Der neue Umrichter kann Bremsenergie zurück in die Stromschiene schicken. Ob sie dort ankommt, entscheidet nicht er, sondern der Fahrplan: Nur ein anderer Zug, der gerade Energie braucht, nimmt sie ab. Das Unterwerk kann es nicht.
Schritt 3 von 5. Du bilanzierst die Energie, dimensionierst Bremswiderstand und Speicher, vergleichst die Bremskonzepte mit ihren Kosten und gebt eine Empfehlung ab.
Danach: Rechenwege und Lösungen
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Zurückgespeiste Energie zählt erst, wenn jemand sie abnimmt; den Bremswiderstand braucht der Zug trotzdem.
Am Ende hast du: ein Bremsenergie-Konzept mit Energiebilanz, dimensioniertem Bremswiderstand, überschlagenem Speicher, Konzeptvergleich mit Kosten und einer Empfehlung für die Leitung Bahnbetrieb.
Karte „Formeln der Antriebstechnik“: Kräfte, Moment, Leistung, Drehzahl und Geschwindigkeit, Energie, Effektivmoment und die Umrechnungen aus dem Wirtschaftsraum Nordamerika. Die Karte steht im Wissensspeicher. Leg sie neben jede Rechnung.
Erst du, dann die anderen
Jede Bremsung ist für ein paar Sekunden ein kleines Kraftwerk. Wie findest du heraus, welches Bremskonzept sich für die alte Bahn lohnt?
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Von der Energie aus. Erst die Bilanz je Umlauf und je Jahr, dann der Geldwert. Liefert schnell eine Zahl für den Auftraggeber. Dafür sagt sie nichts darüber, ob Stromschiene und Widerstand die Spitzenleistung einer Bremsung beherrschen.
- Von Leistung und Spannung aus. Erst prüfen, welche Leistung bei einer Bremsung anfällt und was bei 900 V geschieht. Technisch sicher. Dafür kommt die Wirtschaftlichkeit erst spät auf den Tisch.
- Vom Betrieb aus. Den Fahrplan ansehen: Wie oft bremst ein Zug, während ein anderer anfährt? Liefert eine begründete Aufnahmequote. Dafür braucht es Daten des Bahnbetriebs, die ihr erst erfragen müsst.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.
Gegebene Werte: Bremsenergie · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte: Bremsenergie
- Zug voll
- m = 31 t, Drehmassenzuschlag ξ = 1,10, Höchstgeschwindigkeit 50 km/h, Höhenunterschied der Rampe 10 m, g = 9,81 m/s²
- Wirkungsgrade
- Asynchronmotor 0,94, Traktionsumrichter 0,97
- Lastenheft-Werte aus M1, Umlauf voll, beide Motoren, mechanisch
- Motorbetrieb 4,848 kWh, Generatorbetrieb 2,020 kWh
- Lastenheft-Werte aus M1, Umlauf mittlere Besetzung, mechanisch
- Motorbetrieb 4,287 kWh, Generatorbetrieb 1,751 kWh
- Umlauf
- 254,6 s voll; je Zug 45.500 Umläufe im Jahr; Flotte 9 Züge
- Bremsleistung bei Bremsbeginn aus 50 km/h
- 152,9 kW mechanisch je Motor (Lastenheft), zwei Motoren je Zug
- Stromschiene
- Nennspannung 750 V; dauernd 500 V bis 900 V, kurzzeitig 1.000 V; ab 900 V schaltet der Bremssteller den Bremswiderstand zu
- Unterwerk
- Diodengleichrichter, ein Speiseabschnitt für die ganze Strecke
- Bremswiderstand
- je Wagen ein Dachwiderstand mit Fremdlüfter (RA1, RA2) am Bremssteller des Umrichters; Widerstandswert vom Planer festzulegen
- Aufnahmequote (Unterrichtswert)
- Anteil der rückspeisbaren Energie, den andere Züge im Abschnitt gerade abnehmen, über das Jahr gemittelt: 60 %
- Nutzenergie einer Bremsung
- 85 % der elektrisch umgewandelten Bewegungsenergie erreichen die Stromschiene; der Rest geht an Fahrwiderstände, die mechanische Bremse unter 3 km/h und die Hilfsbetriebe
- Stationärer Speicher (Unterrichtswert)
- Doppelschichtkondensator am Unterwerk, über einen Steller an der Stromschiene, Spannungsfenster 900 V bis 600 V, Wirkungsgrad Laden und Entladen zusammen 0,90, Investition 350.000 €
- Rückspeisefähiges Unterwerk (Unterrichtswert)
- zusätzlicher Wechselrichter ins Mittelspannungsnetz des Flughafens, Wirkungsgrad 0,97, Investition 600.000 €
- Strompreis
- 0,20 € je kWh
Alle Werte zur alten Bahn sind Unterrichtswerte. Zahlen zum Flughafen sind öffentliche Größenordnungen, gerundet.
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Bremsenergie-Konzept mit Empfehlung
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- der Energiebilanz je Umlauf (voll) und je Jahr (mittlere Besetzung) mit Geldwert
- der Rangfolge, in der TB1 die Bremsenergie verteilt
- dem dimensionierten Bremswiderstand mit Widerstandswert, Strom, Spitzen- und Mittelleistung und der Aufteilung auf die Wagen
- dem überschlägig dimensionierten stationären Speicher
- dem Vergleich von mindestens drei Bremskonzepten mit Einsparung und Amortisation
- der Empfehlung an die Leitung Bahnbetrieb auf einer Seite
Zur Dokumentation
Rechnungen mit Formel, eingesetzten Werten und Einheit, die Jahreswerte in einer Tabellenkalkulation, damit der Auftraggeber Strompreis und Aufnahmequote selbst verändern kann. Neue Annahmen kennzeichnet ihr als Annahme.
Das Konzept ist der zweite Baustein von Meilenstein M3. Die Empfehlung legt ihr dem Auftraggeber vor; die Abnahme im Kreuzreview folgt nach Teil 5.
7.1Berechne, wie viel Energie in einem voll besetzten Zug steckt
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Aufgabe 7.1
Berechne, wie viel Energie in einem voll besetzten Zug steckt:
- Berechne die Bewegungsenergie bei 50 km/h mit Drehmassenzuschlag in kJ und in kWh.
- Berechne die Lageenergie, die der Zug in der Rampe gewinnt.
- Vergleiche beide mit der mechanischen Energie, die die Motoren je Umlauf im Motorbetrieb abgeben.
- Erkläre, weshalb der Drehmassenzuschlag in die Bewegungsenergie gehört.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Energie der Bewegung · Energie · Moment · Energie der Lage · Beschleunigung
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7.2Verfolge, wohin die Bremsenergie fließen kann
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Aufgabe 7.2
Verfolge, wohin die Bremsenergie fließen kann:
- Beschreibe mit dem Energieflussbild die möglichen Wege der Energie, wenn Zug 1 bremst.
- Erkläre, weshalb das Unterwerk die Energie nicht ins Netz zurückgeben kann.
- Beschreibe, was mit der Spannung der Stromschiene geschieht, wenn niemand die Energie abnimmt.
- Lege eine Rangfolge der Wege fest, nach der TB1 die Bremsenergie verteilen soll, und begründe sie.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Gleichrichterbegriffe · Diode · Gleichspannungs-Zwischenkreis
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7.3Stelle die Energiebilanz eines Umlaufs auf
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Aufgabe 7.3
Stelle die Energiebilanz eines Umlaufs auf:
- Berechne die Energie, die ein voll besetzter Zug je Umlauf aus der Stromschiene bezieht.
- Berechne die Energie, die er beim Bremsen und auf der Rampe abwärts höchstens an die Stromschiene zurückgeben kann.
- Bestimme den rückspeisbaren Anteil in Prozent der bezogenen Energie.
- Prüfe deine Schätzung aus dem Auftrag.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Wirkungsgrad · Energie
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7.4Bestimme das Kosteneinsparpotenzial der Rückspeisung für ein Jahr
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Aufgabe 7.4
Bestimme das Kosteneinsparpotenzial der Rückspeisung für ein Jahr:
- Berechne für einen Zug mit mittlerer Besetzung den Jahresbezug ohne Rückspeisung und die rückspeisbare Energie.
- Berechne den Geldwert der rückspeisbaren Energie für einen Zug und für die Flotte.
- Berechne, welcher Betrag davon tatsächlich eingespart wird, wenn nur andere Züge die Energie abnehmen.
- Erkläre den Unterschied zwischen Potenzial und tatsächlicher Einsparung.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Energieverbrauch · Kosten-Nutzen-Betrachtung · Vierquadrantenbetrieb
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7.5Dimensioniere den Bremswiderstand
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Aufgabe 7.5
Dimensioniere den Bremswiderstand:
- Berechne die elektrische Bremsleistung eines Zuges bei Bremsbeginn aus 50 km/h.
- Berechne den Widerstandswert, bei dem der Bremssteller diese Leistung bei 900 V vollständig in Wärme umsetzt.
- Berechne Strom und Leistung dieses Widerstands bei 1.000 V.
- Berechne mit deinem Ergebnis aus 7.3 die mittlere Leistung über einen Umlauf (voll), wenn kein anderer Zug Energie abnimmt.
- Entscheide, wie du die Bremsleistung auf die Widerstände RA1 und RA2 der beiden Wagen aufteilst, und begründe.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Bremsen, elektrisches · Gleichspannungs-Zwischenkreis · Leistung · Kurzzeitbetrieb
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7.6Dimensioniere überschlägig einen stationären Speicher am Unterwerk
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Aufgabe 7.6
Dimensioniere überschlägig einen stationären Speicher am Unterwerk:
- Berechne mit deiner Bewegungsenergie aus 7.1 die Nutzenergie einer Bremsung aus 50 km/h an der Stromschiene.
- Leite aus der Energie eines Kondensators die Kapazität her, die diese Energie zwischen 900 V und 600 V aufnimmt.
- Berechne die Kapazität.
- Berechne, welcher Anteil der gespeicherten Energie zwischen den beiden Spannungen nutzbar ist.
- Begründe, weshalb der Speicher nicht bis 0 V entladen wird.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Kondensator · Energie
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7.7Vergleiche die Bremskonzepte
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Aufgabe 7.7
Vergleiche die Bremskonzepte:
- Stelle die vier Konzepte in der Tabelle gegenüber.
- Berechne mit deinen Jahreswerten aus 7.4 für jedes Konzept die genutzte Energie und die Einsparung der Flotte im Jahr.
- Berechne für den Speicher und für das rückspeisefähige Unterwerk die statische Amortisation der zusätzlichen Investition.
- Bewerte die Konzepte nach Aufwand, Betriebssicherheit und Wirkung auf die Stromschiene.
| Konzept | genutzte Energie in kWh je Jahr | Einsparung in € je Jahr | zusätzliche Investition | Amortisation | Aufwand, Sicherheit, Stromschiene |
|---|---|---|---|---|---|
| nur Bremswiderstand | |||||
| Rückspeisung in die Stromschiene | |||||
| dazu stationärer Speicher | |||||
| dazu rückspeisefähiges Unterwerk |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Abschreibung · Kosten-Nutzen-Betrachtung · Speicher · Vierquadrantenbetrieb
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7.8Erarbeitet eure Empfehlung zum Bremsenergie-Konzept für die Leitung Bahnbetrieb
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Aufgabe 7.8
Erarbeitet eure Empfehlung zum Bremsenergie-Konzept für die Leitung Bahnbetrieb:
- Entscheidet euch für ein Konzept oder eine Kombination.
- Begründet die Wahl mit Energie, Kosten, Betriebssicherheit und Aufwand.
- Legt fest, welcher Bremswiderstand auf dem Dach bleibt, und begründet das.
- Benennt, was eure Empfehlung voraussetzt und was der Bahnbetrieb noch klären muss.
- Fasst die Empfehlung auf einer Seite für den Auftraggeber zusammen.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Kosten-Nutzen-Betrachtung · Energieeffizienz · Betriebssicherheitsverordnung
Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.
Die Lage ändert sich
Nachts zwischen 0 und 5 Uhr fährt nur ein einziger Zug, und er ist fast leer.
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Prüfe, wohin die Bremsenergie in dieser Zeit fließt.
- Beurteile, ob dein Bremswiderstand auch dafür ausgelegt ist.
- Entscheide, ob sich deine Empfehlung durch den Nachtbetrieb ändert.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.
Die volle Fassung der Szene zeigt den Energiefluss mit Zahlen. Schalte den zweiten Zug an und aus und vergleiche die Werteleiste: Energie zurückgespeist gegen Energie verheizt.
Die interaktive Fahrt der alten Bahn lädt. Ohne JavaScript siehst du sie nicht; die Übersicht oben zeigt dieselbe Strecke.