Die Welt der Sonderfrequenzen: Warum die deutsche Bahn mit 16,7 Hertz fährt und welche besonderen Stromsysteme es sonst noch gibt

Einleitung

Stellen Sie sich vor, Sie steigen in einen ICE in Frankfurt am Main, der Sie nach Paris bringen soll. Was wie eine selbstverständliche Reise in einem vereinten Europa erscheint, ist aus technischer Perspektive eine kleine Meisterleistung. Denn der Zug muss während dieser Fahrt nicht nur Ländergrenzen überwinden, sondern auch die Grenzen zwischen völlig unterschiedlichen elektrischen Welten. In Deutschland versorgt er seine Motoren mit Wechselstrom der Frequenz 16,7 Hertz, in Frankreich hingegen mit 50 Hertz – der Frequenz des öffentlichen Stromnetzes.

Diese Besonderheit wirft Fragen auf: Warum hat die deutsche Bahn überhaupt eine eigene Frequenz? Ist das in anderen Ländern auch so? Und gibt es vielleicht noch weitere spezielle Frequenzen für besondere Anwendungen? Dieser Artikel taucht tief in die faszinierende Welt der elektrischen Sonderfrequenzen ein, erklärt die historischen und technischen Hintergründe und zeigt, wie vielfältig die Stromversorgung jenseits der bekannten 50 oder 60 Hertz sein kann.

Teil 1: Die deutsche Bahnfrequenz – 16,7 Hertz

Die Grundlagen: Was bedeutet Frequenz im Stromnetz?

Bevor wir uns mit den Besonderheiten des Bahnstroms beschäftigen, ist es wichtig, das grundlegende Konzept der Frequenz zu verstehen. Bei Wechselstrom ändert sich die Richtung des Stromflusses periodisch. Die Frequenz gibt an, wie oft pro Sekunde diese Richtungsänderung stattfindet. Gemessen wird sie in der Einheit Hertz (Hz), wobei 1 Hz einer Schwingung pro Sekunde entspricht.

Im öffentlichen Stromnetz beträgt die Frequenz in Europa 50 Hz, was bedeutet, dass der Strom 50 Mal pro Sekunde seine Richtung wechselt. In Nordamerika und Teilen Südamerikas sind es 60 Hz. Diese Werte haben sich historisch als Kompromiss zwischen verschiedenen technischen Anforderungen etabliert: Höhere Frequenzen ermöglichen kleinere und leichtere Transformatoren, niedrigere Frequenzen reduzieren die Verluste bei der Übertragung über weite Strecken.

Die deutsche Bahn hingegen verwendet mit 16,7 Hz eine deutlich niedrigere Frequenz. Um zu verstehen, warum, müssen wir eine Reise in die Anfänge der Elektrotechnik unternehmen.

Die historische Entwicklung: Warum gerade 16 2/3 Hz?

Die Elektrifizierung der Eisenbahnen begann um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert. Die Ingenieure standen vor einem grundlegenden Dilemma:

Für den Bahnbetrieb waren Motoren notwendig, die ein hohes Drehmoment beim Anfahren und eine gute Regelbarkeit bieten. Der ideal geeignete Motor dafür war der Gleichstrom-Reihenschlussmotor. Gleichstrom ließ sich aber nicht einfach über weite Strecken transportieren, da man die Spannung nicht ohne Weiteres transformieren konnte. Wechselstrom hingegen ließ sich durch Transformatoren leicht auf hohe Spannungen für den verlustarmen Transport bringen und am Verbrauchsort wieder heruntertransformieren. Die damals verfügbaren Wechselstrommotoren (vor allem Asynchronmotoren) waren für den Bahnbetrieb jedoch ungeeignet, da sie kein ausreichendes Anlaufdrehmoment boten.

Die geniale Lösung war ein Kompromiss: Man fand heraus, dass ein speziell konstruierter Reihenschlussmotor zwar grundsätzlich auch mit Wechselstrom funktioniert, bei der damals üblichen Frequenz von 50 Hz jedoch massive Probleme bereitete. Der Grund war der induktive Widerstand der Motorwicklungen. Dieser Widerstand steigt mit der Frequenz. Bei 50 Hz war der induktive Widerstand so hoch, dass er den für das Anfahren benötigten hohen Strom begrenzte und für eine hohe Blindleistung sorgte. Die Motoren waren schwach und ineffizient.

Die Lösung bestand darin, die Frequenz deutlich abzusenken. Dadurch sinkt der induktive Widerstand, und die Motoren konnten zufriedenstellend betrieben werden. So entstanden die speziellen „Bahnmotoren“ für den Betrieb mit reduzierter Frequenz.

Die Wahl fiel schließlich auf 16 2/3 Hz – genau ein Drittel der öffentlichen Netzfrequenz von 50 Hz. Dieses exakte Verhältnis von 1:3 war damals ein großer Vorteil, weil man zur Umwandlung des Stroms aus dem öffentlichen 50-Hz-Netz spezielle rotierende Umformer einsetzen konnte, die auf diesem Teilerverhältnis basierten. Diese Umformer bestanden im Wesentlichen aus einem Motor, der mit 50 Hz lief, und einem direkt gekoppelten Generator, der 16 2/3 Hz erzeugte. Die Synchronisation war durch das feste Übersetzungsverhältnis einfach zu realisieren.

Die technische Umsetzung: Ein eigenes Stromnetz

Weil die Bahn eine von der öffentlichen Versorgung abweichende Frequenz verwendet, kann sie den Strom nicht einfach aus der Steckdose beziehen. Sie betreibt deshalb ein eigenständiges, großflächiges Stromnetz. Dieses Bahnstromnetz ist eines der größten „Inselnetze“ Europas und umfasst:

• Etwa 8.000 Kilometer Hochspannungsleitungen (meist 110 kV), die die Bahnstromkraftwerke oder Umrichterwerke mit den Unterwerken verbinden.
• Eigene Kraftwerke: Die Bahn betreibt mehrere eigene Kraftwerke, darunter Laufwasserkraftwerke (wie in Walchensee, Langweid und Bad Abbach), aber auch konventionelle Kraftwerke (Steinkohle, Gas). Diese erzeugen direkt Strom mit 16,7 Hz.
• Umrichterwerke: An vielen Stellen wird der Strom aus dem öffentlichen 50-Hz-Netz in das Bahnstromnetz eingespeist. Früher geschah dies mit rotierenden Umformern, heute zunehmend mit statischen Umrichtern auf Basis von Leistungselektronik. Diese sind effizienter und wartungsärmer.
• Unterwerke: Entlang der Strecken wird die Hochspannung von 110 kV auf die Fahrdrahtspannung von 15 kV heruntertransformiert und in die Oberleitung eingespeist.

Die Änderung von 16 2/3 Hz zu 16,7 Hz

Die ursprüngliche Frequenz von 16 2⁄3 Hz (also 16,666… Hz) wurde später geringfügig auf 16,7 Hz geändert. Diese Anpassung war notwendig, um technische Probleme mit den Umformern zu vermeiden, die bei dem exakten Teilerverhältnis von einem Drittel auftraten. Durch die minimale Abweichung wird verhindert, dass sich in den rotierenden Maschinen unerwünschte Schwingungen aufbauen. Die Differenz ist so gering (nur 0,033 Hz), dass sie für die Funktion der Fahrzeuge keine Rolle spielt und von diesen problemlos toleriert wird.

Moderne Entwicklungen: Ist 16,7 Hz heute noch notwendig?

Die heutige Leistungselektronik macht die reduzierte Frequenz eigentlich überflüssig. Moderne Züge wandeln den 16,7-Hz-Bahnstrom mit Umrichtern an Bord in Gleichstrom um und erzeugen daraus wiederum Drehstrom mit variabler Frequenz für leistungsstarke und kompakte Drehstrom-Asynchronmotoren. Diese Motoren haben die klassischen Reihenschlussmotoren weitgehend abgelöst.

Dennoch ist eine Umstellung des gesamten Systems auf 50 Hz oder Gleichstrom aus wirtschaftlichen Gründen nicht absehbar. Die bestehende Infrastruktur mit ihren tausenden Kilometern Leitungen, hunderten Unterwerken und zehntausenden Fahrzeugen repräsentiert einen Investitionswert von mehreren Milliarden Euro. Eine Umstellung würde bedeuten, praktisch die gesamte Bahnstromversorgung und alle Fahrzeuge zu ersetzen – ein auf Jahrzehnte hinaus unrealistisches Unterfangen.

Teil 2: Bahnstromsysteme im internationalen Vergleich

Die 16,7-Hz-Bahnstromversorgung ist eine Besonderheit, die es so nur in wenigen Ländern gibt. Weltweit haben sich verschiedene Bahnstromsysteme etabliert, die man grob in drei Kategorien einteilen kann.

Tabelle: Die wichtigsten Bahnstromsysteme der Welt

Das 16,7-Hz-System (Mitteleuropa und Skandinavien)

Neben Deutschland, Österreich und der Schweiz (den „DACH“-Ländern“) verwenden auch Norwegen und Schweden das 15-kV-16,7-Hz-System. Diese Länder haben ihre Bahnelektrifizierung früh begonnen und sich auf dieses System geeinigt, was heute grenzüberschreitenden Verkehr erleichtert. In den USA existiert im Nordosten (z.B. im Nordostkorridor zwischen Washington und Boston) ein historisch gewachsenes Bahnstromnetz mit 25 Hz und 11 kV bzw. 12,5 kV, das aus ähnlichen Überlegungen entstand.

Das 25-kV-50-Hz-System (Der Weltstandard)

Ab den 1950er-Jahren setzte sich in Frankreich das 25-kV-50-Hz-System durch und wurde danach zum weltweiten Standard für Neubaustrecken. Der große Vorteil: Man kann den Strom direkt aus dem öffentlichen Netz beziehen und spart sich ein teures eigenes Bahnstromnetz. Durch Fortschritte in der Leistungselektronik (Quecksilberdampfgleichrichter, später Halbleiter) konnten die Nachteile der höheren Frequenz für die Motoren ausgeglichen werden. Heute werden praktisch alle Hochgeschwindigkeitsstrecken der Welt (TGV in Frankreich, AVE in Spanien, HSL in Großbritannien, viele Strecken in China) mit 25 kV / 50 Hz (oder 60 Hz in Ländern mit 60-Hz-Netzen) betrieben.

Gleichstromsysteme

Gleichstrom wurde oft dort gewählt, wo man viele, aber relativ leichte Züge mit häufigen Stopps hat, wie im Vorort- und U-Bahn-Verkehr. Gleichstrommotoren waren lange Zeit hervorragend regelbar. Der Nachteil von Gleichstrom ist, dass die Spannung nicht einfach transformiert werden kann. Deshalb müssen die Spannungen relativ niedrig sein (üblich sind 750 V, 1,5 kV oder 3 kV), was hohe Ströme und entsprechend dicke Leitungen erfordert. Die Niederlande (1,5 kV), Belgien (3 kV) und Italien (3 kV auf vielen Altstrecken) sind Beispiele für Länder mit großen Gleichstromnetzen.

Warum ist die Welt nicht einheitlich?

Die Unterschiede sind historisch bedingt. Als die ersten Bahnstrecken elektrifiziert wurden, gab es noch keine internationalen Standards. Jedes Land oder jede Bahngesellschaft wählte das System, das es für das Beste hielt, basierend auf den damaligen technischen Möglichkeiten, den geografischen Gegebenheiten und den verfügbaren finanziellen Mitteln. Diese historisch gewachsenen Strukturen zu vereinheitlichen, wäre mit enormen Kosten verbunden.

Die Herausforderung: Mehrsystemfähigkeit

Die Existenz so vieler verschiedener Systeme ist eine große Herausforderung für den internationalen Verkehr. Ein Zug, der von Deutschland nach Frankreich, Belgien oder in die Niederlande fahren soll, muss mehrsystemfähig sein. Das bedeutet, er muss unter allen vorkommenden Spannungen und Stromarten (16,7 Hz AC, 25 kV/50 Hz AC, 1,5 kV DC, 3 kV DC etc.) fahren können.

Moderne Hochgeschwindigkeitszüge wie der ICE 3M (mehrsystemfähig) oder die TGV POS sind dafür ausgelegt. Sie verfügen über spezielle Transformatoren und Umrichter, die je nach Land und Strecke automatisch oder manuell auf das jeweilige Stromsystem umschalten. Diese Technik ist komplex und teuer, aber für einen reibungslosen grenzüberschreitenden Verkehr unerlässlich.

Teil 3: Weitere Sonderfrequenzen für besondere Anwendungen

Die 16,7 Hz der Bahn sind nicht die einzige Abweichung von der Norm. In der Industrie und in der Geschichte der Elektrotechnik finden sich zahlreiche weitere Frequenzen, die für spezielle Zwecke entwickelt wurden.

Historische Norm: DIN 40005

Ein besonders aufschlussreiches Dokument ist die DIN 40005 aus dem Jahr 1969 mit dem Titel „Nennfrequenzen für elektrische Anlagen und Betriebsmittel“. Diese Norm legte ein ganzes Spektrum von Frequenzen fest, die für verschiedene industrielle Anwendungen vorgesehen waren. Die Existenz einer solchen Norm zeigt, dass der Bedarf an unterschiedlichen Frequenzen in der Industrie einst so groß war, dass er standardisiert werden musste.

Die Norm umfasste unter anderem folgende Frequenzen:

• 16 2/3 Hz (später 16,7 Hz) – für Bahnanwendungen und bestimmte Industrieöfen
• 25 Hz – für Bahnanwendungen (insbesondere im internationalen Kontext) und bestimmte Industrieantriebe
• 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz und weiter bis hin zu 10.000 Hz und darüber

Jede dieser Frequenzen hatte ihren spezifischen Anwendungsbereich, der durch technische Optimierungen bestimmt wurde.

25 Hz – Die amerikanische Bahnfrequenz und mehr

Die Frequenz 25 Hz wurde nicht nur für Bahnanwendungen in den USA genutzt, sondern auch für andere industrielle Zwecke. In den frühen Tagen der Elektrifizierung wurden 25-Hz-Generatoren in einigen Wasserkraftwerken installiert, weil man glaubte, dass diese Frequenz für den Transport über große Entfernungen und für den Betrieb von Industrie motoren besonders geeignet sei. In der Region um Niagara Falls in den USA/ Kanada gab es ein ausgedehntes 25-Hz-Netz, das erst in den letzten Jahrzehnten schrittweise auf 60 Hz umgestellt wurde.

Hohe Frequenzen in der Industrie

Während die Bahn und einige historische Industrieanlagen niedrige Frequenzen nutzen, werden in der modernen Industrie oft hohe Frequenzen eingesetzt. Die wichtigsten Anwendungen sind:

• Induktionsöfen zum Schmelzen von Metall: Hier werden Frequenzen typischerweise im Bereich von 50 Hz bis zu 10.000 Hz eingesetzt. Die Frequenz bestimmt, wie tief die Wärme in das Metall eindringt (Skineffekt). Für große Schmelzen verwendet man niedrigere Frequenzen (um 50-250 Hz), für kleinere Mengen oder Oberflächenerwärmung höhere Frequenzen (bis in den Kilohertz-Bereich).
• Induktionserwärmungsanlagen: In der Metallverarbeitung werden hohe Frequenzen (oft im Bereich von 10 kHz bis zu mehreren hundert kHz) genutzt, um Werkstücke schnell und präzise zu erwärmen, beispielsweise zum Härten von Oberflächen oder zum Löten.
• Mittelfrequenz-Transformatoren und Schweißgeräte: Moderne Schweißgeräte arbeiten oft mit Frequenzen im Kilohertz-Bereich, weil dies kleinere, leichtere Transformatoren ermöglicht.

Sonderfall: Flugzeuge und Schiffe

Auch in Fahrzeugen und Flugzeugen finden sich abweichende Frequenzen. In Flugzeugen wird oft eine Frequenz von 400 Hz verwendet. Der Grund: Bei 400 Hz können Transformatoren, Motoren und Generatoren deutlich kleiner und leichter gebaut werden als bei 50 oder 60 Hz – ein entscheidender Vorteil in der Luftfahrt, wo jedes Gramm zählt. Die Generatoren werden entweder direkt von den Triebwerken angetrieben (die Drehzahl bestimmt dann die Frequenz) oder über Umrichter aus dem Gleichstrom-Bordnetz gespeist.

Auch auf Schiffen finden sich oft 60-Hz-Netze, selbst wenn das Heimatland ein 50-Hz-Land ist. Dies liegt häufig an der Herkunft der Schiffsausrüstung oder an der Wahl der USA als wichtigem Handelspartner.

Die moderne Lösung: Umrichter

Heute werden spezielle Frequenzen oft nicht mehr durch eigene Netze oder Generatoren bereitgestellt, sondern durch leistungselektronische Umrichter. Ein Umrichter kann aus dem vorhandenen 50-Hz- oder 60-Hz-Netz praktisch jede beliebige Frequenz erzeugen, die für eine bestimmte Anwendung benötigt wird. Das ermöglicht eine flexible und effiziente Versorgung von Sonderverbrauchern, ohne dass ein eigenes, teures Netz mit abweichender Frequenz aufgebaut werden muss. Auch moderne Bahnfahrzeuge nutzen dieses Prinzip: Sie wandeln den 16,7-Hz-Bahnstrom intern in Gleichstrom und dann in Drehstrom variabler Frequenz für die Fahrmotoren um.

Fazit

Die Welt der elektrischen Frequenzen ist vielfältiger, als es der Blick auf die heimische Steckdose vermuten lässt. Die 16,7 Hz der deutschen Bahn sind ein faszinierendes Relikt aus der Pionierzeit der Elektrotechnik, das sich aufgrund der enormen Investitionen in die Infrastruktur bis heute gehalten hat. Sie sind ein lebendiges Beispiel dafür, wie historische technische Entscheidungen die Gegenwart prägen.

Im internationalen Vergleich zeigt sich, dass Deutschland, Österreich, die Schweiz und Skandinavien mit diesem System einen Sonderweg gegangen sind, während sich der Großteil der Welt für das einfachere und kostengünstigere 25-kV-50-Hz-System entschieden hat. Die daraus resultierende Notwendigkeit der Mehrsystemfähigkeit stellt hohe technische Anforderungen an moderne Züge.

Darüber hinaus offenbart ein Blick in die Industrie und Technikgeschichte eine ganze Palette weiterer Sonderfrequenzen – von 25 Hz in den USA bis zu mehreren tausend Hertz in Induktionsöfen und Flugzeugen. Diese Vielfalt zeigt, dass die Frequenz von 50 Hz zwar ein sinnvoller Kompromiss für die allgemeine Stromversorgung ist, für spezifische technische Anforderungen jedoch oft Anpassungen notwendig sind. Dank moderner Leistungselektronik lassen sich diese Anforderungen heute flexibel und effizient erfüllen, ohne dass für jede Anwendung ein eigenes Stromnetz errichtet werden muss.

Quellen

Die Informationen in diesem Artikel basieren auf allgemein zugänglichem technischem und historischem Wissen sowie auf folgenden Quellen:

• Allgemeine Elektrotechnik: Grundlagenwerke zur Wechselstromtechnik und zur Geschichte der Elektrizität.
• Bahnstromtechnik: Fachpublikationen der Deutschen Bahn AG, Informationen des Eisenbahn-Bundesamtes, Veröffentlichungen von Bahnstrom-Experten (z.B. aus dem Umfeld der Technischen Universitäten mit Eisenbahnwesen).
• DIN 40005 (1969): „Nennfrequenzen für elektrische Anlagen und Betriebsmittel“ (historische Norm, heute zurückgezogen, aber als Beleg für die historische Vielfalt wertvoll).
• Internationale Eisenbahnverbände (UIC): Veröffentlichungen zu den verschiedenen Bahnstromsystemen in Europa und weltweit.
• Fachartikel: Diverse Artikel in Fachzeitschriften wie „Elektrische Bahnen“, „Der Eisenbahningenieur“ und „ETZ Elektrotechnik + Automation“.