Schweizer „Power Electronics Triangle“ Antriebe für Züge: Auf den Wirkungsgrad kommt es an

Energieeffizienz, Energieeffizienz und nochmals Energieeffizienz: Das sind die drei zentralen Forderungen der Bahntechnik. ABB führt in der Power Electronics Triangel der Schweiz die Technologien zusammen, die Züge mit bisher unerreichtem Wirkungsgrad und Komfort Realität werden lassen.

Die Leistungselektronik trägt erheblich zu Steigerung der Energieeffizienz bei: Ob in Frequenzumrichtern für die Steuerung von Motoren in der industriellen Produktion oder Traktionsstromrichter für die Steuerung der Motoren von Triebwagen und Lokomotiven – überall konnten über die letzten Jahre erhebliche Verbesserungen im Wirkungsgrad erzielt werden. Das zeigt eindrucksvoll die Modernisierung der deutschen ICE1-Züge, die jetzt mit den Traktionsumrichtern der neusten Technik auf IGBT-Basis ausgerüstet sind. Ihr Wirkungsgrad ist um 15 Prozent besser als der ihrer Thyristor-gesteuerten Vorgänger, womit sich die Betriebskosten um über 100.000 Euro pro Jahr und Zug reduzieren. Wogen die alten Module 300 kg und waren fast 1,5 m lang, so wiegen die neuen IGBT-Module von ABB weniger als 35 kg bei einer Größe von 80 x 40 x 20 cm.

Ein weiteres interessantes Beispiel ist auch das Arbeitspferd unter den Schweizer Lokomotiven, die Re460. Sie wurde ab 1992 in Dienst gestellt. Jetzt stattet ABB sie mit den neusten Stromrichtern aus, was in der Schweiz nicht weniger als 27 GWh pro Jahr einspart. Das entspricht dem Verbrauch einer mittleren Stadt. Damit ist das Einsparpotenzial aber längst noch nicht ausgereizt. Martin Deiss, Head of Global Sales von ABB Schweiz Traction, geht davon aus, dass sich der Wirkungsgrad über die nächsten Jahre noch einmal um bis zu 10 Prozent erhöhen lässt. Das liegt an vielen Faktoren und fängt mit den Leistungshalbleitern an. Dazu ein genauerer Blick auf die Re460. Sie fuhr bei ihrer Einführung 1992 auf Basis der damals modernsten Technik, nämlich einem Traktionsumrichter auf Basis von GTOs. Jetzt ersetzen IGBTs die GTOs, was einen Teil zur Erhöhung des Wirkungsgrades beiträgt. Diese Bauelemente sind inhärent effizienter, sie zeichnen sich aber auch durch eine höhere Schaltgeschwindigkeit aus, was weitere Sekundäreffekte nach sich zieht: So erlauben sie es, neue noch effizientere Schaltungstopologien zu realisieren. Weil die Halbleiter mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten, können Bauelemente wie Spulen und Kondensatoren kleiner ausgeführt werden, was wiederum Platz, Gewicht und damit schlussendlich auch Energie spart. »Weil die Elektrotechnik unsere Kernkompetenz ist, können wir hier noch eine Menge herausholen«, freut sich Martin Deiss.

Schlüsselelement Leistungshalbleiter
 
Das liegt vor allem daran, dass ABB über die gesamte Wertschöpfungskette verfügt, angefangen bei der Fertigung der Leistungshalbleiter selber. Dabei konzentriert sich ABB auf Typen für hohe Spannungen: 1200 V und darüber. Auf dieser Ebene gibt es weltweit nur wenige Marktbegleiter, die ähnliche Bauelemente anbieten, darunter in Europa Infineon sowie die japanischen Unternehmen Mitsubishi und Hitachi. Nach der Übernahme der britischen Dynex in Lincoln durch die chinesische Eisenbahngesellschaft CRRC 2008 hat nun auch ein Unternehmen aus China einen Fuß in diesem Marktsektor. Die Leistungshalbleiter bilden den Kern für Frequenzumrichter, die beispielsweise die Motoren in der industriellen Produktion energieeffizient antreiben und die für den energieeffizienten Antrieb von Elektroloks und Triebzügen sorgen (hier werden sie meist Traktionsumrichter genannt).

Sie arbeiten aber auch in Anlagen zur Energieverteilung in Gebäuden, in Rechenzentren sowie in der Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Ohne sie ließe sich die Energie über weite Strecken nicht effizient übertragen. Sie bilden das Herz von FACTS (Flexible AC Transmission Systems) und HGÜ (Hochspannungsgleichstromübertragung), sind aber genauso wichtig, um die Elektrizität über Umspannwerke auf den niedrigeren Spannungsebenen effektiv verteilen zu können. Diese Fähigkeit fällt in den Zeiten der Energiewende besonders ins Gewicht, denn nun speisen fluktuierende Erzeuger auch ins Nieder-und Mittelspannungsnetz ein. Der Lastfluss kehrt sich gegenüber der früheren Einheitsrichtung von oben nach unten um.