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Alles auf Schiene: Forschung rund um die Eisenbahn an der TU Graz

29.07.2021 | Planet research | FoE Mobility & Production | FoE Sustainable Systems

Von Birgit Baustädter

Mehrere Institute an der TU Graz erforschen alles rund um die Fortbewegung auf den stählernen Linien, die sich quer durch die Landschaft ziehen und Menschen umweltfreundlich an ihr Ziel bringen.

An der TU Graz wird intensiv zum Thema Schiene und nachhaltige Mobilität geforscht. © Lunghammer – TU Graz

„Alles auf Schiene” könnte man mit Blick auf das Eisenbahnsystem in Österreich sagen. Denn: Die klimawandelbedingte Notwendigkeit, nachhaltige und umweltverträgliche Mobilitätsformen zu fördern, macht das Zugfahren immer attraktiver im Mobilitätsmix und hat für einen Nachfrageboom sowohl für den Individualverkehr als auch für den Schienen-Güterverkehr gesorgt. Dem trägt auch die TU Graz Rechnung: Mitte 2021 wurde der Forschungsverbund Research Cluster Railway Systems offiziell gestartet, der die Kooperation Bahn-relevanter Institute an der TU Graz, Bahnbetreibern und Industrie sowie Forschungsunternehmen stärken wird. Zeit, einen Blick auf die Bahnfokussierten Institute der TU Graz und ihre Arbeit zu werfen.

Im Research Cluster Railway Systems bündeln TU Graz, voestalpine, ÖBB, Siemens Mobility Austria und Virtual Vehicle ihre Forschungskompetenz im Bereich Eisenbahn. Im Mittelpunkt stehen die Themen Schienenfahrzeugtechnik, Bahninfrastruktur und Bahnbetrieb. Nähere Informationen in der Presseaussendung zum Cluster-Start „Gesamtsystem Bahn: Die Steiermark als internationales Forschungs- und Innovationszentrum”.

Die Eisenbahn als umweltfreundliches Teil im großen Mobilitätspuzzle

Das Gesamtsystem Eisenbahn als Mobilitätsform steht im Zentrum des Forschungsinteresses am Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft der TU Graz mit Institutsvorstand Peter Veit, und das bereits seit den 1960er Jahren. An Triebwagen oder neuen Schienen wird hier nicht getüftelt, dafür aber intensiv an der wirtschaftlichen und ökologischen Nachhaltigkeit (Life Cycle Costs und Life Cycle Assessment) neuer Bahnlinien und bestehender Strecken, Optimierungspotential in der Instandhaltung (data analytics und predictive maintainance) und die Eisenbahn als Teil einer nachhaltigen Mobilitätskette geforscht. Im Fokus der Forschung stehen neben hochbelasteten Hauptverkehrsverbindungen auch Regionalbahnen, mit denen, so die Forschenden, unser Land verhältnismäßig gut erschlossen ist. Leider, so die Forschenden weiter, sind diese wichtigen Verbindungen zwischen Wohnort und Hauptverkehrsstrecken selten kostendeckend zu betreiben. Digitalisierung, Modernisierung und Attraktivierung sind dringend notwendig – zukunftsträchtiges Stichwort: Co-Modality.

Ein Mann steht auf einem Gleis. Neben ihm fährt ein Zug vorbei.

Matthias Landgraf in seinem (Forschungs-)Element. © Lunghammer – TU Graz

„Es geht heute nicht mehr darum, von einem Verkehrsträger – wie dem Auto – vollständig auf einen anderen – wie die Bahn – zu wechseln“, erklärt der stellvertretende Institutsleiter Stefan Marschnig. „Die junge Generation denkt hier um. Es ist nicht mehr wichtig, mit welchem Fahrzeug sie von A nach B kommen. Hauptsache es funktioniert einfach und schnell.“ So sei heute und in Zukunft vor allem wichtig, dass Bahnhöfe zu Mobilitätsknotenpunkten werden, die mit Fahrradparkplätzen, E-Auto-Lademöglichkeiten und/oder einer guten Busverbindung sowie im besten Fall einer Carsharing-Station ausgestattet sind. „Das Umsteigen muss einfach und reibungslos funktionieren und es muss durchgängige Tickets geben“, erklärt Matthias Landgraf, Forscher am Institut, die Anforderungen der Zukunft. „Darüber hinaus müssen wir vor allem auf Sicherheit und den Wohlfühlfaktor achten, um Menschen für die Bahn zu begeistern.“

An sich selbst sieht Stefan Marschnig ganz eindeutig die Vorteile einer Zugfahrt gegenüber dem Auto: „Ich hätte gar nicht mehr die Zeit, beruflich mit dem Auto zu einem Meeting nach Wien zu fahren. Im Zug kann ich die ganze Fahrt sinnvoll nutzen – im Auto sind es vergeudete Stunden.“

Ich hätte gar nicht mehr die Zeit, beruflich mit dem Auto zu einem Meeting nach Wien zu fahren. Im Zug kann ich die ganze Fahrt sinnvoll nutzen – im Auto sind es vergeudete Stunden.

Fossil-free Track Work

Neben Bewertungen und Berechnungen von Bahnstrecken, beschäftigt sich das Institut auch mit der energieeffizienten Wartung des Bahnnetzes. Unter dem Titel Fosil-free Track Work, untersucht man, wie die Antriebe schwerer Gleisbaumaschinen, mit denen Schienen und Gleiskörper gewartet und erneuert werden, zukünftig umweltschonend und ohne fossile Energieträger betrieben werden könnten. Die Bau- und Instandhaltungsmaschinen für Bahnnetze sind ein eigenes Kaliber: So kann eine Gleisbaumaschine mehrere Hundert Meter lang sein, kontinuierlich arbeiten und dabei simultan mehrere Arbeitsschritte durchführen – beispielweise den Gleisunterbau erneuern. Und zwar dieselbetrieben. Solche hoch spezialisierten Baumaschinen sind in Betrieb und Wartung sehr ressourcenintensiv, und gleichzeitig, wie alles im Eisenbahnwesen, auf eine lange Lebensdauer ausgelegt. „Hier kann man nicht ad hoc mit einer Innovation dazwischen grätschen. Umso wichtiger ist es, die bestehenden Fahrzeuge möglichst effizient und ressourcenschonend einzusetzen, solange wir keine alternativ angetriebenen Baufahrzeuge haben. Dieselfressende Gleisbaufahrzeuge unkoordiniert durch das Land zu schicken, schlägt sich in mehrfacher Hinsicht teuer zu Buche und passt schlecht in das Gesamtbild der umweltfreundlichen Eisenbahn“, sagt Matthias Landgraf.

Eine große Gleisbaumaschine.

Die Gleisbaumaschinen sollen künftig umweltschonend und ohne fossile Brennstoffe betrieben werden. © Lunghammer – TU Graz

Total Costs of Ownership auf Systemebene und Umweltkosten

Wichtiger Faktor für die Umweltfreundlichkeit einer Eisenbahn ist auch ihre Auswirkung auf die Schieneninfrastruktur. „Bisher wurde bei der Neuanschaffung von Gleisfahrzeugen hauptsächlich auf den Preis geachtet“, so Marschnig. „Nicht geachtet wurde darauf, welchen Schaden (zu) billige Fahrzeuge an der Infrastruktur anrichten – was wiederrum zu hohen Kosten führt.“ In den vergangenen Jahren entwickelte das Institut dahingehend eine Berechnungsmethodik, die Fahrwegkosten den Schienenfahrzeugen zuzurechnen. So kann auch dieser Aspekt in die Fahrzeugbeschaffung miteinbezogen werden. Jedoch nur, wenn auch die Trassenbepreisung (Maut) die Kostenunterschiede berücksichtigt. Auch Umweltwirkungen sollen und müssen in Zukunft in der Beschaffung von Fahrzeugen wie auch Fahrwegkomponenten berücksichtigt werden. Am Institut wird auch diesbezüglich eine Berechnungsmethodik entwickelt, die diese Aspekte auf den Angebotspreis aufrechnet und dementsprechend eine Vergabe im Bestbieterprinzip unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte erlaubt. In Zukunft will man zusätzlich auch noch soziale Faktoren in der Herstellung der Rohstoffe und Ähnliches in die Berechnung miteinbeziehen.

Der Leichtbaugedanke im Eisenbahnbau

„Die Eisenbahn ist jetzt nicht der erste Sektor, der klassischerweise mit Leichtbau in Verbindung gebracht wird“, sagt Peter Brunnhofer mit einem wissenden Lächeln. Er leitet die Schwingprüfhalle am Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik angesiedelt am Campus Inffeldgasse, in der Zugkomponenten und ganze Fahrgestelle auf Betriebsfestigkeit und Langlebigkeit geprüft werden. „Natürlich ist bei uns immer noch der Stahl im Zentrum – Karbon und andere Leichtbaumaterialien sind für sicherheitskritische Bauteile vergleichsweise weniger geeignet, um die 30 bis 40 Jahre im harten täglichen Betrieb durchzustehen, die eine Zuggarnitur im Betrieb ist.“ Trotzdem sei es zentral, die Fahrwerke immer leichter zu bauen. Denn: Je weniger Gewicht das Fahrzeug selbst hat, desto weniger belastet es die Bahninfrastruktur und desto mehr kann gleichzeitig an Ladegut transportiert werden.

Neben dem Leichtbau ist es vor allem wichtig, die Überwachung der Bauteile zu automatisieren und Wartungsintervalle zu optimieren.

Vor wenigen Monaten wurde, der steigenden Wichtigkeit der Eisenbahn geschuldet, die bestehende Arbeitsgruppe als Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik aus dem Institut für Maschinenelemente und Entwicklungsmethodik neu ausgegründet. Martin Leitner leitet das neue Institut und verweist ebenfalls auf die zunehmende Wichtigkeit, das Gesamtsystem zu betrachten, und nicht nur einzelne Komponenten. „Neben dem Leichtbau ist es vor allem wichtig, die Überwachung der Bauteile zu automatisieren und Wartungsintervalle zu optimieren“, erklärt der Forscher. So wurde zum Beispiel im Rahmen der langjährigen Kooperation mit dem Industrieunternehmen Siemens Mobility eine leichte Radsatzwelle konzipiert, die ein Überwachungssystem integriert hat. Im Inneren der Radsatzwelle herrscht Überdruck – entsteht ein Riss, fällt der Druck durch den Luftaustritt ab und das System schlägt Alarm. „Ein Anriss selbst muss unmittelbar noch nicht versagenskritisch sein, ist aber zu überwachen, um nötigenfalls sofort oder im Rahmen einer Routine-Wartung behoben werden zu können“, so Leitner. „Ziel ist es, von vorgegebenen Wartungsintervallen hin zu anlassbezogenen Reparaturen bzw. gezielten Wartungsplanungen zu kommen.“

Simulation und Digital Twin als Innovationsfaktoren

Innovationen seien im Eisenbahnwesen seit jeher wichtige Faktoren, so Peter Brunnhofer. Aber: „Prototypen wären bei uns zu aufwendig, deshalb steht der Digital Twin im Mittelpunkt.“ Am Institut arbeitet man an genau dieser Art von Simulationen, die möglichst realitätsgetreu abbilden, wie sich ein neues Material oder andere Änderungen auf das Fahrzeug auswirken. Erst am Ende des Optimierungsprozesses wird ein Serienbauteil experimentell geprüft.

Getestet werden die Neuentwicklungen – wie auch bestehende Systeme – am großen Prüffeld in der Inffeldgasse, auf dem umfangreiche servohydraulische Tests sowohl mit einzelnen Bauteilen als auch ganzen Komponenten umgesetzt werden können. Von statischen Zugversuchen und zyklischen Ermüdungsversuchen bis hin zu Langzeitversuchen mit über 10 Millionen Lastwechseln ist sehr vieles möglich. „So können wir realistisch Schädigungen in 30 bis 40 Jahren Betrieb innerhalb von kurzer Zeit nachbilden.“

Wir können realistisch Schädigungen in 30 bis 40 Jahren Betrieb innerhalb von kurzer Zeit nachbilden.

Besondere Kompetenz im Bereich Simulation und Digital Twin hat auch das Kompetenzzentrum Virtual Vehicle am Campus der TU Graz, das ebenfalls Teil des neuen Research Cluster Railway Systems ist. Mit primärem Fokus auf die Automobilindustrie wird dort seit gut 20 Jahren erfolgreich an Simulationsmethoden geforscht – davon profitiert nun auch der Bahnsektor enorm. Eben weil dort nicht jede Innovation direkt in die Anwendung gebracht werden kann, sind Simulationen schon in der Entwicklungsphase eine elementare Entscheidungsgrundlagen für die Auslegung von Fahrwerks- und Fahrzeugkomponenten.

Eisenbahn-Infrastrukturdesign

Vollkommen neu ist das Institut für Eisenbahn-Infrastrukturdesign an der TU Graz, dessen Leitung und gleichnamige Professur Ferdinand Pospischil übernommen hat. Auch er betont, dass das Gesamtsystem Bahn immer zentraler wird. Wobei sich das Institut – seinem Namen entsprechend – vorwiegend mit der Infrastruktur der Gleiswege, also Oberbau, Schotterbett, Schwellen, Schienen und dem Zusammenspiel all dieser Komponenten, beschäftigt.

„Unsere zentrale Frage ist, wie die Interaktion der Fahrzeuge mit der Infrastruktur stattfindet und diese sich gegenseitig beeinflussen“, so Pospischil. „Wir möchten uns vor allem mit der Verbesserung des Oberbaus befassen und zum größten Teil direkt am Gleis mit Hilfe von Messtechnik forschen. Dies funktioniert nur mit starken Partnern wie den ÖBB und den weiteren Weltmarktführern aus Österreich, was nicht selbstverständlich ist.“

Und noch ein weiterer Punkt ist dem Professor besonders wichtig: „Es gibt einen eklatanten Mangel an Fachkräften in unserem Gebiet. Heute ist das noch kein Problem. Die Eisenbahn fährt und wir optimieren sie. Aber wenn es einmal keine Fachkräfte mehr gibt, dann wird auch die Eisenbahn stehen bleiben. Ich sehe also eine unserer zentralen Aufgaben in der Ausbildung zukünftiger Fachkräfte.“

Ein Mann kniet neben dem Gleis und bedient ein Messgerät.

Ferdinand Pospischil bei Messarbeiten direkt an der Schiene. © Lunghammer – TU Graz

Dieses Forschungsprojekt ist im Field of Expertise „Sustainable System“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz.
Mehr Forschungsnews finden Sie auf Planet research. Monatliche Updates aus der Welt der Wissenschaft an der TU Graz erhalten Sie über den Forschungsnewsletter TU Graz research monthly.

Kontakt

Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft
Tel.: +43 316 873 6212
office.ebwnoSpam@tugraz.at

Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik
Tel.: +43 316 873 1361
bstnoSpam@tugraz.at

Institut für Eisenbahn-Infrastrukturdesign
Tel.: +43 316 873 35081