Die Idee ist nicht neu, doch an der Umsetzung in Deutschland hapert es bis heute: Photovoltaik-Anlagen werden oftmals entlang von Bahnstrecken installiert, doch die direkte Einspeisung des Solarstroms ins Bahnnetz erfolgt nicht. Das Forschungsprojekt „PVRail“, das vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wurde, soll jedoch den Weg in diese Richtung weisen.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat dafür zunächst eine Potenzialanalyse vorgenommen. Auch wenn es bisher keine realen Anwendungen in Deutschland gibt, so ist das Ergebnis dennoch eindeutig. „Ein relevanter Teil des Energiebedarfs im Bahnstromnetz könnte jedoch durch Photovoltaik abgedeckt werden, denn das Photovoltaik-Flächenpotenzial längs der Bahnstrecken ist um ein Vielfaches höher als die Menge an Energie, die im Bahnstromnetz gebraucht wird«, erklärt Andreas Hensel, Projektleiter „PV4Rail“ am Fraunhofer ISE.
Konkret in Zahlen ausgedrückt haben die Freiburger Wissenschaftler ermittelt: Selbst wenn nur Flächen im Umkreis von zwei Kilometern um ein Bahn-Unterwerk einbezogen werden, liegt die mögliche installierbare Photovoltaik-Nennleistung bei 37,6 Gigawatt und der mögliche Stromertrag bei 32.920 Gigawattstunden Solarstrom jährlich. Der Strombedarf für die Beförderung der Züge lag 2023 bei etwa 7500 Gigawattstunden, wie die Forscher anführen. Das theoretische Potenzial wäre angesichts der verfügbaren Flächen und von knapp 8000 Kilometern Stromnetz, das die Deutsche Bahn betreibt, noch um einiges höher.
Auch wenn es erste Pilotvorhaben in Deutschland bereits gab, scheitert es an den Rahmenbedingungen und den Wechselrichtern. Das Bahnnetz wird nicht wie das öffentliche Netz mit einer Frequenz von 50 Hertz betrieben, sondern einphasig mit 16,7 Hertz. Der an dem Projekt beteiligte Hersteller Vensys Elektrotechnik GmbH hat nun einen Zentralwechselrichter mit zwei Megawatt Leistung entwickelt, der in zwei symmetrische Leistungsteile von jeweils ein Megawatt aufgeteilt ist. Im Labor des Fraunhofer ISE sei einer der Leistungsteile getestet worden. Die Forscher haben dabei einen Wirkungsgrad von 96,6 Prozent gemessen.
Als Teil des Projekts „PV4Rail“ hat das Fraunhofer ISE zudem Regelungen für den netzbildenden Betrieb der Umrichter im Bahnnetz entwickelt. Für den Netzanschluss betrachtete es verschiedene Möglichkeiten, je nach Größe der Anlage. So könnten kleinere Photovoltaik-Anlagen bis 5 Megawatt Leistung direkt in die Oberleitung einspeisen. Bei Leistungen bis 12 Megawatt müsste in Unterwerken über die Sammelschiene eingespeist werden. Diese Variante weist hinsichtlich der Stromgestehungskosten die geringsten Unterschiede gegenüber 50-Hertz-Anlagen auf. Nach Berechnungen des Fraunhofer ISE müssen für die großen Anlagen bis 40 Megawatt im Allgemeinen ein eigenes Unterwerk mit Trafo und Schaltanlage zur Einspeisung ins 110-Kilovolt-Bahnnetz errichtet werden.
Österreich hat bereits mehrere Anlagen am Netz
Wie es gehen kann, macht Österreich vor. Im Nachbarland sind bereits mehrere Photovoltaik-Anlagen mit mehr als zehn Megawatt Leistung installiert, deren Solarstrom direkt in das Bahnnetz eingespeist wird. Allerdings, so die Forscher weiter, unterscheiden sich die Anschlussbedingungen der österreichischen Bahn ÖBB von denen der Deutschen Bahn. Aufgrund der Anforderung an den Betrieb des Bahnstromnetzes und die Kompatibilität der Wechselrichter zur Leit- und Sicherungstechnik können in Deutschland nur spannungseinprägende Wechselrichter eingesetzt werden, so die Freiburger Forscher. Spannungseinprägendes Verhalten sei im Projekt „PV4Rail“ bereits in der Simulationsumgebung getestet worden. Es könnte in einem Folgeprojekt noch implementiert werden.
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Wie wäre es langfristig auf Gleichstrom zu setzen? Klassische Wechselrichter müssten so nicht mehr zum einsatz kommen. Nur Höchstspannungsleitungen wie Südlink setzen auf Gleichstrom, da effizienter. Elektrolyseure können direkt mit Hleichstrom arbeiten. E PKW und LKW werden mit Gleichstrom geladen. Könnte mit neuen Bahn Streckenabschnitten auch mit Gleichstrom betrieben werden.
Das gesamte europäische Verbundnetz könnte langfristig auf Gleichstrom aufgebaut werden, da speicher eine zentrale Rolle spielen werden und diese per Gleichstrom effizienter eingebunden werden können.
Gleichstrom ist für Bahnanwendungen (und auch Haushaltsanwendungen) schlechter geeignet als Wechselstrom. Es gibt verschiedene Nachteile (z.B. Leistung, Transportfähigkeit, Korrosion), so dass nur noch aus historischen Gründen Gleichstrombahnen betrieben werden. Die Sonderfrequenz von 16.7 Hz hat zwar Nachteile aufgrund des geringen Anbietermarkts (weshalb Länder, die in den letzten Jahrzehnten elektrifiziert haben, auf 50 Hz-Anlagen gesetzt haben), aber auch deutliche Vorteile im Netzbetrieb (z.B. Rekuperation).
Das Hauptproblem ist die Bahn selbst. Ein konservatives Unternehmen welches schon bei der Ausführung Ihrer Kernaufgabe in Gänze versagt. Die Technik für die Lösung existiert schon seit Jahrzehnten. SMA kommt ja beispielsweise aus der Bahntechnik und war hier stets gut aufgestellt.
Es fehlte schlichtweg am guten Willen etwas ändern zu wollen. Stattdessen hat die Bahn Geld verballert um neue Kohlekraftwerke (teils ohne Genehmigung, Datteln) zu bauen. Wenn man sich den Strommix der DB anschaut kommt man schnell dahinter, dass man mit dem eigenen E Auto (insofern man nicht alleine fährt) CO2 ärmer als die DB unterwegs ist. Auch da sind andere Länder bedeutend weiter. Aber wir gewöhnen uns ja gerade daran abgehängt zu werden. Sollen doch „andere“ erstmal vorweg gehen. Wir können ja später noch was tun. Evtl. mal sehen.
Und zwischen November und Februar fahren Züge nur an wenigen Stunden, wenn überhaupt. Früher begründete die Bahn die Zugausfälle mit Schnee und Eis, in Zukunft mit fehlendem Strom.
Sie verdrehen Ursache und Wirkung!
EE Anlagen müssen abgeschaltet werden, weil die Züge nicht fahren 😉
Bahnfahren mit Sonnenstrom nur noch bei schönem Wetter? Die Herausforderungen sind groß, aber technisch lösbar: Hybrid-Lokomotiven, Zwischenspeicher, … . Es scheitert am Geld und dem Willen der verkrusteten Bahn.