Fränkische Vor-Züge

Mathematische Optimierung lässt U-Bahnen noch energieeffizienter fahren

Wer von A nach B das Auto stehen lässt und dafür die U-Bahn nimmt, erspart sich nicht nur den Stau oder die Parkplatzsuche. Er spart auch rund zwei Drittel CO2-Emissionen ein. Um mittel- und langfristig Klimaneutralität zu erreichen, muss allerdings auch der Schienenverkehr noch grüner werden. Ein wichtiger Hebel dafür ist die weitere Erhöhung der Energieeffizienz. Bei der Nürnberger U-Bahn berechnet nun ein Softwaretool, wie die automatisierten Züge mit möglichst wenig Stromverbrauch fahren. Entwickelt wurde es mit Unterstützung des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS.

Nürnberg ist Pionier in Sachen öffentlicher Personennahverkehr – sogar mehrfach. Pionierleistung Nummer eins war die »Adler«, die als erste Eisenbahn Deutschlands ab dem 7. Dezember 1835 regelmäßig auf der Strecke zwischen Nürnberg und Fürth verkehrte. Knapp 175 Jahre später schrieb die Stadt erneut ein zukunftsweisendes Kapitel deutscher Verkehrsgeschichte: als die Nürnberger Verkehrs-Aktiengesellschaft VAGim Jahr 2008 die erste vollautomatische U-Bahn Deutschlands in Betrieb genommen hat. Seitdem spielt die mit 500.000 Einwohner*innen zweitgrößte Stadt Bayerns beim Untergrundverkehr in derselben Liga mit Metropolen wie London, Paris, Vancouver, Sao Paulo, Mexiko oder Singapur. Weltweit werden in mehr als 60 Städten zumindest einzelne U-Bahnstrecken nicht mehr von Fahrer*innen, sondern allein per Sensorik und Computerprogrammen gesteuert. Das Personal in den Leitstellen greift nur noch in Ausnahmefällen ein. Beispielsweise, wenn es zu einer Störung kommt und der Verkehr kurzzeitig auch manuell gesteuert werden muss.

In Nürnberg fahren die U-Bahnen der Linien U2 und U3 inzwischen bereits seit fünfzehn Jahre fahrer*innenlos. Und dies pünktlicher und in einem bis zu doppelt so dichten Takt wie auf herkömmlich mit »Humanpower« gefahrenen Strecken. Zudem lässt sich programmgesteuert die Fahrweise der Züge so optimieren, dass sie in jeder Situation energiesparsam und materialschonend fahren. Und es lassen sich jederzeit auch kurzfristig zusätzliche Züge auf den Strecken einsetzen. Auf herkömmlich betriebenen Strecken fehlt dafür häufig das Personal, beziehungsweise erfordert die Schichtplanung der Fahrer*innen eine längere Vorlaufzeit. All das sind Beispiele für die Vorzüge, die den automatisierten Bahnbetrieb beim Schienenverkehr im Untergrund inzwischen weltweit zum Maßstab für Neubau- und Modernisierungsprojekte gemacht haben. In Deutschland zum Beispiel sind aktuell entsprechende Automatisierungsprojekte bei den U-Bahnen in Hamburg, Berlin, Frankfurt und München in Planung oder im Bau.

Effizienz-Booster für die Nürnberger U-Bahn

Bei den Nürnberger Verkehrsbetrieben hat die U-Bahn mittlerweile den nächsten Meilenstein zurückgelegt. Sie nutzt ein Instrument, das zwar abermals zukunftsweisend für den Schienenverkehr in Ballungszentren sein dürfte, dessen Einführung allerdings nicht so offensichtlich und öffentlichkeitswirksam ist wie die »Adler« und die U-Bahn ohne Fahrer*innenstand: Es geht um eine Software, die für die ÖPNV-Nutzer*innen unsichtbar und unmerklich wichtige Weichen stellt: Sie kann den U-Bahnbetrieb zum Teil deutlich energieeffizienter und damit klimaschonender machen.

Denn durch die Verwendung der Software soll die VAG beim Betrieb ihrer automatisierten U-Bahn-Linien jeden Tag mehr als 2.000 kWh elektrische Energie einsparen können. Das ist in etwa so viel Strom, wie ein komplettes Wohnquartier mit 250 Haushalten verbraucht. Das Besondere dabei ist aber nicht nur die Energieeinsparung an sich, sondern auch, dass die Einsparerfolge nicht auf Kosten der Taktung oder der Servicequalität für Passagiere geht. »Die energetische Optimierung des Fahrbetriebs konzentriert sich allein darauf, die Geschwindigkeitsprofile und Abfahrtszeitpunkte der Züge in Details so anzupassen, dass sie zwar weiterhin die fahrplanmäßigen Fahrtzeiten und Halte einhalten, jedoch gleichzeitig bestehende Potenziale zur Einsparung von Energie maximal genutzt werden«, erklärt Markus Weissenbäck von der Arbeitsgruppe für Supply Chain Services des Fraunhofer IIS. Im Projekt »Energieeffiziente Fahrplanoptimierung im Nürnberger U-Bahn-Verkehr« entwickelten die Fraunhofer-Forscher*innen gemeinsam mit Expert*innen für mathematische Optimierung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der VAG das Software-Tool, das durch Berechnungen der effizienzoptimalen Fahrweise und eine intelligente Koordination der Züge den Energieverbrauch der Nürnberger U-Bahn verringert.

Kleine Eingriffe – große Wirkung

Die bei Weitem meiste Energie benötigt eine U-Bahn beim Losfahren an der Station. Jedes Anfahren erzeugt eine Leistungsspitze beim Strombezug aus dem Netz. »Für das Verkehrsunternehmen bedeutet dieser Vorgang einen doppelten Kostenfaktor: Zum einen ist das die benötigte Strommenge an sich und zum anderen ist der Strompreis auch abhängig von der maximal benötigten Abnahmespitze«, so Weissenbäck. Beim Abbremsen vor dem Halt dagegen speist das Fahrzeug sogenannte Rekuperationsenergie in das Stromnetz ein. Die Elektromotoren funktionieren dabei wie Generatoren, die aus der Bewegungsenergie des Zuges Strom erzeugen. »Wir versuchen nun, den Strom, den ein Zug zum Anfahren benötigt, zumindest teilweise mit der Bremsenergie eines zweiten Zuges decken zu können«, sagt Weissenbäck. Die Software analysiert dafür den Fahrplan und die geplante Fahrweise aller Züge eines Streckenabschnitts in der Gesamtsicht und bestimmt bestehende Optimierungspotenziale. Sie ergeben sich beispielsweise immer dann, wenn zwei Züge an einem Halt oder an benachbarten Stationen ungefähr zur selben Zeit ankommen beziehungsweise abfahren.

Allerdings lässt sich die Bremsenergie des einen Zuges nur dann zur Beschleunigung einer anderen U-Bahn nutzen, wenn beide Vorgänge auch tatsächlich zeitgleich ablaufen. Die Fahrpläne allein unter dieser Maxime anzupassen, ist allerdings kaum möglich. Jede Verschiebung innerhalb des komplexen Gefüges eines Netzbetriebes würde zahlreiche Kettenreaktionen nach sich ziehen, die Folgen für den gesamten Verkehrsverbund haben. Erschwerend kommt hinzu, dass die von der Leitstelle erarbeiteten U-Bahn Fahrpläne manchmal nur für einen Tag gültig sind. Denn das Planungsteam muss für jeden spezifischen Tag eine Vielzahl an Sonderereignissen berücksichtigen. Zum Beispiel, wenn Tausende Besucher*innen zu einem Großereignis an- und abreisen wollen oder Bauarbeiten im Streckennetz den Betrieb einschränken. »Die minutengenauen An- und Abfahrten der U-Bahnen an den Stationen sind daher für unser System ein unantastbares Fixum«, so Weissenbäck. Dennoch sei es in vielen Fällen möglich, die Rekuperationsenergie zu nutzen. Und zwar durch Anpassungen der Fahrweise der Züge in engen zeitlichen Grenzen. Ein Zug kann zum Beispiel auf dem Weg zwischen zwei Stationen geringfügig schneller fahren. Er ist dann sogar überpünktlich am Halt und speist entsprechend früher seine Bremsenergie ins Stromnetz ein. Umgekehrt lässt sich durch ein Herabsetzen der Fahrgeschwindigkeit die Bremsung an der Station auf einige Sekunden später verschieben. Abfahrende Züge können etwas länger an der Station stehen bleiben und damit einige Sekunden später beschleunigen. Wird er danach etwas schneller gefahren, holt er die beabsichtigt verzögerte Abfahrt bis zur nächsten Station wieder ein.

Durch die Feinabstimmung der An- und Abfahrten der Züge lässt sich die meiste Energie einsparen. Aber es gibt noch mehr Möglichkeiten, die den U-Bahn-Betrieb energieeffizienter machen: kleine Eingriffe in die Geschwindigkeitsprofile der U-Bahnen zum Beispiel. »Hier schließt unser parallel laufendes Forschungsprojekt mit der VAG zur ›energieeffizienten Koordination und Steuerung des Schienenverkehrs in Echtzeit‹ an: Es geht unter anderem darum, Optimierungsverfahren so anzupassen, dass unsere Software zusätzlich berechnen kann, wie die Beschleunigungs- und Rollphasen zwischen zwei Stationen effizienzoptimal gefahren werden«, erklärt Weissenbäck.

Von der Simulation zur Realbetrieb

Derzeit wird die Software zur tagesaktuellen Planung bei der VAG im Pilotbetrieb eingesetzt. Dies erlaubt der Arbeitsgruppe für Supply Chain Services des Fraunhofer IIS, über einen sechsmonatigen Testzeitraum hinweg Daten zum Energieverbrauch zu sammeln und valide Aussagen über die realisierten Energieeinsparungen zu treffen. Dazu wird der vom Planungsteam der VAG erstellte Fahrplan automatisiert in das Fraunhofer-Tool eingelesen. Die Software optimiert dann die Geschwindigkeitsprofile und Abfahrtszeitpunkte für jeden Zug und gibt erneut einen zulässigen Fahrplan aus. Nach Rückspielen an die U-Bahn-Leitstelle können die Betriebsverantwortlichen die Änderungen prüfen und den nun optimierten Fahrbetrieb ins Steuersystem übernehmen.

Der Pilotbetrieb ermöglicht es den Forscher*innen und der VAG, das Optimierungstool anhand realer Daten zu testen und schrittweise zu verbessern. Im aktuellen Projektschritt werden Abweichungen im Fahrplanverlauf, die während des Tages auftreten, noch nicht in die Optimierungsrechnungen einbezogen. Bereits kleinere Störungen, wie die verspätete Abfertigung eines Zuges wegen einer blockierten Türe, führen also dazu, dass der energieoptimierte Fahrplan nicht mehr wie berechnet umgesetzt werden kann.  Diesbezüglich verweist Weissenbäck wiederum auf das parallele Forschungsprojekt »Energieeffiziente Koordination und Steuerung des Schienenverkehrs in Echtzeit«: Hier ist vorgesehen, die Methoden und die Software weiterzuentwickeln und direkt in die U-Bahn-Leitstelle zu integrieren. Dann könnte das System seine Optimierungsvorschläge kontinuierlich in Echtzeit an die jeweilige Betriebssituation anpassen und damit die realisierte Energieeinsparung maximieren.

(stw)

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