Hochgeschwindigkeitsverkehr

Eisenbahn-Hochgeschwindigkeitsverkehr bezeichnet den fahrplanmäßigen Zugverkehr mit Spitzengeschwindigkeiten oberhalb einer Schwelle von 200 km/h.

Grundlagen 

Für den Hochgeschwindigkeitsverkehr von Schienenfahrzeugen müssen alle Komponenten des SystemsEisenbahn an die höheren Anforderungen angepasst werden. Neben dem Hochgeschwindigkeitszug wird eine spezielle Schnellfahrstrecke und ein entsprechend leistungsfähiges Zugleit- und Sicherungssystem benötigt.

Hochgeschwindigkeitszug

Fahrzeuge für den Hochgeschwindigkeitsverkehr werden überwiegend elektrisch angetrieben. Diesel- oderGasturbinen-Triebfahrzeuge wurden zwar des Öfteren erprobt, bilden aber die große Ausnahme.

Um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, wird eine große Antriebsleistung (nahe 10.000 kW) installiert und der Zug gleichzeitig so leicht wie möglich gebaut (Leichtbau). Die für ihre Masse äußerst stark motorisierten Züge sind so auch in der Lage, wesentlich größere Steigungen zu überwinden als herkömmliche Züge. Reine Schnellfahrstrecken können so freier trassiert werden, was Baukosten einzusparen hilft. Hochgeschwindigkeitszüge erreichen fahrplanmäßig Geschwindigkeiten von bis zu 320 km/h, bei Versuchsfahrten auch mehr (bis 575 km/h, TGV-Versuchszug V150).

Schnellfahrstrecke

Als Schnellfahrstrecke (SFS) wird im deutschen Eisenbahnverkehr eine Eisenbahnstrecke bezeichnet, auf der Fahrgeschwindigkeiten jenseits der regulären Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h möglich sind.

Neben einer entsprechenden Trassierung, die den hohen Belastungen standhalten muss, dürfen Schnellfahrstrecken keine höhengleichen Bahnübergänge enthalten und falls Vorbeifahrten am Bahnsteig mit Geschwindigkeiten über 200 km/h erfolgen, müssen Reisendensicherungsanlagen vorgesehen sein.

Auch an die Oberleitung werden besondere Ansprüche gestellt: So werden Fahrdrähte aus einer speziellen Legierung benutzt, die den elektrischen Kontakt verbessert sowie den Funkenflug vermeidet.

Linienzugbeeinflussung

Bei den langen Betriebs- (etwa 7000 m) und Schnellbremswegen (über 3000 m) moderner Hochgeschwindigkeitszüge ist das traditionelleSignalsystem mit den Streckenblocks zur Zugdeckung nicht mehr tauglich, da damit die Blockabstände und Durchrutschwege immens lang sein müssten. Dies steht auch der vom Fahrplan geforderten kurzen Zugfolge entgegen.

Hochgeschwindigkeitszüge werden daher nicht mehr auf der Strecke punktuell durch feste Eisenbahnsignale mit Aufforderungen zum Halten oder Langsamfahren gesteuert, sondern durch ständigen Funkkontakt. Üblicherweise werden hierzu Linienleiter entlang der Strecke benutzt, die auf eineZugantenne einwirken, und eine Verbindung zwischen dem Zug und einer Leitstelle errichtet.

Übertragen werden beispielsweise Ort und Art von bevorstehenden Geschwindigkeitsänderungen („in 10 km anhalten“; „in 2400 m auf 230 km/h abbremsen“). Die Position der Zugantenne am Linienleiter dient der Zugortung. Auch dabei gibt es heute generell noch feste Blockabschnitte.

Als angenehmer Nebeneffekt verhindert die linienförmige Zugbeeinflussung abrupte Bremsmanöver und das für die Fahrgäste unangenehme Halten in stark überhöhten Kurven.

Grenzen des Hochgeschwindigkeitsverkehrs 

Im Wesentlichen begrenzen die folgenden Faktoren die Anhebung der Höchstgeschwindigkeit:

• Laufruhe

• Haftung Rad/Schiene

• Luftwiderstand

• Leistungsübertragung

• Lärmentwicklung

• Wirtschaftlichkeit

• Betriebskoordination

Laufruhe 

Während in den 1950er Jahren die Fahrwerke Geschwindigkeiten jenseits von 200 km/h ohne bleibende Schäden im Fahrweg und einer Gefährdung der sicheren Führung des Fahrzeugs nicht bewältigen konnten, sind heutzutage Geschwindigkeiten von bis zu 500 km/h laufwerktechnisch beherrschbar, wie neben Versuchen auf Rollprüfständen auch die Rekordfahrt mit dem TGV jenseits von 500 km/h zeigte. Dieses ist insbesondere der aufgrund von leistungsfähigen Rechnern möglich gewordenen Simulationstechnik zu verdanken, welche eine Optimierung der Konstruktion wesentlich vereinfacht.

Haftung Rad/Schiene 

Im niedrigen Geschwindigkeitsbereich ist (zumindest bei allachsgetriebenen Fahrzeugen) die maximal erreichbare Beschleunigung auch bei ungünstigen Witterungsbedingungen nicht durch den Haftwert zwischen Rad und Schiene begrenzt, sondern allein durch den Fahrkomfort. Bei hohen Geschwindigkeiten ist der Fahrwiderstand jedoch so hoch, dass die Haftreibung zu gering sein kann, um eine ausreichend starke Zugkraft auf die Schiene übertragen zu können. Daher werden bei Hochgeschwindigkeitszügen viele Achsen angetrieben, also ein Triebkopf- oder Triebzugkonzept verwendet.

Luftwiderstand 

Die genauen Zusammenhänge, die einen Einfluss auf den Haftwert bei ungünstigen Witterungsbedingungen haben, sind schlecht fassbar, und der Fahrwiderstand – bei höheren Geschwindigkeiten insbesondere der (quadratisch mit der Geschwindigkeit zunehmende) Luftwiderstand – hat entscheidenden Einfluss auf die erreichbare Geschwindigkeit. Trotzdem erscheint eine Geschwindigkeit von zumindest bis zu 400 km/h auch in einem alltäglichen Betrieb bei unterschiedlichsten Wetterbedingungen ohne wesentliche Verbesserung heutiger Konstruktionen möglich.

Leistungsübertragung 

Die für einen Hochgeschwindigkeitsverkehr notwendige hohe Motorleistung wird heute ausschließlich von Elektromotoren aufgebracht. Zwar wäre im Prinzip auch ein Gasturbinenantrieb möglich, jedoch wurde dieser unter anderem aufgrund der extremen Lärmentwicklung und des geringen Wirkungsgrades insbesondere bei Teillast nicht weiter verfolgt und scheint auch in Zukunft keine Alternative zu sein.

Die Grenzen des Elektroantriebs liegen weniger in der Leistungsfähigkeit der Elektromotoren, sondern in der Leistungsübertragung über die Oberleitung. Die eine Grenze stellt die mechanische Belastbarkeit der Oberleitung dar, die andere der maximale Strom, der über den Stromabnehmervon der Oberleitung übertragen werden kann. Derzeit ist der Oberleitungsbau so weit fortgeschritten, dass Geschwindigkeiten von bis zu 350 km/h im Regelbetrieb hinsichtlich der mechanischen Belastung bei entsprechender Oberleitung unproblematisch erscheinen; eine weitere Anhebung dieser Grenze ist künftig zu erwarten.

Was die Leistungsaufnahme betrifft, scheint die Grenze, wohl auch aus wirtschaftlichen Gründen wie die Kosten für den Strom und den Aufwand für Unterwerke, bei etwa 15–20 MW zu liegen. Durch eine immer leichtere Bauweise und einen immer geringeren Luftwiderstand konnte der Energiebedarf der Fahrzeuge immer weiter gesenkt werden.