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May 11, 2024

Innovative Verbundmasten sollen die Kosten senken und die Effizienz der Bahnelektrifizierung steigern

Das Ingenieurbüro Furrer+Frey wird diese Woche seine innovativen Verbundmasten für die Bahnelektrifizierung vorstellen, die die Art und Weise der Bahnelektrifizierung revolutionieren könnten.

Das Ingenieurbüro Furrer+Frey wird diese Woche seine innovativen Verbundmasten für die Bahnelektrifizierung vorstellen, die die Art und Weise der Bahnelektrifizierung revolutionieren könnten.

Die Entwicklung des Mastes brachte die Elektrifizierungsingenieure für öffentliche Verkehrsmittel Furrer+Frey mit Teams an den Universitäten Cranfield, Southampton und Newcastle und dem Verbundwerkstoffhersteller Prodrive sowie den Bahntechnologieentwicklern TruckTrain zusammen. Das Projekt wurde teilweise vom Department for Transport (DfT) und Innovate UK im Rahmen des First Of A Kind-Wettbewerbs finanziert. Die ersten Verbundmasten wurden an der Zubringerstation St. Bride's, etwas außerhalb von Newport in Wales, hergestellt und getestet.

Während ein herkömmlicher Stahlmast derselben Größe etwa 750 kg wiegt, sind die Verbundmasten etwa 80 kg schwer, haben aber die gleiche Festigkeit. Die Gewichtsreduzierung führt zu einer deutlichen Produktivitätssteigerung und Kostensenkung.

Noel Dolphin, Leiter der UK-Projekte bei Furrer+Frey GB, sagt gegenüber NCE: „Wenn Sie einen gut konstruierten Mast haben, der eine kleinere, leichtere Anlage benötigt, die weniger Kraftstoff verbraucht, kann dies schneller erledigt werden, sodass Sie effizienter arbeiten.“

Dies ist jedoch nur ein Faktor. Dolphin erklärt: „Das Eigengewicht ist nur ein kleiner Teil der Ladung auf einem Pfahl. Es ist das Gewicht, der Wind darauf, das Gewicht des Eises, die Art und Weise, wie die Drähte herunterhängen – es ist ein ganzes System. Deshalb haben wir einen Mast entwickelt, der nicht nur leichter ist, sondern auch einen geringeren Windwiderstand aufweist.“

Dies ist von Bedeutung, da die Pfähle, die sie an Ort und Stelle halten, dadurch auch viel flacher sein können.

Dolphin, der an der Elektrifizierung der Great Western Railway gearbeitet hat, erklärt die Bedeutung: „Die durchschnittliche Pfahlgründung auf der Great Western Railway betrug am Ende 4,7 m. Sie haben also den 6 m hohen Mast und müssen dann einen Stahlpfahl in den Boden hämmern, um ihn zu halten, der sich etwa 5 m unter der Erde befindet. Es verursacht enorme Kosten, einen 5-Meter-Pfahl 11.000 Mal in den Boden zu stecken.“ In Gebieten mit weniger sicheren Bodenverhältnissen können die Pfähle sogar tiefer als 5 m sein.

„Der Durchschnitt auf der Midland Mainline liegt bei 3,7 m, wir sind also auf dem richtigen Weg“, sagt Dolphin.

Die Pfähle für die Prototypen der Verbundmasten reduzieren diesen Wert um mehr als die Hälfte, wobei die Pfähle nur 1,25 m tief sind – der flachste Pfahl für Elektrifizierungsmasten, der jemals installiert wurde.

„Wenn Sie einen Pfahl installieren, der halb so lang ist, können Sie doppelt so viele machen, und der Preis des eigentlichen Pfahls ist geringer, sodass das gesamte System effizienter wird.“

Es geht jedoch über die Installation hinaus. Die neuen Pfähle werden mit Sensoren ausgestattet sein, die melden, wie stark sie sich aus der Vertikalen gebogen oder durchgesackt haben, sodass die Ingenieure wissen, wann sie ersetzt werden müssen. Dies ist ein weitaus effizienteres System als derzeit in Betrieb.

„Wir haben kürzlich an Thameside gearbeitet, einem C2C-Weg von London nach Southend, und ein Großteil dieser Strecke ist sumpfig“, sagt Dolphin. „Alle zwei Jahre mussten wir rausgehen und die Neigung jedes einzelnen Bauwerks messen, und auf dem Abschnitt, den wir betrachten, befinden sich 2300 Bauwerke. Das bedeutet, dass jemand nach oben geht, die Winkel misst und sie in einem Bericht aufschreibt. Dennoch erhält man von einem Fahrer immer noch gelegentlich die Meldung, dass sich eine Struktur zu neigen beginnt. Aufgrund des sumpfigen Bodens werden auf dieser Strecke jährlich etwa 50 Bauwerke ersetzt.

„Natürlich erhält man viel bessere Informationen, wenn man über eine Struktur verfügt, die regelmäßig Bericht erstattet, und man kann den Verlauf nachvollziehen, aber auch, dass jemand nicht ausgeht. Wenn man dort also kostengünstige Sensoren einbetten kann, kann man das sparen.“

Bisher wurden nur eine Handvoll Prototypenmasten hergestellt – und zwei von ihnen wurden bereits in einem Labor bis zur Zerstörung getestet, indem man auf die Ausleger drückte, bis sie sich verbogen. Dabei ging es darum, festzustellen, ob ihr tatsächlicher Widerstand mit den Berechnungen in den Finite-Elemente-Analysemodellen der Ingenieure übereinstimmte, was sie auch taten.

Die Demonstratormasten wurden von Prodrive handgefertigt, das vor allem für die Arbeit an Formel-1-Autos bekannt ist. Dies gilt allerdings nur für die Prototypen.

„Diese beiden Demos stammen nicht aus einer Produktionslinie“, sagt Dolphin. „Es handelte sich alles um Material von der Stange, also mussten wir in ganz Großbritannien und dann auf der ganzen Welt suchen. Einige Teile kamen aus Finnland, einige aus den USA, nur um es bis März fertigzustellen. Es handelt sich um verschiedene faserverstärkte Polymere und die Versteifungen im Inneren bestehen aus Kohlefaser.“

Wenn es in die Massenproduktion geht, wird es innen ohne Kohlefaser auskommen, was eine weitere Chance darstellt. „Das andere Endziel besteht darin, dass die Struktur selbst isolierend ist“, sagt Dolphin. „Es ist eine weitere große Ersparnis, wenn man die Isolatoren an den Elektrifizierungsauslegern entfernen kann, da sie an sich schon teuer sind.“

Network Rail hat sich während des gesamten Projekts weiterhin engagiert und wird bei der Umsetzung auf dem Netzwerk helfen. „Network Rail hat definitiv ein großes Interesse daran, nicht nur die Kosten für die Elektrifizierung der Schiene zu senken, sondern sich auch deutlich dafür einzusetzen, die Kosten für die Elektrifizierung zu senken“, sagt Dolphin. „Sie wollen dem DfT und dem Finanzministerium deutlich zeigen, dass sie wirklich hart an der Kostensenkung arbeiten.“

Zu diesem Zweck haben Ferrer+Frey und Network Rail nun gemeinsam eine Doktorarbeit zu diesen Masten finanziert und dabei herausgefunden, wie diese weiterentwickelt werden kann. „Wir haben jemanden, der sich darauf konzentriert, wie wir die Struktur für die Fertigung optimieren“, sagt Dolphin.

Er fährt fort: „In den nächsten zwei Jahren wird es darum gehen, wie wir das Design mit einer Reihe von Herstellern optimieren, um es so erschwinglich und günstig wie möglich zu machen.“ Die endgültigen Fertigungsstrukturen werden die gleichen Eigenschaften haben, müssen jedoch in großen Mengen zu einem erschwinglichen Preis hergestellt werden.

„Und dann wird es am Ende hoffentlich tatsächlich bei echten Elektrifizierungsprojekten umgesetzt.“

Hohe Kosten, die mit bereits umgesetzten Elektrifizierungsprojekten verbunden waren, haben in der Vergangenheit das Vertrauen in die Inbetriebnahme weiterer Projekte erschüttert. Ein Bericht von Network Rail aus dem Jahr 2020 kam zu dem Schluss, dass seine Industriepartner „nachweisen müssen, dass die Elektrifizierung sowohl nützlich als auch erschwinglich ist“, um die Regierung davon zu überzeugen, mehr Programme zu finanzieren.

Der Projektbericht von Network Rail – erstellt im Juli 2020 und von NCE auf Anfrage zur Informationsfreiheit eingeholt – räumt ein, dass es aufgrund „kostspieliger Fehler“ beim Great Western-Plan an öffentlichem und staatlichem Vertrauen in Bahnelektrifizierungsprojekte mangelt.

Die elektrifizierte Eisenbahnstrecke zwischen Cardiff und London Paddington wurde nach jahrelangen Verzögerungen und einer erheblichen Budgeterhöhung schließlich im Januar 2020 eröffnet. Die Fertigstellung der Strecke war ursprünglich für 2017 vorgesehen und umfasste ein 2013 festgelegtes Budget von 874 Millionen Pfund. Das Great-Western-Programm wurde jedoch im Januar 2016 zurückgesetzt, wodurch die Kosten für die Elektrifizierung der Strecke auf 2,8 Milliarden Pfund stiegen. Network Rail beziffert die endgültigen Kosten nun auf 5,5 Milliarden Pfund.

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