ENERGIE Elektrische Weichenheizungsanlagen Energieeinsparung durch Wetterdatenanbindung – Bericht über eine Testanlage der ESA Elektroschaltanlagen Grimma GmbH und der Deutschen Bahn AG Abb. 1: Elektrische Weichenheizung System WHVI Anne Eppendorfer Im Zeitalter ständig steigender Energiekos ten und der Erderwärmung wird in beina he jedem Lebensbereich großer Wert auf Energieeffizienz gelegt. Dies gilt auch für die Beheizung von Weichen. Aber nicht nur die Betreiber von Bahnanlagen, auch die ESA-Grimma hat als Hersteller von Wei chenheizungen den Anspruch, die Weichen auf effiziente Art und Weise schnee- und eisfrei zu halten. Trotz der Anforderung durch die Betreiber, geringe Energiekosten zu produzieren, ist es von essentieller Be deutung, dass die Funktionsfähigkeit der Weichen, vor allem im Hochgeschwindig keitsbereich, aber auch im Regionalverkehr, permanent gewährleistet wird. Funktionsweise Bestandsanlagen Laut Technischer Mitteilung der DB AG muss eine Weichenheizanlage 5 cm Schnee fall pro Stunde in einem Temperaturbereich von + 2 °C bis – 10 °C und Flugschnee bis – 20 °C abtauen können. Um dies möglichst energieeffizient umsetzen zu können, sind die bestehenden elektrischen Weichenhei zungsanlagen der ESA-Grimma mit einer Konstanttemperaturregelung ausgestattet. Diese wird in Abhängigkeit der aktuellen 60 EI-Eisenbahningenieur | Mai 2015 Wetterdaten betrieben, welche durch eine an der Führungsweiche (Referenzweiche) befindlichen Fühlerstation erfasst werden. Die Fühlerstation ist standardmäßig mit einem kapazitiven Niederschlagssensor so wie einem Lufttemperaturfühler und einem Schienentemperaturfühler ausgestattet. Die Heizbedingung gilt als erfüllt, wenn Niederschlag vorhanden ist und die Schie nentemperatur unter einen vorparametrier ten Wert fällt oder bei Trockenheit die Luft temperatur unter einen vorparametrierten Wert fällt. Dieser Wert liegt meist bei etwa – 5 °C, daher spricht man vom Tieftempera tur- oder Trockenheizen. Dieses Trockenheizen dient dazu, das sehr träge Aufheizverhalten der Anlage, welches sich durch die Systembedingungen ergibt, umgehen zu können und somit präventiv für ein mögliches Niederschlagsereignis vorzu heizen. Bleibt das Niederschlagsereignis aus, wird dementsprechend ohne Bedarf geheizt. Ein Schaltgerät regelt über Hybridschüt ze bei erfüllter Heizbedingung die Weiche entsprechend der Ril 954.9101 mithilfe der Wellenpaketsteuerung auf konstant 6 °C. Zukunftsausblick Wetterbedingungen Klimaforscher warnen schon seit vielen Jahren vor dem weltweiten Klimawandel, der in Deutschland vor allem zu weniger Schnee im Winter und ganzjährig zu hö heren Durchschnittstemperaturen führen wird. Das Potsdamer Institut für Klima forschung (PIK) hat ein Web-Portal (www. klimafolgenonline.com) entwickelt, über das man sich Wetterkarten für verschiedene Wetterparameter, wie die Temperatur oder die Schneehöhe für heute und die Zukunft anschauen kann. Was in diesen Karten ab zulesen ist, bestätigt uns auch Dr. Walter vom Deutschen Wetterdienst. Die Tempe raturen werden bis 2100 um 1,5 °C bis 4 °C höher liegen. Interessanterweise zeigt sich die stärkste Erwärmung im Süden, also in den gebirgigen und schneereicheren Regi onen Deutschlands. Die Niederschlagsmen ge wird im Winter um bis zu 30 % steigen, jedoch sinken die Tage mit Schneedecke deutlich. Demzufolge ist zukünftig mit sehr viel mehr Regen im Winter zu rechnen als bisher. Allerdings bedeutet dies nicht, dass Wei chenheizungen zukünftig nicht mehr benö tigt werden, denn obwohl die Winter im All gemeinen milder und schneeärmer werden, sind dennoch Wetterextreme wahrschein lich. Laut dem Deutschen Wetterdienst sind Hagelereignisse öfter zu erwarten, ebenso steigen Temperaturextreme im Winter um das bis zu 20-fache an. Das heißt, dass in Zu kunft die meiste Zeit der Heizperiode Ener gie gespart werden kann, in Extremfällen aber auch die notwendige Leistung abrufbar sein muss, um den störungsfreien Betrieb aufrechtzuerhalten. Technische Rahmenbedingungen In verschiedenen Messreihen konnte fest gestellt werden, dass es einige Minuten dauern kann, bis alle Schienenteile auf die gewünschten 6 °C erwärmt werden. Da das Vorheizen im Tieftemperaturbereich bei – 5 °C einsetzt, muss die Schiene um mindestens 11 K erwärmt werden. Für die Messung und anschließende Auswertung wurden folgende Messpunkte festgelegt (Abb. 2): Backe unten (1), Backe Steg (2), Backe Kopf (3), Gleitstuhl innen (4) und Gleitstuhl Mitte (5). In Abb. 3 ist abzulesen, dass dies bei den Gleitstühlen sogar bis zu 45 Minuten dau ern kann. Damit wird zwar die DB-Richtlinie erfüllt, dennoch könnte es in diesen Minuten schon zu Störungen durch Flugschnee oder zu einem plötzlichen Schneesturm kommen. Auch beim schlagartigen Auftreten von Eis regen ist die Trägheit der Schienenmasse möglicherweise ein Grund, dass eine Wei che nicht rechtzeitig gestellt werden kann. Bei elektrischen Weichenheizungen ohne Wind- und / oder Wärmedämmung wird außerdem viel der aufgewendeten Energie an die Luft abgegeben, sodass unnötig Kos ten produziert werden. Zudem ist sehr viel Energie nötig, um die hohe Solltemperatur der Schiene von 6 °C zu erreichen. Im Falle von Regen oder leich tem Schneefall scheint eine Erwärmung auf diesen Sollwert gar nicht notwendig. Da mit dem bisher von der DB eingesetzten Nieder schlagsfühler nur festgestellt werden kann, ob Niederschlag vorhanden ist und nicht in welcher Art und/oder Menge, wird bisher allerdings in jedem Fall auf 6 °C geheizt, um den störungsfreien Zugverkehr nicht zu ge fährden. 3 2 Heizstab 4 5 1 Abb. 2: Messpunkte für Temperaturmessung Anlagen der Zukunft Aufgrund der Klimaentwicklungen und der Trägheit der elektrischen Weichenheizung se hen wir, die ESA-Grimma und die DB, durch aus großes Einsparpotenzial. Daher haben sich beide Unternehmen auf die Erprobung eines neuen Regelungsprinzips geeinigt. Es können grundsätzlich zwei Einsparpo tenziale unterschieden werden. Zum einen kann das unnötige Vorheizen bei tiefen Temperaturen ohne Niederschlag ausgesetzt und zum anderen kann der Schienentempe ratursollwert an die aktuellen Wetterbedin gungen angepasst werden. Aussetzen des Tieftemperaturoder Trockenheizens Für diese Funktionalität werden von einem Wetterdienst die Prognosewerte für die Nie derschlagswahrscheinlichkeit und Nieder schlagsart abgefragt. Sollte bei tiefen Tempe raturen die Niederschlagswahrscheinlichkeit für die nächsten 30 Minuten unter 60 % lie gen, wird das Tieftemperaturheizen unter drückt. Liegt die Niederschlagswahrschein lichkeit über 60 %, wird unterschieden, ob es sich bei dem zu erwartenden Niederschlag um Schnee oder Regen handelt und dann entsprechend das Tieftemperaturheizen als Vorheizfunktion aktiviert. Bei Regen wird das Vorheizen bei einer Niederschlagswahr scheinlichkeit von 80 % eingeschaltet, wo hingegen bei prognostiziertem Schnee schon bei einer Niederschlagswahrscheinlichkeit von 60 % geheizt wird. Im diesem Vorheizmodus wird die Schie nentemperatur bis zum Eintritt des tatsäch lichen Niederschlagsereignisses auf 0 °C konstant gehalten. Abb. 3: Zeitliches Temperaturverhalten an den Messpunkten temperatur. Beispielsweise muss dieser bei Regen nicht so hoch sein, wie bei Schneefall. Ebenso ist der Wert abhängig von der tat sächlichen Niederschlagsmenge. Die ESA-Grimma hat in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut einen op tischen Niederschlagssensor entwickelt, mithilfe dessen die Niederschlagsart und -menge bestimmt werden kann. Die ring förmige Konstruktion (Abb. 4) erfasst den Niederschlag, der hindurchfällt und ist in der Lage, dessen Partikelgröße zu messen. Hier können Partikel mit einer Größe von 0,2 bis 8 mm bei einer Geschwindigkeit von 0,2 bis zu 20 m/s erfasst werden. Ein weite rer Vorteil gegenüber dem bisher verwende ten kapazitiven Niederschlagsfühler ist die Erkennung von Schmutz auf der Sensorflä Optimierung des Schienentemperatursollwertes Weiteres Einsparpotenzial liegt in der Op timierung des Sollwertes für die Schienen Abb. 4: Optischer Niederschlagsfühler NI05 EI-Eisenbahningenieur | Mai 2015 61 ENERGIE Tab. 1: Einteilung Schienensolltem peraturen die bewusst ausgeblendet werden, da die se für alle drei Weichen gleichermaßen ausgeführt werden, wenn der Fahrdienst leiter diese initiiert. Dieses Heizregime wird mit einer neuen Steuereinheit SEK4 (Abb. 5 und 6) und ei nem optischen Niederschlagsfühler reali siert. Vergleich Wetterdaten Soll-Ist che, welcher herausgerechnet werden kann. Um die Ablagerung von Schnee auf dem ringförmigen Fühler zu verhindern, wird die Oberfläche des Fühlers beheizt. Die von dem Fühler erfassten Daten wer den in das Regelregime einbezogen, sodass sich die Schienensolltemperatur an die Nie derschlagsereignisse vor Ort dynamisch anpasst. Detektiert der Niederschlagsfühler Niesel oder Regen, wird die Schiene ledig lich auf 1 °C geheizt, um ein Anfrieren des Regens auf zu kalten Gleitstühlen oder Zun genschienen zu verhindern. Gegenüber der derzeit einheitlichen 6 °C sind erhebliche Einsparungen möglich. Bei Schneefall wird – je nach Niederschlagsmenge – nach einer vorgegebenen Einteilung eine entsprechen de Schienensolltemperatur (Tab. 1) gewählt. Nach Ende des Niederschlages gibt es opti onal die Möglichkeit, die Schiene einmalig für etwa 30 Minuten auf 6 °C aufzuheizen, sodass keinerlei Feuchtigkeit mehr vor handen ist. Mit diesem Trockenheizen der Weiche ist sichergestellt, dass bei Absin Abb. 5: Kompakte Steuereinheit SEK4 ken der Temperatur sowie ausbleibendem Niederschlag und damit ausgeschalteter Heizung keine Restfeuchte an der Weiche gefriert. Testanlage Zur Umsetzung der Erprobungsanlage für die elektrische Weichenheizung mit Wetter datenanbindung hat die DB für die Heizpe rioden 2014/2015 und 2015/2016 am oberen Bahnhof in Grimma eine Weichenanlage mit drei Weichen zur Verfügung gestellt. Damit ist der Vergleich zwischen Aussetzen des Vorheizens bei Tieftemperatur und der dynamischen Sollwertanpassung der Schie nentemperatur möglich. Da es sich um verschiedene Weichen typen handelt, wurde sich für den Ver gleich über die Betriebsstunden der Hybridschütze entschieden. Zu diesem Zwecke sind drei Betriebsstundenzähler in der Anlage installiert worden, die je den Schaltvorgang aufzeichnen. Ausge nommen davon sind Kurzzeitheizbefehle, EI-Eisenbahningenieur | Mai 2015 Ergebnis: Einsparpotenzial ist vorhanden Die Einbindung der Wetterprognosedaten zeigt deutliches Einsparpotenzial (Tab. 2). Durch das Aussetzen des Tieftemperatur heizens ohne Niederschlag konnten im ers ten Testabschnitt ca. 25 % der Betriebsstun den eingespart werden. Im Vergleich der Weichen W2 und W3 konnten durch die dynamische Sollwert anpasssung in Abhängigkeit der Nieder Abb. 6: Modulare Steuereinheit SEK4 Tab. 2: Übersicht Energieeinsparung der Testanlage Bhf. Grimma 62 Leider sind Wetterprognosen nicht im mer zu 100 % zuverlässig. Deshalb werden gleichzeitig die Daten vor Ort durch eine Fühlerstation gemessen und während des Erprobungszeitraumes mit den prognos tizierten Daten verglichen. Im bisherigen Erprobungszeitraum konnte gezeigt wer den, dass die Prognose recht nah an den tatsächlichen Wetterdaten vor Ort liegt. Perspektivisch gesehen wäre auch ein Transfer der Wetterdaten zwischen der Anlage und dem Wetterdienstleister mög lich. So könnten die Prognosedaten im Austausch gegen die Istdaten geliefert werden, sodass der Wetterdienstleister die Fühlerstation am Bahnhof als Wettersta tion für sich und andere Kunden nutzen kann. Abb. 7: Betonstation mit optischem Niederschlagsfühler Testanlage Bhf. Grimma schlagsart und -menge zusätzlich ca. 55 % der Betriebsstunden eingespart werden. Die Ergebnisse beziehen sich auf den ersten Teil des Erprobungszeitraumes (2. Dezem ber 2014 bis 6. Februar 2015). Im weiteren Verlauf der Erprobung sind ähnliche Werte zu erwarten. Die sehr große Einsparung ist unter an derem dem milden Winter zu verdan ken. Angesichts der Klimaentwicklung in den nächsten Jahrzehnten sollte dieser allerdings nicht als Ausnahme, sondern als Regel gesehen werden. Aus unserer Sicht ist aufgrund der veränderten Klim abedingungen in Deutschland eine Wei chenheizung mit Sollwerten, welche sich dynamisch an die tatsächlichen Wetter bedingungen anpassen, zwingend not wendig. Präventiver Schutz vor Flugschnee möglich Durch Flugschnee besteht für die Weichen ein nicht zu unterschätzendes Risiko. Um die Weichenheizungsanlage sowohl sicher als auch energiesparender zu gestalten, ist es sinnvoll, sich mit diesem Risiko ausei nanderzusetzen. Durch die Anbindung an den Wetterdienst steht der Anlage eine sehr gute Möglichkeit zur Verfügung, die ses Risiko unter optimalem Energieeinsatz zu beherrschen. Mithilfe der Prognose werte können Rückschlüsse auf den vor handenen Schnee und dessen mögliches Verhalten gezogen werden, d. h., wieviel Schnee derzeit vorhanden ist und ob die ser verwehfähig ist oder nicht. Durch die Kombination aus optischem Niederschlagsfühler (Abb. 7) und Wet terdatenanbindung kennt die Anlage die derzeit an der Anlage vorhandene Schneemenge und deren Zustand. War der Schnee beispielsweise einmal angetaut, ist die Wahrscheinlichkeit sehr gering, dass er durch starke Windböen oder vorbeifah rende Züge verweht werden kann und die Anlage muss nicht heizen. Ist der Schnee jedoch in einer feinen Pulverform, z. B. durch eine sehr lange Kälteperiode, vor handen, besteht eine starke Verwehungs gefahr und die Anlage sollte präventiv heizen. In Kombination mit dem schon vorhan denen Flugschneefühler an der Backen schiene ist dies aus Sicht der ESA-Grim ma eine effektive Variante, dieses Risiko zu senken. Damit wäre ein präventives Vorheizen der Zungenschiene, solange verwehfähiger Schnee vorhanden ist, und anschließendes Heizen der Gesamtanlage, wenn der Flug schneefühler tatsächlich Schnee detektiert, möglich. Diese Funktionalität könnte beispielsweise in einer späteren Testanlage erprobt werden. Anne Eppendorfer, M. A. Projektleitung FuE-Abteilung, ESA Elektroschaltanlagen Grimma GmbH [email protected] Zusammenfassung Summary Elektrische Weichenheizungsanlagen Electric point heating systems Die festeingestellten Sollwerte nach DB-Richtlinien sind angesichts der heutigen und zukünftigen Klimabedingungen überholt und sorgen für unnötigen Energieverbrauch. Daher ist es notwendig, über neue Konzepte nachzudenken. Die Weichenheizung mit Wetterdatenanbindung ist eine gute Möglichkeit, viele Kosten und Energie zu sparen und somit Ressourcen sowie die Umwelt zu schonen. Auch wenn die notwendige Fühlerstation und Steuerung höhere Anschaffungskosten mit sich bringen, sorgt die bereits nachgewiesene Energieeinsparung von ca. 50 % dafür, dass sich die Mehrkosten innerhalb kürzester Zeit amortisiert haben. Zudem würde das Vorheizen der Zungenschiene, um Störungen durch Flugschnee zu vermeiden, eine höhere Weichenverfügbarkeit mit sich bringen und damit selbst bei starkem Wind im Winter den störungsfreien Betrieb sichern. The preset fixed nominal values according to the DB guidelines are outdated in view of today’s and future climatic conditions. They produce unnecessary energy consumption. It is therefore necessary to think about new concepts. Point heating with a weather data link is a good possibility to achieve substantial cost and energy savings and thus to take care of resources and the environment.Even if the necessary sensor stations and their control will bring about increased procure ment cost, the already demonstrated energy saving of about 50 % will ensure a fast payback of the additional investment. Furthermore, preheating of point rails to prevent malfunctions in case of flying snow would improve the availability of turnouts and consequently ensure their safe operation even with strong wind. INNOVATIVE LÖSUNGEN B E R AT U N G · P L A N U N G · P R O D U K T I O N · L I E F E R U N G · M O N TA G E beheizbare Reisendenübergänge Auffangsystem für Außenreinigungsanlage WECO Bahnüberwegeund Auffangwannenbau GmbH Versorgungs- und Dienstwegsystem Großflächenplatten MOSELLAND Saarburger Str. 37-39 D-54329 Konz Tel. +49 6501 9411-0 Fax +49 6501 9411-25 www.weco-gmbh.com [email protected] EI-Eisenbahningenieur | Mai 2015 63 Stellenanzeige buchen: Christopher Radon Telefon: 040 / 2 37 14 - 153 E-Mail: [email protected] Das Job- und Karriereportal der Bahnbranche Für Einsteiger, Aufsteiger und regietsmU ZUKUNFTS BRANCHE BAHN Stellenmarkt 05/2013 Leistungsstark: Print – Online – Events zukunftsbranche-bahn.de Bahn-Media ▪ Verlag
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