Es ist ein Kernproblem der Energiewende: Die unstetigen Erträge aus erneuerbaren Energieträgern müssen in die Stromversorgung integriert werden, ohne deren Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zu gefährden. Da könnte die Deutsche Bahn als Musterbeispiel dienen. Die 12 Milliarden Kilowattstunden Jahresverbrauch sollen 2020 zu mehr als einem Drittel aus Ökostrom bestehen. Forscher haben errechnet, dass diese Verdopplung des Anteils gegenüber heute die Stromkosten um rund fünf Prozent steigern würde. Doch das deutsche Bahnstromnetz enthält viele Besonderheiten.

Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel hat untersucht, wie sich der Anteil regenerativer Energie im Bahnstrom erhöhen lässt. Von Anfang an war klar, dass bei der Bahn die besonderen Rahmenbedingungen berücksichtigt werden müssen. Im Gegensatz zur öffentlichen Versorgung wird das Bahnstromnetz mit der Frequenz 16,7 Hertz (Hz) betrieben. Die 15.000-Volt-Oberleitungsanlagen werden dabei aus einem darüber gelagerten, bahneigenen Freileitungsnetz versorgt, das mit 110 Kilovolt und 16,7 Hz arbeitet. Die Einspeisung in diese zentrale Versorgung findet aus Wasserkraftwerken, Wärmekraftwerken und Netzkupplungen zum öffentlichen 50-Hz-Verbundnetz (Umrichter/Umformer) statt. Außerdem besteht ein Verbund zur österreichischen Bahn und Kuppelstellen zum Netz in der Schweiz.

Wegen der Kostenvorteile betrachteten die Forscher die Möglichkeit direkter Einspeisung erneuerbarer Energien in das 110-kV-Bahnstromleitungsnetz (im Fall der Windkraft und ggf. auch Wasserkraft) und in die 15-kV-Ebene in den Unterwerken (im Fall der Photovoltaik und Wasserkraft). Eine andere Möglichkeit ist es, erneuerbare Energien, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, über die Kuppelstellen zum 50-Hz-Netz in die Bahnstromversorgung zu integrieren. Dieses Konzept wird von der „DB Energie“ bereits im Fall von drei Windparks umgesetzt. Das Unternehmen DB Energie beschafft und verteilt als Energiemanager des Mutterkonzerns Deutsche Bahn AG vor allem den sogenannten „Traktionsstrom“, mit dem die Elektroloks angetrieben werden.

Die Bahn konkurriert mit anderen Transportdienstleistern im Personen- und Güterverkehr. Auch wenn die Energiekosten nur ein Zehntel der gesamten Transportkosten ausmachen, beeinflusst der frühzeitige, vermehrte Einsatz von Ökostrom durch mögliche Kostensteigerung die Wettbewerbsfähigkeit der Bahn.

Das Einspeisen von Ökostrom ins Bahnnetz muss möglichst verteilt und lastnah erfolgen. Dies kann sowohl über eine direkte Einspeisung in das 16,7-Hz-Netz erfolgen als auch über den 50-Hz-Bezug aus dem öffentlichen Netz. Die begrenzte Übertragungsfähigkeit reduziert die Potenziale zur Einspeisung in das 16,7-Hz- Netz. Für einen 50-Hz-Bezug bestehen dagegen für die Bahn keine technischen Grenzen, da die Übertragungsnetzbetreiber hierfür die Verantwortung übernehmen. Die Direkteinspeisung bietet wirtschaftliche Vorteile aufgrund vermiedener Netzentgelte und Abgaben, aber es sind auch höhere Netzanschlusskosten damit verbunden. Entsprechend haben die Forscher die Eignung der Direkteinspeisung gegenüber einem vollständigen Ökostrom-Bezug über das 50-Hz-Netz bewertet.

Weil Windkraft und Photovoltaik wetterbedingt nur geringe Erzeugungskapazitäten sicher bereitstellen, bedarf es im Falle der Direkteinspeisung von Ökostrom nur geringfügig weniger Koppelleistungen zum 50-Hz-Netz als im Vergleich zum 50-Hz-Bezug aus allen Ökostromquellen. Wenn durch den Ökostrom-Bezug direkteinspeisende Kraftwerke aus dem Bahn-Leitungs-Netz verdrängt werden, trägt dies zur Kostensteigerung der Integration von Ökostrom bei. Aufgrund der hohen bahnspezifischen Lastschwankungen zwischen Tag und Nacht (ca. 300 MW) bedarf es eines relativ hohen Anteils an flexiblem Leistungsbezug aus dem 50-Hz-Netz.

Wenn fluktuierende Ökostromquellen große Anteile in die Bahnversorgung einspeisen, führt das auch zukünftig dazu, dass nur ein Teil dieser Energiemengen direkt genutzt werden kann und Überschüsse in das öffentliche Netz rückgespeist werden müssten. Entsprechend haben die Forscher den möglichen Anteil fluktuierender Ökostrom-Anlagen bewertet, der in die Bahnstromversorgung integriert werden kann. Es zeigt sich, dass das optimale Verhältnis bei Betrachtung des Energieanteils bei einer Aufteilung von etwa 75% Wind und 25% Photovoltaik liegt. Bei einer Vernachlässigung der vorrangigen Integration von Wasserkraft zur Grundlastdeckung des Bahnstromverbrauchs ist ein höherer Anteil (installierte Leistung) an fluktuierender Windkraft im Strombezugsportfolio der DB Energie möglich. Durch einen zusätzlichen Speichereinsatz kann der relative PV-Anteil im Optimum gegenüber der Windkraft erhöht werden.