maß an Wirtschaftlichkeit ein solches Projekt nicht realisieren.

Hochgeschwindigkeitsverkehre erzielen ihre Wirtschaftlichkeit dadurch, dass die höheren Fahrzeugkosten, der höhere Aufwand für den Bau und die regelmäßige Wartung des Fahrwegs und der höhere Energiebedarf durch einen geringeren Fahrzeugbedarf infolge kürzerer Reisezeiten kompensiert werden. Zudem können durch die kürzere Reisezeit und die Attraktivität der Fahrzeuge teilweise erhebliche Zuwächse bei den Reisendenzahlen verzeichnet werden. So stiegen die Reisendenzahlen im Fernverkehr auf der Tōkaido-Strecke Tōkyō – Ōsaka nach Einführung des Shinkansens innerhalb von nur fünf Jahren auf das Vierfache, und durch die Einführung des TGV auf der Relation Paris – Lyon konnte innerhalb von zwei Jahren eine Verdopplung der Reisendenzahlen erreicht werden.

Die wesentlichen Faktoren für die Reisezeit sind:

• die Höchstgeschwindigkeit
• die Halteabstände
• die Beschleunigungsfähigkeit der Fahrzeuge
• die Haltezeiten
• Langsamfahrstellen

Während insbesondere im städtischen Nahverkehr mit kurzen Halteabständen vor allem die Haltezeiten und die Beschleunigungsfähigkeit der Fahrzeuge entscheidend ist, werden im Hochgeschwindigkeitsverkehr die kurzen Reisezeiten vor allem durch eine durchgehend hohe Geschwindigkeit und große Halteabstände erreicht. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten (ab etwa 250 km/h) nimmt allerdings die Bedeutung der Beschleunigungs- und Verzögerungsfähigkeit der Fahrzeuge zu, wenn eine dichte Zugfolge (3 Minuten) möglich sein soll.

Die Grenzen der Wirtschaftlichkeit liegen dort, wo durch eine weitere Anhebung der Höchstgeschwindigkeit keine relevanten Fahrzeitverkürzungen erreicht werden können, die in einem vernünftigen Verhältnis zu den erhöhten Kosten stehen. Die wesentlichen Faktoren sind hier heute einerseits der Wartungsaufwand für den Fahrweg und andererseits die Entfernung zwischen den Großstädten, welche sinnvoll mit einer Hochgeschwindigkeitsstrecke verbunden werden können. Somit liegt die Höchstgeschwindigkeit von Hochgeschwindigkeitsverkehren derzeit vor allem aus wirtschaftlichen Gründen bei etwa 300 km/h.

Betriebskoordination

Wesentlich für den Nutzen eines Hochgeschwindigkeitsverkehrs ist auch die zeitliche Abstimmung im Taktfahrplan an Knotenpunkten. Bei einer Evaluierung des Höchstgeschwindigkeitsverkehrs mit über 200 km/h in der Schweiz wurde festgestellt, dass 200 km/h für die NBS Bern–Olten am wirtschaftlichsten seien. Höhere Geschwindigkeiten als 250 km/h würden zwar Fahrzeitersparungen von etlichen Minuten bringen, welche sich aber nicht lohnen, da die zeitlichen Knotenpunkte im Taktverkehr nicht mehr aufgehen, womit längere Wartezeiten auf Bahnhöfen auf Anschlusszüge nötig wären und die Reisezeit etwa gleich bleiben würde – bei höheren Kosten.

Wenn Hochgeschwindigkeitsverkehr zusammen mit Verkehren geringerer Geschwindigkeit (z. B. Güterverkehr) auf gemeinsam genutzten Strecken abgewickelt wird, muss ein Abgleich der Geschwindigkeit mit Rücksicht auf die langsameren Züge auf der gleichen Strecke erfolgen. Dies kann punktuell je nach Lage oder durch die Fahrplangestaltung erfolgen.

In Deutschland verfolgt die Deutsche Bahn jedoch eine Strategie der weitgehenden Entkopplung von Hochgeschwindigkeitsverkehr von langsameren Verkehren (die so genannte „Netz 21“-Strategie), um die Vorteile von HGV-Zügen wie etwa dem ICE auszuspielen. Die Leistungsfähigkeit einer HGV-Strecke wird so gegenüber einer gemischt genutzten Strecke deutlich erhöht. Wenn bereits bei Bau einer HGV-Strecke, wie z. B. der Schnellfahrstrecke Köln–Rhein/Main auf die Befahrbarkeit mit schweren Güterzügen verzichtet wird, lassen sich auch durch eine steilere Gradiente Kosten sparen.

Geschichte

Siemens-Versuchsschnelltriebwagen von 1903

Schnelltriebwagen von 1935

Der italienische ETR 200 erreichte Ende der 1930 Jahre eine Geschwindigkeit von rund 201 km/h.

Shinkansen Baureihe 0 am Bahnhof von Fukuyama

Der V150 erreichte 2007 574,8 km/h

Schnellfahrversuche mit Dampf- und Elektrolokomotiven hatten schon vor dem Ersten Weltkrieg gezeigt, dass Geschwindigkeiten nahe oder sogar über 200 km/h zu bewältigen sind – und dies zu einer Zeit, da die schnellsten fahrplanmäßigen Züge selten mit über 100 km/h unterwegs waren. Die Marke von 200 km/h wurde erstmals am 6. Oktober 1903 von einem Versuchstriebwagen der Firma Siemens in Berlin-Marienfelde übertroffen^[2].

Einen ersten planmäßigen Schnellverkehr gab es in Deutschland der dreißiger Jahre mit Fernschnelltriebwagen (z. B. mit dem Dieselzug Fliegender Hamburger) und dampfbetriebenen Stromlinien-Schnellzügen. Das Zugnetz bestand vor allem aus Strecken von Berlin ausgehend, um Geschäfts- und Dienstreisenden die Tagesreise zur Hauptstadt ohne Übernachtung zu ermöglichen.

Zum Mutterland des modernen Hochgeschwindigkeitsverkehrs wurde jedoch Japan, wo in den 1960er Jahren die Shinkansen-Züge auf eigens neu gebauten Hochgeschwindigkeitstrassen in engem Takt zu verkehren begannen. Deren Bau war indes bedingt durch die kaum hochgeschwindigkeitstauglichen dort vorhandenen Schmalspurstrecken.

Als weltweit zweite Hochgeschwindigkeitsstrecke wurde die italienische Direttissima, die Florenz mit Rom auf einer Länge von 254 km verbindet, eröffnet. Der erste Teilabschnitt, zwischen Rom und Città della Pieve (138 km) wurde am 24. Februar 1977 eröffnet.

Zum Aufbruch in dieser neuen Ära wurde der Start des TGV 1981. Zu diesem Zeitpunkt war auch in Deutschland, wo es bereits seit 1971 planmäßige InterCity-Züge mit 200 km/h Spitzengeschwindigkeit gab, die erste regelrechte Schnellfahrstrecke, Hannover-Würzburg, im Bau. 1991 nahm der ICE den Betrieb auf.

Heute fahren Dutzende verschiedener Typen von Hochgeschwindigkeitszügen auf der ganzen Welt auf Tausenden von Kilometern an Schnellfahrstrecke. Die Zeichen stehen auch über 35 Jahre nach Beginn der Geschichte der schnellen Züge immer noch auf fast ungebremster Expansion; in fast allen entwickelten Ländern und zahlreichen Schwellenstaaten gibt es zur Zeit Streckenneubauten, -ausbauten oder Planungen dafür.

Im Juni 2007 schlossen sich sieben europäische Bahngesellschaften zur Vereinigung Railteam zusammen. Ziel dieser Vereinigung ist der Ausbau und Vereinfachung des grenzüberschreitenden europäischen Hochgeschwindigkeitsverkehrs.

Zukunft

Die Zukunft des Hochgeschwindigkeitsverkehrs ist einerseits geprägt durch einen Boom von Neubau- und Ausbaustrecken (dies scheint unter anderem den USA eine Renaissance des Schienenpersonenfernverkehrs einzutragen), andererseits durch das Bemühen, größere Teile des Netzes schneller zu befahren, ohne notwendigerweise Strecken komplett neu oder umzubauen. Auch der Trend zur Geschwindigkeitssteigerung scheint sich verlangsamt fortzusetzen; Losraddrehgestelle mit Innenfederung, also keinerlei ungefederter Masse außer den Rädern, sind im Gespräch, mit denen sich Geschwindigkeiten um 400 km/h, die bisher nur bei Rekordversuchen erreicht wurden, im Planbetrieb sicher fahren ließen.

Die Zukunft in der Fahrzeugtechnik ist jedenfalls die aktive Regelung. Aktiv geregelte Stromabnehmer sollen höhere Geschwindigkeiten auch auf Strecken ohne Schnellfahroberleitung ermöglichen, aktiv gelenkte Drehgestelle die Belastungen für Rollmaterial und Oberbau senken; das gleiche Ziel haben aktiv gesteuerte Schlingerdämpfer. Im weitesten Sinne kann man auch die Neigetechnik hierunter zählen.

Die erwähnte Entwicklung in den USA versucht ebenfalls, mit möglichst geringen Investitionen auszukommen, also wenn möglich ganz ohne Elektrifizierung. Unter anderem ist hierzu der Einsatz von gasturbinenbetriebenen Zügen geplant. Entsprechende Versuche sind schon früher gescheitert; man darf hier also skeptisch sein.

Neben dem konventionellen radgeführten Schienenfahrzeugen, werden auch in verschiedenen Ländern Magnetschwebebahn-Systeme als weiteres spurgeführtes Hochgeschwindigkeitssystem entwickelt. Beispiele hierfür sind der Transrapid und der JR-Maglev.

Siehe auch

• HGV-Anschluss-Gesetz zur Anbindung der Schweiz an das deutsche und französische HGV-Netz
• Geschwindigkeitsweltrekorde für Schienenfahrzeuge

Einzelnachweise

1. ↑ Moshe Givoni: Development and Impact of the Modern High-speed Train: A Review. In: Transport Reviews. 26, Nr. 5, Jahr, ISSN 0144-1647, S. 593–611
2. ↑ Bernd Januschke, Dr. Karl-Friedrich Warner: 1900-1909 Das neue Jahrhundert. In: Chronik des 20.Jahrhunderts. Westermann-Verlag, 1983, Seite 50.

Literatur

• Carsten Preuß: 100 Jahre Tempo 200. Geschwindigkeitsweltrekord von 1903. In: LOK MAGAZIN. Nr. 263/Jahrgang 42/2003. GeraNova Zeitschriftenverlag GmbH München, ISSN 0458-1822, S. 84-91.