Autarke Antriebe für Schmalspurstrecken

Fahrzeugkonzepte und Infrastruktur im Zusammenspiel am Beispiel der Harzer Schmalspurbahnen

Ein praxisbezogener Einblick in ein laufendes Forschungs- und Entwicklungsvorhaben

Einführung

Schmalspurige Eisenbahnen wie die Harzer Schmalspurbahnen (HSB) stehen vor einer doppelten Herausforderung: Sie müssen einerseits Emissionen senken und gleichzeitig ihr einzigartiges Erscheinungsbild bewahren. Die Entwicklung neuer Triebfahrzeuge ist dabei – unter Beibehaltung des traditionellen Dampfbetriebes – essenziell für die Zukunft dieser Bahnen, um die Kapazität zu erhöhen und den zuverlässigen Betrieb langfristig zu sichern. Doch muss es immer die Oberleitung sein, um elektrisch zu fahren? Dieser Beitrag zeigt auf, warum autarke Antriebe auf Batterie- oder Wasserstoffbasis für Schmalspurnetze die bessere Wahl sein können – und worauf es bei der Fahrzeugentwicklung ankommt.

Anforderungen auf schmaler Spur

Schmalspurbahnen sind bauraumkritische Fahrzeugsysteme mit besonderen Randbedingungen: enge Bogenradien von oft nur 60 bis 120 m, eingeschränkte Lichtraumprofile, zulässige Achslasten meist zwischen 8 und 12 t auf 1000 bis 750 mm Spurweite. Dazu kommt eine markante Topografie mit Steigungen bis über 33 Promille, anspruchsvolle Winterbedingungen sowie hohe touristische Ansprüche an Aussicht, Ruhe und Authentizität.

Die HSB mit ihren rund 140 Streckenkilometern und der legendären Brockenbahn sind ein Paradebeispiel für diese Herausforderungen. Der Einsatz moderner, emissionsfreier Triebfahrzeuge ist hier nicht als Konkurrenz zum historischen Dampfbetrieb zu verstehen, sondern als notwendige Ergänzung. Während im Harz die Dampflokomotiven das touristische Alleinstellungsmerkmal der HSB bleiben, braucht es für den erweiterten Regelbetrieb in Tagesrandlagen, für Kapazitätsspitzen, Sonderverkehre und für eine langfristige Betriebssicherung zeitgemäße Fahrzeugkonzepte, will man ernsthaft Alternativen zum Diesel in Betracht ziehen.

Warum die Oberleitung nicht immer die beste Lösung ist

Im Regelspurbereich ist die durchgängige Oberleitung Standard. Im Schmalspurkontext verdichten sich jedoch die Hürden: Masten und Fundamente müssen in schmalen Dämmen und Einschnitten sicher gegründet werden. Der Lichtraum erfordert Eingriffe an Felsen, Vegetation sowie Brücken und Tunneln. Bei historischen Portalen kollidieren Querschnittsaufweitungen mit dem Denkmalschutz. Wer am Brocken durch den Nationalpark fährt, will Natur und den Berg sehen – keine Masten alle 50 m. In sensiblen Landschaften verändert die sichtbare Fahrleitungsanlage das Erscheinungsbild dauerhaft. In Nationalpark- und Naturparkzonen ist die Akzeptanz dafür begrenzt. Verfahren zur Installation werden komplex, weil die eisenbahnrechtliche Planfeststellung mit Natur- und Denkmalschutzauflagen sowie Forstrechten kollidiert. Die Bauphase generiert zusätzliche Flächeninanspruchnahme und erzeugt Verfügbarkeitsrisiken – besonders kritisch in touristischen Spitzen. Steile Rampen und enge Bögen erhöhen den konstruktiven Sonderaufwand durch Sondermasten, Tragseilführungen und Quertragwerke. Das verteuert Investition und Instandhaltung je Kilometer erheblich. Ein häufig angeführtes Gegenbeispiel sind die vollelektrifizierten Meterspurbahnen der Schweiz – etwa die Rhätische Bahn oder die Matterhorn-Gotthard-Bahn, die seit Jahrzehnten zuverlässig unter Oberleitung durch alpine Landschaften fahren. Dabei darf jedoch ein entscheidender Aspekt nicht übersehen werden: Diese Netze wurden zu einer Zeit elektrifiziert, als schlicht keine andere emissionsfreie Alternative zur Verfügung stand. Batterie- und Brennstoffzellentechnologie befanden sich damals außer Sichtweite. Wer heute vor der Entscheidung steht, kann nun aus einem Technologieportfolio wählen, das vor 80 Jahren nicht existierte. Die Frage lautet daher nicht „Geht Oberleitung?“, sondern „Welche Lösung passt am besten zum Betriebsprofil, zur Landschaft und zur Wirtschaftlichkeit?“

Was das Fahrzeug leisten muss

Schmalspurbahnen setzen klare Restriktionen auf der Fahrzeugseite. Die Achslastgrenzen bestimmen die Energiebevorratung und fordern konsequenten Leichtbau. Kurze Wagenkästen und modulare Einheiten verbessern Bogenläufigkeit und Lastverteilung. Ein Jacobs-Drehgestell kann Radsätze einsparen und die Laufruhe erhöhen, verlangt jedoch eine ausgewogene Struktursteifigkeit und geeignete Crashkonzepte.

Im Steigungs- und Bogenbetrieb steigt der Energiebedarf deutlich; bergab besteht erhebliches Rekuperationspotenzial (Rekuperation = Bremsenergierückgewinnung), dessen Nutzung Pufferkapazität und ausreichende Adhäsion voraussetzt. Bauraum im Unterflur ist knapper als auf der Regelspur – Komponenten müssen so integriert werden, dass Lichtraum, Schwerpunktlage und Wartungszugänglichkeit gewahrt bleiben. Für die touristische Qualität zählen große Fensterflächen, niedrige Geräusch- und Vibrationspegel sowie eine ungestörte Silhouette der Landschaft. Winterbetrieb am Brocken verlangt zudem robustes Thermomanagement, Enteisung und geschützte Schnittstellen. Der Sommerbetrieb hingegen erfordert effiziente Klimatisierungssysteme.

Batterie oder Brennstoffzelle? Es kommt darauf an …

Batterieelektrische Konzepte

Batterieelektrische Konzepte profitieren von hoher Effizienz und direkter Rekuperation. In eisenbahntauglicher Systemausführung sind gegenwärtig 110 bis 150 Wh/kg realistisch; für die Bordenergie ergeben sich etwa 4 bis 8 t Masse, die über Unterflur- oder Dachmodule verteilt werden müssen. In gebirgigen Profilen mit 15 bis 30 Promille Steigungen liegen Verbräuche bei etwa 7 bis 9 kWh je Zug-Kilometer [1][2]. Anforderungen im Winter, durch hohe Auslastung und bei engen Gleisbogenlagen, können darüber hinausgehen. Zwischenladungen an Endpunkten oder Knoten mit 1 bis 2 MW über 10 bis 20 Minuten reduzieren den Bordkapazitätsbedarf, setzen jedoch ausreichend Netzanbindung, Lastmanagement und winterfeste Schnittstellen voraus. Batterien degradieren über Zeit und Nutzung; 15 000 bis 20 000 Vollzyklen auf bis zu 70 oder 80 % Restkapazität sind typische Planungswerte, weshalb ein Austausch nach 15 bis 20 Jahren einkalkuliert werden sollte. Mit den heutigen Energiedichten für das Batteriesystem lassen sich die erforderlichen Reichweiten für anspruchsvolle Gebirgsprofile wie bei den HSB in den engen Bauraum- und Achslastgrenzen der Schmalspur noch nicht wirtschaftlich abbilden. Die resultierende Batteriemasse konkurriert direkt mit Nutzlast und Fahrgastkapazität – ein Zielkonflikt, der aktuell nicht zufriedenstellend aufzulösen ist. Allerdings zeigt die Entwicklung der vergangenen Jahre eine bemerkenswerte Dynamik: Fortschritte bei Zellchemie, insbesondere Festkörperbatterien und siliziumbasierte Anoden, optimierte Packungsgeometrien sowie verbessertes Thermomanagement lassen erwarten, dass sich innerhalb der nächsten zehn Jahre das Leistungsfenster öffnet, in dem rein batterieelektrische Konzepte auch für die HSB und nachladefreie Fahrten von Wernigerode zum Brocken realistisch werden. Diese Perspektive ist bei der Fahrzeugarchitektur heute schon mitzudenken: Modulare Energiespeicherkonzepte ermöglichen es, im Rahmen großer Instandhaltungsstufen auf leistungsfähigere Batteriegenerationen umzurüsten, ohne das Fahrzeug grundlegend umbauen zu müssen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen-Systeme

Der entscheidende Vorteil brennstoffzellenelektrischer Antriebe liegt in der voneinander unabhängigen Dimensionierbarkeit von Energieinhalt des Speichers und elektrischer Leistung der Brennstoffzelle – und damit in einer Flexibilität, die batterieelektrische Systeme heute nicht bieten können. Wasserstofftanks lassen sich weitgehend unabhängig von der Antriebstopologie im Fahrzeug anordnen: auf dem Dach, in geschützten Endmodulen oder verteilt über mehrere Wagenkästen. Diese Anordnungsfreiheit ist im bauraumkritischen Schmalspurkontext ein erheblicher Vorteil. 350-bar-Typ-IV-Tanks sind im Schienenbereich Stand der Technik [5]. Mit 50 bis 180 kg Wasserstoff an Bord [3] lassen sich Tagesreichweiten realisieren, die mit heutigen Batteriesystemen bei vergleichbarer Achslast nicht darstellbar wären. Die Tankmodule wiegen inklusive Crashschutz etwa 1 bis 3 t – deutlich weniger als ein Batteriepaket gleicher Energiekapazität. [5]

Die Brennstoffzelle selbst arbeitet dabei als kompakter Energiewandler und benötigt weniger Bauraum als ein leistungsäquivalentes Batteriesystem. Spitzenlasten – etwa bei Anfahrt in Steigungen – deckt ein Traktionspuffer mit 100 bis 300 kWh Batteriekapazität, der gleichzeitig die Rekuperationsenergie bei Talfahrten aufnimmt. Die Lebensdauer der Brennstoffzellen-Stacks liegt typischerweise bei 20 000 bis 30 000 Betriebsstunden; Wartungsschwerpunkte sind Luftfilter, Deionisierungsfilter, Pumpen und Kompressoren. Im Hybridverbund lässt sich der Wirkungsgrad vom Brennstoffzellensystem von etwa 50 % durch intelligente Betriebsstrategien weiter optimieren – was im Rahmen des Forschungsprojektes HyLiN-AI die Hauptaufgabe der Professur Alternative Fahrzeugantriebe der TU Chemnitz ist [4]. Für den touristischen Einsatz relevant: Brennstoffzellen arbeiten nahezu vibrationsfrei und mit niedrigem Geräuschpegel – ein Qualitätsmerkmal, das bei der Fahrt durch den Nationalpark unmittelbar erlebbar wird.

Winterbetrieb als Vorteil

Gerade im Winterbetrieb am Brocken spielt die Brennstoffzelle einen systemischen Vorteil aus, der auf den ersten Blick paradox erscheint: Ihre Verluste werden zum Gewinn. Wie Untersuchungen der Professur Alternative Fahrzeugantriebe der TU Chemnitz bereits in der Vergangenheit gezeigt haben, unterscheidet sich die Abwärmecharakteristik von Brennstoffzellen deutlich von verbrennungsmotorischen Antrieben: 80 bis 90 % der Verlustleistung der Brennstoffzelle werden an den Kühlkreislauf abgegeben und stehen dort bei Temperaturen von 60 bis 85 °C für die Fahrzeugheizung zur Verfügung. Auf der Strecke Wernigerode–Brocken–Wernigerode bedeutet dies bei einer durchschnittlichen Brennstoffzellenleistung von gut 50 kW eine entsprechende Heizleistung von rund 50 kW. Elektrische Heizregister, die bei batterieelektrischen Fahrzeugen im Winter erhebliche Reichweiteneinbußen verursachen, werden damit weitgehend überflüssig. Der Brennstoffzellenantrieb liefert Traktion und Wärme aus einer Quelle – ein entscheidender Vorteil für den ganzjährigen Eisenbahnbetrieb in Höhenlagen.

Forschungskooperation HyLin-AI: Welche Technologie passt wann?

Die Frage, ob Batterie oder Brennstoffzelle besser geeignet ist, lässt sich nicht pauschal beantworten – sie hängt vom konkreten Einsatzszenario ab. Im Rahmen des Forschungsprojekts HyLIN-AI untersuchen die Professur Alternative Fahrzeugantriebe und das Projektteam von HÖRMANN Vehicle Engineering gemeinsam, wie beide Technologien optimal dimensioniert und aufeinander abgestimmt werden können. Erste Zwischenergebnisse [4] zeigen ein differenziertes Bild: Kurze Strecken oder Strecken mit langen Anstiegen und anschließenden Gefällen begünstigen batterieelektrische Antriebe, da hier durch einen großen Speicher das Rekuperationspotenzial voll ausgeschöpft werden kann. Brennstoffzellenantriebe punkten hingegen bei langen Strecken mit gleichmäßigem Höhenprofil: Sie ermöglichen eine kontinuierliche Leistungsabgabe über große Zeiträume, ohne dass Nachladepausen erforderlich sind. Je häufiger und länger Streckenabschnitte sind, auf denen der Zug Energie rekuperieren kann, desto größer sollte das Batteriesystem ausgelegt werden – und desto geringer kann die erforderliche Brennstoffzellenleistung dimensioniert werden. Für die HSB mit ihrer markanten Topografie und den langen Steigungsabschnitten zum Brocken bedeutet das: Ein hybrides System, das beide Technologien intelligent kombiniert, könnte die optimale Lösung darstellen. Die modulare Fahrzeugarchitektur [5] ermöglicht dabei, das Verhältnis von Batterie- und Brennstoffzellenkapazität an künftige Technologiefortschritte anzupassen.

Eine Strategie ohne Sackgasse

Entscheidend ist, dass moderne Triebfahrzeuge den Dampfbetrieb nicht ersetzen, sondern ergänzen. Die historischen Dampfloks bleiben das touristische Aushängeschild der HSB. Doch für den erweiterten Regelbetrieb in Tagesrandlagen, für Kapazitätserweiterungen in der Hochsaison und für die langfristige Betriebssicherung sind emissionsfreie Neufahrzeuge unverzichtbar. Eine mögliche Strategie vermeidet Pfadabhängigkeit: Ein Start mit wasserstoff-hybriden Systemen ist sinnvoll, wenn Netzanschlüsse limitiert sind und Reichweiten- oder Winteranforderungen hoch bleiben. Wasserstoff kann über mobile Tankfahrzeuge angeliefert werden. Perspektivisch erfolgt die Umrüstung im Rahmen großer Wartungsereignisse – etwa nach rund zehn Jahren – auf verbesserte Batteriegenerationen mit höherer Energiedichte und Massevorteilen, sofern diese die Umläufe wirtschaftlich abdecken. So entsteht eine technologieoffene Roadmap, die Realisierbarkeit, Landschaftsschutz und Wirtschaftlichkeit verbindet.

Fazit

Eine Oberleitung ist nicht per se der „Goldstandard“ für eine Schmalspurbahn. In topografisch anspruchsvollen, landschaftlich sensiblen Netzen wie der HSB können autarke Systeme schneller realisierbar, kosteneffizienter, landschaftsverträglicher und betrieblich robuster sein – vorausgesetzt, Fahrzeugleichtbau, modulare Architektur und intelligente Betriebsführung werden konsequent zusammengedacht.

Ob Batterie, Wasserstoff oder Hybrid: Entscheidend ist die Passung zum Betriebsprofil, die Minimierung linienhafter Eingriffe und die Fähigkeit, technologische Fortschritte über die Lebensdauer nachzurüsten. Für Betreiber bedeutet dies: pragmatisch starten, pilothaft validieren, Hubs modular aufbauen und die Option auf den nächsten Technologiesprung bewusst offenhalten.

Quellen

1. VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V.: Einsatz alternativer Antriebstechnologien im SPNV des Südthüringennetzes, VDE-Studie, Dezember 2023, URL: https://www.vde.com/resource/blob/2292304/e7923d5b2a8d0b19c50fb7b8a5f81515/einsatz-alternativer-antriebstechnologien-im-spnv-des-suedthueringennetzes-data.pdf
2. Marafioti, G. et al.: Onboard energy storage in rail transport: Review of real applications and technical issues, IET Electrical Systems in Transportation, Vol. 11, Nr. 4, 2021, S. 279–309. DOI: 10.1049/els2.12026
3. Klell et al.: „Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik – Erzeugung, Speicherung, Anwendung“, Springer Vieweg, 4. Auflage, ISBN 978-3-658-20447-1
4. Professur Alternative Fahrzeugantriebe, TU Chemnitz – Projekt HyLin-AI
5. HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH – Interne Konzeptstudien

Kontakt zu den Autoren

• HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH, Aue 23-27, 09111 Chemnitz | www.hoermann-engineering.com | Ing. Peer Lenk, Dipl.-Ing. Martin Tröbs
• Technische Universität Chemnitz, Professur Alternative Fahrzeugantriebe, Reichenhainer Straße 70, 09126 Chemnitz | www.tu-chemnitz.de/mb/alf | Dipl.-Ing. Phillip Rathke, Zigi Chen M. Sc.

Förderhinweis

Das Projekt HyLin-AI (Fördernummer: 100761382) wird gefördert durch die EU, den Freistaat Sachsen und die Sächsische Aufbaubank (SAB)

Peer Lenk Martin Tröbs Phillip Rathke Zigi Chen

19.04.2026