Hochgeschwindigkeitszug

Fahrzeuge für den Hochgeschwindigkeitsverkehr werden überwiegend elektrisch angetrieben. Diesel- oder Gasturbinen-Triebfahrzeuge wurden zwar des Öfteren erprobt, bilden aber die große Ausnahme. Gründe dafür sind neben dem höheren Treibstoff-Verbrauch (die Ölpreiskrise von 1973 beendete mehrere derartige Ansätze im Versuchsstadium) auch das ungünstigere Masse-Leistungs-Verhältnis, da zumindest Dieselmotoren (zumal bei Verwendung dieselelektrischer Traktion) ceteris paribus schwerer als vergleichbare Elektromotoren sind und der mitgeführte Treibstoff zusätzliche Masse bedeutet. Aus ähnlichen Gründen erreichen batterieelektrische Züge üblicherweise keine Geschwindigkeiten über 160 km/h. Die Abgase von Diesel- oder Gasturbinenzügen stellen auch ein Problem in langen Tunnels und unterirdischen Bahnhöfen dar, welches in vielen Fällen durch die Elektrifizierung gelöst wurde, sodass diese Teile des Streckennetzes im Regelbetrieb nur mit elektrischer Traktion befahren werden.

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 380 km/h, bei Versuchsfahrten auch 575 km/h (TGV-Versuchszug V150) und 603 km/h (JR-Maglev-Versuchszug im April 2015).

Schnellfahrstrecke

Als Schnellfahrstrecke (SFS) wird im Eisenbahnverkehr eine Eisenbahnstrecke bezeichnet, auf der Fahrgeschwindigkeiten von wenigstens 200 km/h möglich sind. Manche internationale Definitionen sehen größere zu erreichende Geschwindigkeiten vor.

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.

Zugbeeinflussung

Bei den im Hochgeschwindigkeitsverkehr langen Betriebs- (etwa 7000 m) und Schnellbremswegen (über 3000 m) ist das traditionelle Signalsystem 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 eine Zugantenne einwirken, und eine Verbindung zwischen dem Zug und einer Leitstelle errichtet.

Übertragen werden beispielsweise Ort und Art von bevorstehenden Geschwindigkeitsänderungen, wie („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 Nebeneffekt verhindert die linienförmige Zugbeeinflussung abrupte Bremsmanöver und das für die Fahrgäste unangenehme Halten in stark überhöhten Kurven.

Laufruhe

In den 1950er Jahren konnten Geschwindigkeiten jenseits von 200 km/h ohne bleibende Schäden am Fahrweg oder einer Gefährdung der sicheren Führung des Fahrzeugs nicht bewältigt werden. Heutzutage sind wesentlich höhere Geschwindigkeiten laufwerktechnisch problemlos beherrschbar. Neben Versuchen auf Rollenprüfständen zeigt dies auch die Rekordfahrt des TGV jenseits von 550 km/h im April 2007.

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. Ein Antrieb beispielsweise mittels Linearmotor wäre von dieser Beschränkung nicht betroffen und ist auch beim Rad-Schiene-System zum Beispiel bei Achterbahnen (so genannte „Launched Coaster“) Stand der Technik.

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 Stromabnehmer von 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.

Lärmentwicklung

Im Geschwindigkeitsbereich oberhalb von 250 km/h wird die Schallemission eines Fahrzeugs im Wesentlichen durch das aerodynamische Geräusch bestimmt, wobei die Schallleistung mit der fünften Potenz der Geschwindigkeit zunimmt. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einer Geschwindigkeitserhöhung von 300 km/h auf 400 km/h der Mittelungspegel um 6 dB zunimmt (Als Faustregel gilt: Ein Unterschied von 10 dB wird als Lautstärkeverdopplung wahrgenommen).

Da Hochgeschwindigkeitszüge auch durch dichtbesiedelte Gebiete fahren, stellt die Lärmentwicklung der Fahrzeuge einen Faktor für die zulässige Höchstgeschwindigkeit auf dem jeweiligen Streckenabschnitt dar. Daher erweist sich eine schalltechnische Optimierung von Fahrzeug und Fahrweg gegebenenfalls als direkt nutzbar.

Wirtschaftlichkeit

Zwar sind Hochgeschwindigkeitsverkehre immer auch Prestigeobjekte, die für die technische Leistungsfähigkeit des jeweiligen Landes stehen, doch lässt sich ohne ein gewisses Maß an Wirtschaftlichkeit ein solches Projekt nicht realisieren.

Hochgeschwindigkeitsverkehre erzielen ihre Wirtschaftlichkeit dadurch, dass die höheren Fahrzeugkosten, der höhere Aufwand für den Bau und die regelmäßige Wartung des Fahrwegs und der höhere Energiebedarf durch einen geringeren Fahrzeug- und Personalbedarf infolge kürzerer Reisezeiten kompensiert werden. Zudem können durch die kürzere Reisezeit und die Attraktivität der Fahrzeuge teilweise erhebliche Zuwächse bei den Reisendenzahlen verzeichnet werden. So stiegen die Reisendenzahlen im Fernverkehr auf der Tōkaido-Strecke Tokio–Osaka nach Einführung des Shinkansens innerhalb von nur fünf Jahren auf das Vierfache, und durch die Einführung des TGV auf der Relation Paris–Lyon konnte innerhalb von zwei Jahren eine Verdopplung der Reisendenzahlen erreicht werden.

Die wesentlichen Faktoren für die Reisezeit sind:

• die Höchstgeschwindigkeit
• die Halteabstände
• die Beschleunigungsfähigkeit der Fahrzeuge
• die Haltezeiten
• Langsamfahrstellen und anteilige Streckenabschnitte die regulär nicht für Höchstgeschwindigkeit zugelassen sind

Während insbesondere im städtischen Nahverkehr mit kurzen Halteabständen vor allem die Haltezeiten und die Beschleunigungsfähigkeit der Fahrzeuge entscheidend ist, werden im Hochgeschwindigkeitsverkehr die kurzen Reisezeiten vor allem durch eine durchgehend hohe Geschwindigkeit und große Halteabstände erreicht. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten (ab etwa 250 km/h) nimmt allerdings die Bedeutung der Beschleunigungs- und Verzögerungsfähigkeit der Fahrzeuge zu, wenn eine dichte Zugfolge (3 Minuten) möglich sein soll.

Die Grenzen der Wirtschaftlichkeit liegen dort, wo durch eine weitere Anhebung der Höchstgeschwindigkeit keine relevanten Fahrzeitverkürzungen erreicht werden können, die in einem vernünftigen Verhältnis zu den erhöhten Kosten stehen. Die wesentlichen Faktoren sind hier heute einerseits der Wartungsaufwand für den Fahrweg und andererseits die Entfernung zwischen den Großstädten, welche sinnvoll mit einer Hochgeschwindigkeitsstrecke verbunden werden können. Somit liegt die Höchstgeschwindigkeit von Hochgeschwindigkeitsverkehren derzeit vor allem aus wirtschaftlichen Gründen bei etwa 300 km/h. Züge sind – auch bei hoher Geschwindigkeit – deutlich energieeffizienter pro Sitzplatzkilometer als Bus, Auto oder Flugzeug (Siemens Velaro D laut Hersteller rund 0,3 Liter Benzinäquivalent pro 100 Sitzplatz-km vs rund 2 Liter pro 100 Sitzplatzkilometer laut Werbung der Fluggesellschaften für den Airbus A330 neo) Welche Rolle der Energieverbrauch auf die Wirtschaftlichkeit hat, hängt nicht zuletzt auch vom Strompreis ab und ob dieser mit Steuern und Abgaben belastet oder im Gegensatz sogar subventioniert ist. Historisch waren es daher zumeist Länder mit reichlich verfügbarer Wasserkraft, welche die Elektrifizierung der Eisenbahn besonders voran getrieben haben. Auch der französische TGV (welcher sich in der Entwicklungsphase gegen Konkurrenz der fossil getriebenen Aérotrain und TGV 001 durchsetzen musste) wird gelegentlich mit der Kernenergie in Frankreich in Verbindung gesetzt, welche seinerzeit auch mit dem Ziel niedriger Endverbraucher-Strompreise forciert wurde.

Betriebskoordination

Wesentlich für den Nutzen eines Hochgeschwindigkeitsverkehrs ist auch die zeitliche Abstimmung im Taktfahrplan an Knotenpunkten. Bei einer Evaluierung des Höchstgeschwindigkeitsverkehrs mit über 200 km/h in der Schweiz wurde festgestellt, dass 200 km/h für die NBS Bern–Olten am wirtschaftlichsten seien. Höhere Geschwindigkeiten als 250 km/h brächten zwar Fahrzeitersparungen von etlichen Minuten, würden sich aber nicht lohnen, da die zeitlichen Knotenpunkte im Taktverkehr nicht mehr aufgingen, womit längere Wartezeiten auf Bahnhöfen auf Anschlusszüge nötig wären und die Reisezeit etwa gleich bliebe – bei höheren Kosten.

Wenn Hochgeschwindigkeitsverkehr zusammen mit Verkehren geringerer Geschwindigkeit (z. B. Güterverkehr) auf gemeinsam genutzten Strecken abgewickelt wird, muss ein Abgleich der Geschwindigkeit mit Rücksicht auf die langsameren Züge auf der gleichen Strecke erfolgen. Dies kann punktuell je nach Lage oder durch die Fahrplangestaltung erfolgen.

In Deutschland verfolgt die Deutsche Bahn jedoch eine Strategie der weitgehenden Entkopplung von Hochgeschwindigkeitsverkehr von langsameren Verkehren (die so genannte „Netz 21“-Strategie), um die Vorteile von HGV-Zügen wie etwa dem ICE auszuspielen. Die Leistungsfähigkeit einer HGV-Strecke wird so gegenüber einer gemischt genutzten Strecke deutlich erhöht. Wenn bereits beim Bau einer HGV-Strecke, wie z. B. der Schnellfahrstrecke Köln–Rhein/Main auf die Befahrbarkeit mit schweren Güterzügen verzichtet wird, lassen sich auch durch eine steilere Gradiente Kosten sparen. Dies entspricht Konzepten, die in Frankreich und Japan bereits seit Beginn des Hochgeschwindigkeitsverkehrs üblich sind. So ist in Japan durch die unterschiedliche Spurweite (1435 mm HGV gegenüber 1067 mm konventionell und Güterverkehr) ein Verkehr der Shinkansen-Züge auf dem Güternetz (und umgekehrt) gar nicht möglich. In Frankreich wiederum sind die Hochgeschwindigkeitsstrecken ausschließlich den TGV vorbehalten. Nur dort, wo der TGV im „alten“ Netz unterwegs ist, um Städte abseits der LGV (lignes a grande vitesse, Hochgeschwindigkeitsstrecken) anzubinden, teilt er sich Strecken mit dem Güterverkehr. Gleichermaßen getrennt ist das Netz auch in Spanien, auch hier durch unterschiedliche Spurweiten. Mischverkehr in größerem Ausmaße herrscht jedoch in Großbritannien, wo High Speed 1 auch für Güterzüge ausgelegt ist, oder auch in der Schweiz wo selbst Hochgeschwindigkeitsstrecken wie der Gotthard-Basistunnel (v_max 250 km/h) auch dem Güterverkehr dienen. Abgesehen vom TGV La Poste hat es trotz vielfältiger Diskussionen und Vorschläge bisher keinen nennenswerten HGV im Güterverkehr gegeben. Dies liegt unter anderem daran, dass bestehende Güterzüge nicht auf entsprechende Geschwindigkeit ausgelegt sind und aufgrund deutlich höheren Leistungsgewichts steilere Trassen nicht oder kaum befahren können.