Schienenverkehr

Siegmann, Jürgen Book Part Schienenverkehr Provided in Cooperation with: ARL – Akademie für Raumentwicklung in der Leibniz-Gemeinschaft Suggested Citation: Siegmann, Jürgen (2018) : Schienenverkehr, In: ARL – Akademie für Raumforschung und Landesplanung (Ed.): Handwörterbuch der Stadt- und Raumentwicklung, ISBN 978-3-88838-559-9, ARL - Akademie für Raumforschung und Landesplanung, Hannover, pp. 2107-2117, https://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0156-55991958 This Version is available at: https://hdl.handle.net/10419/225856 Standard-Nutzungsbedingungen: Die Dokumente auf EconStor dürfen zu eigenen wissenschaftlichen Zwecken und zum Privatgebrauch gespeichert und kopiert werden. Sie dürfen die Dokumente nicht für öffentliche oder kommerzielle Zwecke vervielfältigen, öffentlich ausstellen, öffentlich zugänglich machen, vertreiben oder anderweitig nutzen. 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If the documents have been made available under an Open Content Licence (especially Creative Commons Licences), you may exercise further usage rights as specified in the indicated licence. https://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/de/ Die ARL ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft JürgenSiegmann Schienenverkehr S.2107bis2117 URN:urn:nbn:de:0156‐55991958 CC‐Lizenz:BY‐ND3.0Deutschland In: ARL–AkademiefürRaumforschungundLandesplanung(Hrsg.): HandwörterbuchderStadt‐undRaumentwicklung Hannover2018 ISBN978‐3‐88838‐559‐9(PDF‐Version)  2107 Das System Schienenverkehr basiert auf dem Prinzip Stahlrad auf Stahlschiene mit seinem geringen Rollwiderstand. Das erlaubt es, große Massen schnell und mit geringem Energieaufwand sicher zu GJK¸WIJWS?NJQNXYJNS[JWSJY_YJX8^XYJRRNYM¦ZąL[JWPJMWJSIJS Personenzügen im Fern- und Regionalverkehr. Im Güterverkehr dominiert die Straße, doch die Schiene erfährt infolge des zunehmenden Containerverkehrs über lange Strecken einen leichten Zuwachs. Schienenverkehr Jürgen Siegmann Gliederung 1 Bestandteile und Wirkungsmechanismen im System Schienenverkehr 2 Interdependenzen der Teilsysteme 3 Personenverkehr 4 Schienengüterverkehr 5 Zukunftsaussichten des Schienenverkehrs Literatur Schienenverkehr 2108 1 Bestandteile und Wirkungsmechanismen im System Schienenverkehr Unter Bahnen werden Verkehrswege verstanden, auf denen Fahrzeuge oder Fahrzeuggruppen (Züge) spurgeführt werden. Die Spurführung erfolgt zumeist durch stählerne Leitwege (Schienen) und entsprechend geformte Räder aus Stahl. Die Schienen sind auf Querschwellen montiert, die in einem Schotterbett gelagert sind. Die Bahnen gewinnen so ihren wichtigsten Systemvorteil aus der geringen Rollreibung zwischen Stahlrad und Stahlschiene. Dem daraus resultierenden geringen spezifischen Energieverbrauch steht der Nachteil entgegen, dass auch nur relativ kleine Kräfte zum Beschleunigen und Bremsen übertragen werden können. Zur Spurhaltung ist daher eine mechanische Führung über den Spurkranz der Räder erforderlich. Ein starrer Radsatz wird auf zwei Schienen geführt, die auf Querschwellen im Schotterbett oder Einzelstützpunkten gelagert sind (s.Abb.1). Abbildung 1: Schienenverkehr Stahlrad auf Schiene und Unterbau Quelle: Beck/Kleinert 2014 Zu den schienengeführten Transportsystemen nach diesem Prinzip zählen die Eisenbahnen (mit unterschiedlichen Spurweiten, Normalspur in Mitteleuropa: 1.435 mm), die Bergbahnen ohne Seilbahnen sowie die Straßen-, Stadt- und U-Bahnen. Auch die Magnet- und H-Bahnen sowie auch Fahrtreppen und Fahrstühle sind spurgeführte Transportsysteme. Schienenverkehr 2109 Im Gegensatz zum ▷Straßenverkehr kann bei Geschwindigkeiten von über 40 km/h der Bremsweg auf der Schiene weiter sein als die Sichtweite des Triebfahrzeugführers. Die Abstandshaltung der Züge muss daher in der Regel von außen mittels Stellwerken erfolgen. An Knotenpunkten kommen die Aufgaben der Fahrwegeinstellung mittels Weichen und der Sicherung der Zugfahrten gegen Fahrwegkonflikte und Flankenfahrten hinzu. Das System Bahn bzw. der Schienenverkehr besteht aus • der Infrastruktur, also dem Fahrweg und den Betriebsgebäuden sowie der Energieversorgung, • der Suprastruktur mit den Triebfahrzeugen einschließlich Triebwagen und Wagen und • deren Zusammenwirkung bei der verkehrlichen und betrieblichen Organisation. Die ▷Infrastruktur besteht aus Strecken und Bahnhöfen. Nach dem wichtigsten Regelwerk für den Schienenverkehr, der Eisenbahnbau- und -betriebsordnung (EBO) vom 31.08.2008, sind Bahnhöfe Bahnanlagen mit mindestens einer Weiche, wo Züge beginnen, enden, ausweichen oder wenden dürfen. Gleisanlagen außerhalb der Bahnhöfe werden als freie Strecke bezeichnet. Die wichtigsten Strecken sind mindestens zweigleisig und werden im Einrichtungsbetrieb betrieben, d. h., auf einem Gleis fahren die Züge stets nur in eine Richtung, in Deutschland im Rechtsverkehr. Die Infrastruktur wird von Eisenbahninfrastrukturunternehmen (EIU) betrieben, das staatliche Bahnnetz durch die DB Netz AG, die Station und Service AG und die DB Energie AG, alle zu 100 % Töchter der DB AG, die zu wiederum zu 100 % dem Bund gehört. Die Netze müssen seit der Bahnreform 1997 allen Nutzern zu gleichen Bedingungen offenstehen. Für die Nutzung sind entsprechende Gebühren zu zahlen. Alle Nutzer müssen die Benutzungsbedingungen einhalten, die auch die einzelnen Randbedingungen definieren, damit Infrastruktur und Nutzer zusammenpassen. Die wichtigsten davon sind die maximalen Abmessungen eines Fahrzeuges, das diese Infrastruktur benutzen will, und die zulässigen Lasten im Rad-Schiene-Kontakt (vgl. auch § 8 EBO). Die Produktionseinheit im Schienensystem ist der Zug. Dies begründet sich mit dem Systemvorteil der geringen Rollreibung von Stahlrad auf Stahlschiene, die es erlaubt, große Massen mit wenig Energie zu bewegen. Ein Zug besteht aus Triebfahrzeugen und nicht angetriebenen Wagen, die mechanisch miteinander so gekuppelt sind, dass Zug- und Druckkräfte im Zugverband übertragen werden können. Da jede Kupplung Beschränkungen in den maximal aufzunehmenden Kräften unterliegt, resultiert daraus auch eine Beschränkung der maximalen Zuglasten und indirekt auch der Zuglängen, gemäß der EBO maximal 740 m. Jeder Streckenabschnitt ist für eine maximale Geschwindigkeit geplant und gebaut. Gefahren werden kann das Minimum aus dieser infrastrukturdominierten Geschwindigkeit und der geringsten zulässigen Geschwindigkeit der einzelnen Zugelemente. Personenzüge fahren zwischen 80 und 300 km/h, Güterzüge meist zwischen 80 und 100 km/h. Der Betrieb von Schienenbahnen ist die operative Durchführung der im Angebot festgelegten Zugfahrten (Fahrplan) einschließlich der dazu notwendigen Prozesse wie Zugbildung, Abstellen, Reinigen usw. Bei der Infrastruktur der Schienenbahnen, dem Netz, bedeutet Betrieb die Ausrüstung und Besetzung der Stellwerke sowie die Abwicklung von planmäßigen Zugfahrten, Rangierfahrten, Sonderfahrten und Zugbetrieb während Bau- und Instandhaltungsarbeiten. Eine der Hauptaufgaben des Betriebes ist die sichere und zuverlässige Abwicklung der Zugfahrten auch bei Unregelmäßigkeiten innerhalb noch tolerierbarer Verspätungen und Kosten. Der Schlüsselbegriff des Betriebes ist die Pünktlichkeit, d. h. das Einhalten der in Fahrplänen Schienenverkehr 2110 festgelegten Abfahrts- und Ankunftszeiten. Diese sind als Kompromiss zwischen den fahrdynamischen Mindestfahrzeiten und möglichst geringen Fahrzeitreserven zum Abfangen von Unregelmäßigkeiten bestimmt worden und reflektieren die Erwartungen der Betreiber hinsichtlich der Marktbedürfnisse der Kunden. Abbildung 2: Bahnnetz in Deutschland Quelle: Siegmann 2014 Schienenverkehr 2111 Das Schienennetz in Deutschland umfasst etwa 30.000 Streckenkilometer, davon etwa 1.000 km mit zulässigen Geschwindigkeiten von mehr als 200 km/h. Etwa 16.000 km werden fahrplanmäßig nur mit Regionalbahnen bedient (s. Abb. 2). 2 Interdependenzen der Teilsysteme 2.1 Kontaktpunkt Rad-Schiene Schieneninfrastruktur und -fahrzeuge zeigen vielfältige Wechselwirkungen. Im Kontaktpunkt Rad-Schiene müssen die Geometrien und Toleranzen abgestimmt werden. Infolge der enormen Kräfte und Spannungen – eine Last von 22,5 t je Radsatz bedeutet etwa 120 kN je Rad auf einer Fläche von etwa 4 cm2, also eine Spannung von etwa 30 kN/cm2 = 300 N/mm2 – sind auch die Materialpaarungen sehr wichtig. Ein zu hartes Material auf der einen Seite wird zu starkem Verschleiß auf der weichen Seite führen. Antriebs-, Brems- und Führungskräfte werden ebenfalls über diesen einen Kontaktpunkt übertragen und müssen vom Oberbau sicher und verschleißarm aufgenommen werden. 2.2 Zugbildung und Infrastruktur Die Nutzlängen der Gleise und Bahnsteige sollten auf die Zuglängen abgestimmt werden. Jedes Fahrzeug muss unter allen Umständen in das jeweils vorhandene Lichtraumprofil passen. Dazu wird zu jedem Lichtraumprofil auch ein maximaler Fahrzeugumriss definiert. Die Toleranzen sind für Fahrzeugbewegungen, Federwege, gleisseitige Einflüsse usw. erforderlich. Insbesondere im kombinierten Verkehr (KV) sind mit der Erweiterung der Lichtraumprofile große Vorteile verbunden, weil höhere Behälter transportiert und teure Spezialfahrzeuge vermieden werden können. Außerdem wird für alle Züge der Widerstand reduziert. 2.3 Sicherheit Weil der Bremsweg bei den heute üblichen Geschwindigkeiten von einem Triebfahrzeugführer optisch nicht sicher überblickt werden kann, muss ihm von außen mitgeteilt werden, ob der nächste Abschnitt frei ist oder ob die Geschwindigkeit reduziert werden muss. Diese Außensteuerung wird von Stellwerken bzw. Betriebszentralen ausgeführt, die die Strecken durch moderne Technik elektronisch überwachen können. Zur sicheren Betriebsführung müssen die Fahrwegelemente auf Freisein überprüft werden, bevor eine Zugfahrt stattfinden kann. Diese Freimeldeanlagen basieren entweder auf Achszähleinrichtungen oder auf Gleisstromkreisen, die erst durch leitende Achsen der Fahrzeuge geschlossen werden. Moderne Technik erlaubt auch die Zugortung, sodass zu jedem Zug ein geplanter Fahrweg hinterlegt werden kann, der bei Annäherung dieses Zuges an Knoten automatisch eingestellt wird (Zuglenkung). Die Fahr- oder Haltbefehle werden entweder über ortsfeste Signale (also Infrastrukturelemente) optisch an den Triebfahrzeugführer oder mittels eines kontinuierlichen Informationsaustausches über Linienleiter übertragen. Entsprechend einer europäischen Vereinbarung werden Schienenverkehr 2112 diese Leit- und Sicherungstechnik-Systeme (L+S-Systeme) zukünftig nach und nach von einem einheitlichen, mehrstufigen European Train Control System (ETCS) abgelöst, auch weil dann die Triebfahrzeuge in den Netzen anderer Bahngesellschaften verkehren können. Das Sicherungskonzept beruht auf dem Prinzip, die Gleise für Zugfahrten in Blöcke zu unterteilen, die von Hauptsignalen begrenzt werden. In einen Block darf nur dann ein Zug einfahren, wenn sicher festgestellt wurde, dass dieser Block frei und gegenüber anderen Zugfahrten abgesichert ist. Ist das nicht der Fall, muss ein Zug vor dem Halt zeigenden Hauptsignal anhalten. Entsprechend frühzeitig muss der Triebfahrzeugführer im Bremswegabstand vor dem Signal wissen, welches Bild das Signal zeigt. Dazu dienen Vorsignale. Schon um 1900 wurde für die damaligen Verhältnisse weitblickend festgelegt, dass der Vorsignalabstand auf Hauptbahnen minimal 950 m betragen sollte. Hinter einem Signal muss ein sogenannter Durchrutschweg frei gehalten werden, um eine Kollision zu vermeiden, wenn sich ein Zug verbremst. Dieser Weg beträgt in der Regel 200 m. Daraus resultiert eine maximale Zuglänge von derzeit 740 m auf Hauptbahnen inklusive der Traktion. Ob der nächste Abschnitt frei ist oder ob eine Bremsung eingeleitet werden muss, zeigt dem Triebfahrzeugführer das Vorsignal, das etwa 1.000 m vor dem Hauptsignal angeordnet ist. Der Zug muss innerhalb dieser 1.000 m zum Stehen kommen können. Mit der heutigen Bremstechnik können Reisezüge nach diesem System bis 160 km/h fahren, Güterzüge aber nur 80 bis 100 km/h. Das liegt daran, dass die Güterwagen noch über alte Bremstechnik verfügen, bei der nicht alle Wagen gleichzeitig die Bremskraft aufbauen. Zur Bemessung eines Personenbahnhofs muss die zulässige Länge von dort haltenden Reisezügen festgelegt werden. Gemäß § 34 Abs. 8 EBO darf ein Zug nicht länger sein, als es seine Bremsverhältnisse, Zug- und Stoßeinrichtungen und die Bahnanlagen zulassen. Reisezüge dürfen nur dann länger als die Bahnsteige sein, wenn die Sicherheit der Reisenden durch betriebliche Anweisungen gewährleistet ist. Die Länge der Reisezüge in Deutschland liegt in der Regel bei unter 400 m. Bahnsteige werden also auf 400 m Nutzlänge bemessen, wenn dort Fernzüge halten sollen. Nahverkehrszüge benötigen für gewöhnlich Bahnsteige mit nur etwa 200 m Nutzlänge. Die Fahrgäste sollen möglichst barrierefrei und spaltfrei in die Züge gelangen. Dazu ist es erforderlich, die Wagenbodenhöhe im Einstiegsbereich bzw. die Höhe der Einstiegsebene und die Bahnsteighöhe aufeinander abzustimmen. Alle Höhenangaben werden auf die Schienenoberkante bezogen (über SO). Die Notwendigkeit zur Reduzierung der Rad/Schiene-Kräfte und ein möglichst hoher Fahrkomfort zwingen zur Verwendung möglichst großer Räder von etwa 900 mm Durchmesser, was wiederum ohne weitere Maßnahmen wie Niederflurbereiche zu Fußbodenhöhen in den Fahrzeugen von ca. 1 m über SO führt. Will man kurze Fahrgastwechselzeiten für das Ein- und Aussteigen erreichen, vermeidet man Stufen. 2.4 Fahrplan und Betriebsführung Die Nutzer des Schienennetzes, die Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU), planen ihre Verkehrsangebote und leiten daraus Wunschtrassenlagen für ihre Züge ab, die sie über ein Trassenportal bei den Eisenbahninfrastrukturunternehmen (EIU), in Deutschland zumeist DB Netz AG, anmelden. Die EIU prüfen die Trassenwünsche auf Fahrbarkeit, ggf. werden die Trassenlagen modifiziert. Schienenverkehr 2113 Das Verfahren ist streng geregelt und wird von der Bundesnetzagentur (BNetzA) überwacht. Alle EVU haben die gleichen Zugangsrechte, eine Diskriminierung findet nicht statt. Für alle gilt das gleiche Entgeltsystem. Basiselemente zur Fahrplanerstellung sind die Laufwege der Züge, ihre Sollfahrzeiten zwischen den Betriebsstellen und ihre Haltezeiten in den Bahnhöfen. Gegenseitige Verknüpfungen müssen festgelegt werden (Anschlüsse). Daraus werden Wunschfahrplantrassen ermittelt, die zusammen mit allen anderen auf Konfliktfreiheit getestet werden. 3 Personenverkehr Das System Bahn kann seine Vorteile ausspielen bei der Beförderung von großen Mengen auf konzentrierten Achsen in einer Einheit Zug. Die Schiene ist daher besonders gut geeignet für den Massenverkehr in und zwischen großen Städten (▷Öffentlicher Personenverkehr). 3.1 Nahverkehr auf der Schiene In den Städten ist der Schienenverkehr zu unterteilen in U-Bahnen, S-Bahnen und Straßenbahnen (▷Stadtverkehr). Alle sollten in dichten Abständen (Takten), also häufig verkehren, ein jeweils eigenständiges Profil aufweisen, u. a. durch einheitliche Fahrzeuge und Stationen, und sich in einem Tarifverbund mit dem übrigen Nahverkehr wie Bussystemen befinden. Der Schienenverkehr übernimmt die stärksten Ströme auf den Hauptrelationen. U-Bahnen verkehren auf unabhängigen Netzen, zumeist unterirdisch (U), aber auch auf Hochlagen über den Straßen, in Wuppertal in der Sonderform als hängende Schwebebahn. Wenn sicher gestellt ist, dass ein Eindringen von Personen in den Fahrweg von U-Bahnen ausgeschlossen ist, steht einem fahrerlosen Betrieb nichts im Wege. Die U-Bahn in Nürnberg hat inzwischen einige Linien, die vollautomatisch, d. h. ohne Fahrer, verkehren. Dieser Trend zur Vollautomatisierung ist im Ausland wesentlich weiter fortgeschritten als in Deutschland, weil dort häufiger städtische Bahnsysteme völlig neu gebaut werden. S-Bahnen übernehmen viele Systemelemente der Vollbahn wie Spurweite der Schienen, Stromsysteme usw. In Hamburg und Berlin haben sie jedoch ein eigenes Stromsystem (Gleichstrom). Sie verkehren mit langen Zügen und guter Beschleunigung. Kurze Fahrgastwechselzeiten und relativ lange Stationsabstände von 1 bis 2 km erlauben eine hohe Durchschnittsgeschwindigkeit für die Reisenden. Die Stationen für U- und S-Bahnen sind integriert in die Verteilsysteme mit Bussen und Straßenbahnen. Straßenbahnen verkehrten früher direkt im Straßenraum auf Sicht. Sie haben sich inzwischen aus Gründen der dichten Taktfolge in den Zentren und in vielen Städten zu der U-Bahn ähnlichen Stadtbahnen entwickelt, die in den Zentren auf eigenem Gleiskörper, teilweise unter- oder oberirdisch, auf Signal mit bis zu 70km/h verkehren. Im Nahverkehr unterstützt die öffentliche Hand mit Regionalisierungsmitteln über Bestellorganisatoren auch die Angebote des Schienenpersonennahverkehrs. Die gewünschten Zugsysteme werden öffentlich ausgeschrieben und transparent vergeben. Damit wird beabsichtigt, zum