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Bahnstrom

Die meisten Eisenbahnen sind heute elektrifiziert. Gegenüber dem Einsatz von Wärmekraftmaschinen in den Lokomotiven, beispielsweise Dieselmotoren oder Dampfmaschinen, hat dies wesentliche Vorteile:

• Die Energieeffizienz ist wesentlich höher, da Elektromotoren einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Antriebsleistungen erreichen und beim Bremsen eine Energierückgewinnung (Rekuperation) möglich ist.
• Eine breitere Auswahl von Quellen für Primärenergie steht zur Verfügung – auch erneuerbare Energien wie Wasserkraft, Windenergie und Sonnenenergie. Eine Umstellung auf andere Primärenergieträger ist jederzeit möglich.
• Elektromotoren sind robust und vergleichsweise wartungsarm, also auch deswegen kostengünstig im Betrieb.
• Vor allem die lokalen Umweltbelastungen sind bei elektrischem Antrieb wesentlich geringer: Abgase fallen lokal nicht an, und Lärm entsteht deutlich weniger als z. B. bei Dieselmotoren.

Ein wichtiger Nachteil ist jedoch, dass die elektrische Energie während der Fahrt zugeführt werden muss – in der Regel mit Oberleitungen, teilweise auch mit bodennahen Stromschienen. Die Elektrifizierung einer Bahnstrecke ist teuer, weswegen auf sie bei wenig genutzten Strecken z. T. verzichtet wird.

Auch Untergrund-, Stadt- und Straßenbahnen sind weitestgehend elektrifiziert. Im Unterschied zu den Eisenbahnen für den Fernverkehr, auf den sich dieser Artikel konzentriert, arbeiten sie meist mit Gleichstrom auf einem niedrigeren Spannungsniveau.

Das Bahnstromnetz

Die elektrische Energie, die die Bahnen zum Betrieb benötigen, wird in manchen Ländern (auch in Deutschland) durch ein separates Bahnstromnetz verteilt, also ein vom öffentlichen Stromnetz separates Stromnetz. Es verfügt teils über eigene Kraftwerke, bezieht teilweise aber auch Energie aus dem öffentlichen Stromnetz. Die Verteilung der Energie erfolgt über 110-kV-Hochspannungsleitungen (die teilweise auf den Masten anderer Hochspannungsleitungen verlegt sind) bis zu den Unterwerken, die die Spannung mit einem Transformator anpassen, um in die Oberleitungen einspeisen zu können.

Das Bahnstromnetz unterscheidet sich in manchen Punkten vom öffentlichen Stromnetz:

• Da die Zufuhr von Drehstrom über Oberleitungen wenig praktikabel ist (nämlich zwei oder drei Oberleitungen benötigen würde), arbeitet man fast überall mit Einphasen-Wechselstrom, z. B. mit 15 kV Effektivwert (was im Bereich der Mittelspannung liegt). Der Strom fließt von den Oberleitungen über den Stromabnehmer und wird über die Schienen abgeleitet. Die Schienen befinden sich nahezu auf Erdpotenzial, so dass ihre Berührung im Normalfall völlig harmlos ist.
• In Deutschland, Österreich, der Schweiz und in Schweden wird das Bahnstromnetz mit einer Netzfrequenz von 16,7 Hz betrieben – nicht mit 50 Hz, wie es in vielen anderen Ländern üblich ist. Dies liegt daran, dass es in der früheren Zeit der Elektrifizierung schwierig war, leistungsfähige Motoren für 50 Hz zu bauen. (Bei einphasigen Motoren ist die Funkenbildung am Stromwender dann recht stark.) Heute ist dies längst nicht mehr der Fall: Moderne Umrichter in Lokomotiven erzeugen Drehstrom, mit dem dann ein robuster Drehstrommotor ohne Schleifkontakte betrieben werden kann. Von daher würde man heute ein neu zu errichtendes Bahnstromnetz wohl eher für 50 Hz (oder gar für Gleichstrom) auslegen. Es wäre aber ein enormer (und definitiv nicht lohnender) Aufwand, das gesamte vorhandene Bahnstromnetz nachträglich entsprechend umzubauen – insbesondere solange noch viele alte Elektrolokomotiven im Einsatz sind, die schwer umzurüsten wären. In anderen Regionen der Welt gibt es Bahnstromnetze mit 50 Hz, auch mit anderen Wechselstromfrequenzen (z. B. 25 Hz), oder mit Gleichstrom.

In Ländern, in denen kein separates Bahnstromnetz verwendet wird, werden die Oberleitungen über die Unterwerke versorgt. Diese können einfach Transformatoren enthalten oder auch Umformer, wenn die Frequenz geändert werden muss.

Bahnstromkraftwerke

In Deutschland und vielen anderen Ländern erzeugen die Bahnen die elektrische Energie zumindest teilweise selbst in Bahnstromkraftwerken. Ihre Generatoren arbeiten mit der benötigten Netzfrequenz und beliefern über Hochspannungsleitungen (in Deutschland mit 110 kV) die Unterwerke. In Österreich werden ausschließlich Wasserkraftwerke verwendet, während in Deutschland 13 Wasserkraftwerke, 7 fossil befeuerte Kraftwerke und ein Kernkraftwerk (mit teilweiser Bahnstromerzeugung) genutzt werden (Stand 2012).

Es gibt häufig Kraftwerke, die Strom sowohl für das öffentliche Netz als auch für die Bahnen liefern. Bei abweichenden Netzfrequenzen können separate Generatoren verwendet werden oder auch Umrichter.

Elektroantrieb der Lokomotiven

In frühen Jahren der Elektrifizierung stand kaum leistungsfähige Elektronik zur Verfügung. Die Elektromotoren mussten also direkt – allenfalls über einen Transformator für die Herabsetzung der elektrischen Spannung betrieben werden. Stelltransformatoren dienten der Steuerung der Leistung.

Moderne Elektrolokomotiven arbeiten intern mit Drehstrom variabler Frequenz, der über einen Umrichter erzeugt wird. Dies erlaubt einerseits den Einsatz robuster und kompakter Drehstrommotoren und ergibt andererseits eine höhere Flexibilität für den Einsatz im grenzüberschreitenden Verkehr. Da in der Lokomotive zunächst eine Gleichrichtung vorgenommen wird, kommt es auf die Netzfrequenz kaum an. Auch ein variables Spannungsniveau ist für die heutigen Umrichter kein Problem. Der technische Aufwand für solche Mehrsystemlokomotiven ist gering im Vergleich zu dem, der durch unterschiedliche Signalsysteme entsteht.

Siehe auch: elektrische Energie, Stromnetz, Mittelspannung, Netzfrequenz