PV4Rail – Entwicklung eines ganzheitlichen Konzeptes und eines leistungselektronischen Umrichters mit 1 MVA für die Einspeisung von PV-Strom ins Bahnstromnetz

Das Bahnstromnetz verfügt über knapp 8.000 Kilometer eigene Stromleitungen, die sich fast flächendeckend über Deutschland verteilen und mit einer eigenen Frequenz von 16,7 Hertz betrieben werden. Aktuell gibt es noch keine PV-Anlagen entlang der Bahnlinien, die direkt in das Bahnstromnetz einspeisen, da bisher keine Systemtechnik verfügbar ist. Das lokal vorhandene Flächenpotenzial entlang der Bahngleise in Deutschland wird also bisher fast nicht genutzt. Im Projekt PV4Rail soll diese systemtechnische Lücke geschlossen werden, indem Grundlagen erarbeitet und eine optimierte Leistungselektronik und Systemtechnik entwickelt werden.

Das öffentliche Netz stellt eine dreiphasige Wechselspannung mit 50 Hz zur Verfügung. Die Netze bei Bahnsystemen sind als einphasige Wechselspannungsnetze mit 16,7 Hz realisiert. Ein wesentlicher Unterschied zu öffentlichen Netzen liegt dabei unter anderem in den erhöhten Spannungstoleranzen. Im öffentlichen Netz liegt die Spannungstoleranz bei +/- 10% (je nach Spannungsebene auch mehr). In Bahnnetzen können Spannungstoleranzen von über 30% vorkommen, wodurch die Leistungselektronik auf einen größeren Spannungsbereich ausgelegt werden muss. Die Spannungsänderungen sind dabei sehr dynamisch im Vergleich zum öffentlichen Netz. Dies ist bedingt durch das Anfahren, Abbremsen oder Vorbeifahren von Zügen am Netzanschlusspunkt. Auf diese dynamischen Spannungsänderungen muss die Regelung des Wechselrichters angemessen reagieren.

Die Schwerpunkte im Projekt PV4Rail und bei der geplanten Pilotanlage liegen deshalb auf der Entwicklung einer optimierten Regelungstechnik und Leistungselektronik für einen wirtschaftlichen Betrieb. Dies beinhaltet neben einem Gesamtkonzept (Schaltanlage, Transformatoren etc.) als Kernstück, die Entwicklung und Erprobung eines Bahnstromwechselrichters mit einer Leistung von 1 MVA und die Vorplanung eines konkreten Demonstrationsprojektes. Bisherige Pilotanlagen zeigten dabei die Plausibilität der Einspeisung von PV-Strom ins Bahnnetz.

Des Weiteren wird das nationale Gesamtpotenzial der verfügbaren Flächen durch die Analyse von Geodaten bestimmt. Die Förderbedingungen wurden nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) angepasst, mit dem die PV-Freiflächenanlagen entlang von Gleisen und Autobahnen ab dem 01.01.2023 bis zu einem Abstand von 500m förderfähig wurden.

Durch die vereinfachte Einspeisemethode wird der Anteil an erneuerbarem Strom in Bahnnetzen merklich erhöht und effiziente sowie kostengünstige Ressourcen genutzt.  Das Projekt trägt damit dazu bei, das Bestreben einer CO₂-ärmeren Mobilität in Deutschland, der Schweiz und in Österreich voranzutreiben. Bei einem Erfolg könnte das Projekt als Vorreiter für eine generelle Anpassung der zu entwickelnden Systemtechnik für andere Arten von Bahnnetzen in Europa (z. B. Osteuropa mit 25 kV und 50 Hz) sowie weltweit dienen, um größere Märkte zu erschließen.