Mehrsystemfahrzeug

Je nach Ausführung gibt es Zwei-, Drei- und Viersystemlokomotiven und -triebwagen. Mehrsystemlokomotiven werden seit Anfang der 1960er Jahre eingesetzt. Der zeitraubende Lokomotivwechsel an den Grenzen kann somit entfallen. Diese Lokomotiven müssen jedoch den Bestimmungen und den technischen Anforderungen der verschiedenen Länder genügen, um damit die Interoperabilität zu unterstützen. So verfügen diese Lokomotiven zum Beispiel über mehrere Stromabnehmer mit unterschiedlichen Paletten und Sicherheitseinrichtungen wie beispielsweise Zugbeeinflussungssysteme.

Triebfahrzeuge für zwei Stromsysteme sind als Zweispannungs-, Zweifrequenz- und Zweisystemfahrzeuge möglich.

Zweispannungsfahrzeuge für Gleichspannungsbetrieb sind bei klassischer Widerstandssteuerung relativ einfach zu realisieren, wenn das Verhältnis der Spannungen 1:2 (im europäischen Raum vorrangig mit 1,5 und 3 kV) beträgt. Üblicherweise werden in diesem Fall die Fahrmotoren paarweise unter 1,5 kV parallel, unter 3 kV in Reihe geschaltet. Klassische Gleichstromlokomotiven für 3 kV sind mit verringerter Leistung auch unter 1,5 kV einsatzfähig. Dieses Verfahren wurde beispielsweise auf Grenzbahnhöfen zwischen Frankreich und Italien sowie Spanien angewendet, um die Fahrleitungskonstruktion zu vereinfachen.

Zweifrequenzfahrzeuge sind unter den beiden üblichen Wechselstromsystemen einsetzbar. Der Haupttransformator benötigt Abgriffe für beide Spannungen, eine Spannungsfestigkeit für den höheren Wert und den größeren Eisenquerschnitt für die geringere Frequenz. Dadurch steigt die Gesamtmasse.

Ein Zweisystemfahrzeug für ein Gleich- und ein Wechselstromsystem ist ein Gleichstromfahrzeug mit zusätzlich eingebautem Transformator mit fester Übersetzung.

Dreisystemfahrzeuge sind relativ selten, die meisten davon gibt es für die Kombination von 25 kV, 50 Hz sowie 1,5 und 3 kV Gleichspannung. Jede andere denkbare Kombination war zumindest bei klassischer Steuerung mit wenig Aufwand zum Viersystemfahrzeug zu erweitern. Geändert hat sich das mit der Einführung des Drehstromantriebes mit Gleichstrom-Zwischenkreis. Diese hat den Bau von Fahrzeugen für zwei Wechsel- und ein Gleichspannungssystem vereinfacht, das zweite Gleichspannungssystem erfordert wiederum einen höheren Aufwand (beispielsweise durch von Stern- auf Dreieckschaltung umschaltbare Fahrmotoren). Bei vielen Mehrsystemfahrzeugen differieren die Antriebsleistungen unter unterschiedlichen Fahrdrahtspannungen. Erst die Steuerung durch Leistungselektronik hat gleiche Leistungen unter unterschiedlichen Spannungen ermöglicht, wobei die hohen Ströme unter 1,5 kV und ihre Übertragung auf die Fahrzeuge noch immer begrenzend wirken.

Lokomotive der Baureihe 181.2

E186 bzw. Belgische Baureihe 28, eine Mehrsystemvariante von Bombardier Traxx

Zweisystemtriebwagen Reihe 4855 der ÖBB

Zweisystemlokomotive 371 002 der České dráhy im Dresdner Hauptbahnhof

Viersystemlokomotiven wurden bisher nur im europäischen Regelspurnetz realisiert. Hier sind sie für 25 kV Wechselspannung mit 50 Hz, 15 kV Wechselspannung mit 16,7 Hz und auf die beiden Gleichspannungen von 3 kV und 1,5 kV ausgelegt. Sie können elektrisch auf allen elektrifizierten Regelspurstrecken in ganz Europa mit Ausnahme von Südengland verkehren; Beispiele sind die Lokomotiven der Reihe 189 der Deutschen Bahn AG oder früher die Lokomotiven der Baureihe 184 der Deutschen Bundesbahn. Die Lokomotiven müssen jedoch über Einrichtungen der länderspezifischen Zugbeeinflussungssysteme sowie passende Stromabnehmer verfügen.

Fahrzeuge für mehr als vier Stromsysteme sind zwar technisch möglich, doch bestand zumindest bisher dafür kein Bedarf.

Problematisch war insbesondere bei Drei- und Viersystemfahrzeugen in klassischer Steuerung die Vielteiligkeit der Konstruktion, damit zusammenhängend eine erhöhte Störanfälligkeit und zusätzlich eine gegenüber Einsystemfahrzeugen mit gleicher Leistung deutlich höheren Masse. Deshalb konnten sie sich nicht allgemein durchsetzen, ihre Verbreitung blieb immer sehr begrenzt. Das änderte sich erst mit der Serienreife des Umrichterantriebes mit Drehstromasynchronmotoren. Bei diesen ist die Mehrsystemfähigkeit mit deutlich weniger Massezuwachs verbunden. Problematisch bleiben die unterschiedlichen Zugbeeinflussungseinrichtungen.

Erste Mehrsystemfahrzeuge gab es schon vor 1910, allerdings war damals ein ungleich höherer technischer Aufwand notwendig. Die Triebwagen der Reihe 200 der Wiener Lokalbahn sind ein Beispiel für frühe Zweisystemfahrzeuge: Die 1907 gebauten Fahrzeuge besaßen eine normale Widerstandssteuerung mit Fahrschalter für den Betrieb unter 600 V Gleich- und einen Transformator mit dazugehörigen Stufenschalter für den Betrieb unter 750 V Wechselspannung. Die Motoren Type BME 50 der ÖSSW vertrugen beide Stromsysteme. Die 1927/28 gelieferte Wagen der Nachfolgebauart 220/230 besaßen bereits eine elektropneumatische Schützensteuerung, die Wendepole der Motoren wurden mittels eines Nebenschlusses mit Drosselspule für beide Stromsysteme nutzbar gemacht. Der Zweisystembetrieb wurde bis 1945 aufrechterhalten. 1992 wurden in Karlsruhe die ersten Zweisystemstadtbahnwagen in Dienst gestellt, die nach der BO Strab und der EBO zugelassen wurden, auf Straßenbahn- und Eisenbahnoberbau einschließlich der Herzstückbereiche von Weichen und Kreuzungen laufsicher sind und außerdem unter den Fahrleitungsspanngen von 750 Volt Gleich- und 15 kV Wechselspannung bei 16,7 Hz eingesetzt werden können. Diese Verknüpfung nennt man auch Karlsruher Modell.

Die SNCF setzt zahlreiche Mehrsystemfahrzeuge ein. Da es in Frankreich zwei Bahnstromsysteme (1,5 kV Gleich- und 25 kV, 50 Hz Wechselspannung) gibt, sind sie auch im Binnenverkehr im Einsatz, z. B. SNCF BB 26000. Die TGV-Triebzüge und die aus ihnen abgeleiteten der Renfe-Baureihe 100 sowie die von Eurostar sind ebenfalls zwei- und teilweise mehrsystemfähig. Die SNCF stellte außerdem für den internationalen Verkehr z. B. 1964 zehn Viersystemlokomotiven der Baureihe CC 40100 in Dienst. Diese imposanten Lokomotiven wurden im TEE-Verkehr nach Belgien, Deutschland und in die Niederlande eingesetzt. Die Höchstgeschwindigkeit betrug 180 km/h, die Dauerleistung 3670 kW. Heute verkehren auf diesen Relationen Thalys-Einheiten.

Weitere Bahnverwaltungen setzen Mehrsystemlokomotiven ein z. B. die SNCB (Belgien), ČD und ÖBB (Österreich). Wegen der Lage des belgischen Netzes, das an jeder Grenze an ein anderes Stromsystem stößt, wurden für die SNCB schon relativ früh Viersystemmaschinen gebaut. Auch in Tschechien und in der Slowakei gibt es Mehrsystemlokomotiven im Binnenverkehr, da das Streckennetz teilweise mit 3 kV Gleichspannung und mit 25 kV, 50 Hz Wechselspannung elektrifiziert ist. Die ČD besitzt zusätzlich der deutschen Reihe 180 baugleiche Lokomotiven unter den Baureihenbezeichnungen 372 (120 km/h) beziehungsweise 371 (160 km/h) für 3 und 15 kV. Die Taurus-Lokomotiven der Reihe ÖBB 1216 sind für den Betrieb nach Italien und Slowenien neben den beiden üblichen Wechselspannungen zusätzlich für 3 kV Gleichspannung ausgerüstet.

Die Triebzüge der Renfe-Baureihe 130 sind eines der seltenen Beispiele von Zweisystemtriebzügen, die zusätzlich im Betrieb zwischen iberischer Breit- und Regelspur umspurbar sind.

Seit der Öffnung des europäischen Binnenmarktes verkehren auch Privatbahnlokomotiven auf europäischen Stecken.

Das Problem in Europa sind die länderspezifischen Zugbeeinflussungssysteme. Die Lokomotiven müssen mit den entsprechenden Fahrzeuggeräten ausgerüstet sein. Das bedeutet nicht nur einen hohen Kostenaufwand, es ist auch wegen des vorhandenen Einbauraumes und der Fahrzeugmasse problematisch. Zwischenzeitlich wurde zwar das funkbasierte Zugbeeinflussungssystem ETCS entwickelt, das aber noch nicht überall zur Verfügung steht, sodass der freizügig länderübergreifende Einsatz der Lokomotiven noch schwierig ist.

ICE 3M zwischen Ingolstadt und Gaimersheim

Thalys PBKA

Ein dreisystemfähiger Flirt 3 zwischen Arnhem Centraal und Düsseldorf Hbf

Auch Triebzüge gibt es mehrsystemfähig, insbesondere im Hochgeschwindigkeitsbereich. Schon früh, bei den Hochgeschwindigkeitsversuchsfahrten zwischen Bordeaux und Dax im Jahr 1953, war den Verantwortlichen der SNCF klar geworden, dass die notwendigen Leistungen mit der Fahrleitungsgleichspannung von nur 1,5 kV wegen der resultierenden hohen Ströme nicht betriebssicher zu übertragen waren. Nachdem sich in den 1970er Jahren zusätzlich herausgestellt hatte, dass der Betrieb mit Gasturbinentriebzügen auf Dauer nicht wirtschaftlich sein würde, wurde festgelegt, dass die französischen Schnellfahrstrecken generell mit 25 kV Wechselspannung zu elektrifizieren seien. Um in das Bestandsnetz in der Südhälfte von Frankreich übergehen zu können, wurden die TGV-Einheiten von Anfang an zweisystemfähig für 1,5 und 25 kV ausgelegt.

Für das TEE-Netz beschafften die Schweizerischen Bundesbahnen schon 1961 mit den RAe die ersten Viersystemtriebzüge für alle vier im europäischen Regelspurnetz vorkommende Fahrleitungsspannungen, noch mit klassischer Antriebstechnik und aus Platzgründen einem in Zugmitte laufenden Maschinenwagen.

Eine der ersten Mehrsystemtriebzüge in Deutschland waren die Thalys-Einheiten, die seit dem 14. Dezember 1997 zwischen Köln und Paris verkehren. In der Thalys-Version PBKA sind sie für vier europäische Fernbahnstromsysteme ausgerüstet und besitzen Zugbeeinflussungseinrichtungen für drei Länder.

Zwei Einheiten dieser Viersystem-Thalys-Züge befinden sich im Eigentum der Deutschen Bahn und werden dort als Baureihe 409 geführt. Das Design ihrer Triebköpfe lehnt an den TGV Duplex an. Sie verkehren mit den Einheiten der französischen und belgischen Staatsbahnen SNCF und SNCB/NMBS in einem gemeinsamen Pool und werden auch von der SNCF erhalten.

Auch von den deutschen Hochgeschwindigkeitszügen ICE 3 wurde mit den ICE 3M (Baureihe 406; „M“ für mehrsystemfähig) eine Variante entwickelt, mit der die Netze ausländischer Bahnen befahren werden können. Die Triebzüge dieser Baureihe sind ebenfalls viersystemfähig und mit den entsprechenden Zugbeeinflussungssystemen ausrüstbar. Die Deutsche Bahn verfügt über 13, die Niederländische Staatsbahn über 4 Einheiten dieser Reihe. Die 17 Züge verkehren überwiegend im grenzüberschreitenden Verkehr zwischen Deutschland, den Niederlanden (seit November 2000[1]), Belgien (seit 15. Dezember 2002[2]) und Frankreich (seit Juni 2007).

Bereits 1998 verkehrten in Italien gebaute Zweisystemtriebzüge der Reihe ETR 470 in die Schweiz und nach Deutschland. Seit Juni 2007 verkehren zwischen Frankreich und Deutschland sowie der Schweiz TGV-Züge des Typs TGV POS, die für 1,5 kV Gleich- sowie 15 und 25 kV Wechselspannung ausgelegt sind.

Zwischen Düsseldorf Hbf und Arnhem Centraal verkehren Dreisystemtriebzüge der Bauart Flirt 3 von Abellio Rail NRW als Rhein-IJssel-Express RE 19 auf der Bahnstrecke Oberhausen–Arnhem. Auf dieser Route ist die Dreisystemfähigkeit erforderlich, weil zusätzlich zur deutschen Fahrdrahtspannung von 15 kV bei 16,7 Hz und den 1,5 kV Gleichspannung im niederländischen Netz der Grenzstreckenabschnitt bis zum Abzweig der Betuweroute in Zevenaar mit 25 kV bei 50 Hz versorgt wird.

In Österreich betreiben die ÖBB mit den Talent-Triebzügen der Reihe 4124 und die Raaberbahn mit dem Ventus jeweils Zweisystemfahrzeuge für den Betrieb unter 15 kV/16,7 Hz und 25 kV/50 Hz Wechselspannung für den Einsatz im österreichischen und ungarischen Stromsystem.

Die meterspurige Rhätische Bahn in der Schweiz betreibt die Zweisystemtriebzüge ABe 8/12 „Allegra“ für den Einsatz im Stammnetz (11 kV/16,7 Hz Wechselstrom) und der Berninabahn (1 kV =).

Hamburger Mehrsystem-S-Bahn-Triebzug für Stromschienen- und Fahrleitungsbetrieb

Damit die Hamburger S-Bahn auch den Landkreis Stade in Niedersachsen erschließen kann, wurden zweisystemfähige S-Bahn-Züge der Baureihe 474 beschafft. Damit wurde es möglich, den S-Bahn-Betrieb auf gemeinsam mit der Fernbahn zu nutzende Strecken auszudehnen, ohne diese materialaufwändig und wegen der erforderlichen galvanischen Trennung der Versorgungsspannungen auch problematisch mit Stromschienen und Fahrleitung doppelt elektrifizieren zu müssen. Im ersten Abschnitt werden die Zweisystemtriebzüge auf der Niederelbebahn zwischen Neugraben (bisheriger Endpunkt) und Stade eingesetzt. 33 Zugeinheiten wurden dafür umgebaut beziehungsweise neu beschafft. Der Betrieb wurde mit dem Fahrplanwechsel am 9. Dezember 2007 aufgenommen. Für weitere Streckenerweiterungen beschafft die S-Bahn Hamburg ab 2016 Einheiten der Baureihe 490.

Ein ähnliches Projekt für die S-Bahn Berlin, wie von den Fahrgastverbänden seit 1992 gefordert, wird sowohl von Bahn- als auch Politikseite bislang abgelehnt. Diese Züge könnten als Verlängerung der S9 von Spandau nach Nauen und Flughafen Berlin-Schönefeld nach Zossen verkehren. Auch Projektstudien, mit Zweisystemzügen der mangelnden Auslastung des neuen Tunnel Nord-Süd-Fernbahn der Hauptstadt entgegenzuwirken, werden derzeit offiziell nicht verfolgt.

Zweisystemtriebwagen vom Typ GT8-100D/2S-M für das Karlsruher Stadtbahnnetz

Für den Tram-Train-Betrieb werden ebenfalls in den meisten Fällen Zweisystemfahrzeuge benötigt. In Deutschland müssen beim Tram-Train-Betrieb sowohl die Bestimmungen und Vorschriften der Straßenbahn-Betriebsordnung der BOStrab (im Straßenbahnbetrieb) als auch die Vorschriften des Bahnrechts EBO (im Eisenbahnbetrieb) erfüllt werden. Andere Länder kennen ähnliche Vorschriften. Dies gilt auch für Stadtbahnnetze und Straßenbahnnetze, deren Strecken teilweise auch auf Eisenbahnstrecken geführt werden, wie etwa die Stadtbahnen in Karlsruhe, Chemnitz, Kassel und Saarbrücken. Darüber hinaus bestehen doppelte Anforderungen an das Lichtraumprofil, an unterschiedliche Radreifenmaße, an die Zugbeeinflussungssysteme (z. B. IWS im Straßenbahn- und PZB im Eisenbahnbetrieb) und an die Außenbeleuchtung (z. B. Fahrtrichtungsanzeiger im Straßenbahnverkehr und Dreilicht-Spitzensignal und Anzeige des Zugendes auf Eisenbahnstrecken).

Der Karlsruher Verkehrsverbund setzt in großem Umfang Zweisystemtriebwagen ein, die beim Befahren der Systemtrennstellen selbsttätig zwischen 750 Volt Gleichspannung im Straßenbahn- und 15 kV Wechselspannung im Fernbahnnetz umschalten. Das 1992 verwirklichte Konzept wurde als Karlsruher Modell zum Vorbild für viele Betriebe, beispielsweise die Saarbahn seit 1997 und die RegioTram Kassel seit 2004. Dort verkehren als Weltneuheit neben Zweisystem-Straßenbahnwagen auch Zweikrafttriebwagen mit zusätzlichem dieselelektrischen Antrieb, die im 600-V-Netz und auch auf nichtelektrifizierten Strecken eingesetzt werden können. Combino-Zweikraftstraßenbahntriebwagen befahren die miteinander verbundenen Netze der Harzer Schmalspurbahn und der Straßenbahn Nordhausen seit 2004.

Viele Straßenbahnbetriebe erhöhten im Rahmen von Stadtbahnausbauten die Fahrdrahtspannung von vorher 550 bis 600 auf 750 Volt. Der relativ geringe Unterschied ist nicht durch Reihen- und Parallelschalten vom Fahrmotorgruppen zu kompensieren. In einigen Fällen erhielten Altbautriebwagen mit nur noch begrenzter Einsatzzeit, bei denen man die Fahrmotoren weder wechseln noch neu wickeln wollte, auf Dauer allerdings uneffektive Vorwiderstände, neu beschaffte Fahrzeuge wurden vom Hersteller so ausgelegt, dass sie mit beiden Spannungen verkehren können. Die höhere Spannung ermöglicht zusätzlich die im Stadtbahnbetrieb erwünschte höhere Leistung. Beispiele sind die Stadtbahnwagen Typ M/N, die Fahrzeuge der Wiener Lokalbahn und die Variobahn-Einheiten der Chemnitzer CVAG.

Triebwagen und Gleichrichterwagen (rechts) der Haager Lies (1988)

Beim oberösterreichischen Verkehrsunternehmen Stern & Hafferl gab es seit 1950 zwei Gleichrichterwagen für den Betrieb auf der mittlerweile eingestellten Haager Lies. Sie wandelten die Wechselspannung von 15 kV bei 16,7 Hz der auf einigen Kilometern mitbenützten Westbahnstrecke der ÖBB in die von den Lokalbahntriebwagen benötigte Gleichspannung von 750 V um. Der Zugführer musste im Gleichrichterwagen während der Fahrt durch die Systemtrennstelle händisch zwischen den Stromsystemen umschalten.

• Die deutschen Mehrsystemlokomotiven – EK-Special 77. EK-Verlag, Freiburg 2005.

1. Weißer Zug, grüne Banane und Schwarzer Peter. In Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 4. März 2003
2. 80 000 Fahrgäste nutzen den ICE. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 3. September 2002