Das Ergebnis eines Energieeffizienzvergleiches von Diesel- und Elektrotraktion ist stark abhängig vom jeweils vorliegenden Energiemix. Bei Betrachtung der Gesamtkette von Energiebereitstellung und Fahrzeugantrieb (Well-to-Wheel, kurz WtW) kann für deutsche Eisenbahnbetriebe festgestellt werden, dass der Wirkungsgrad von Elektrotraktionen heutzutage bei bis zu 43 Prozent liegt [Simo13, S. 38]. Entscheidende Einflussgröße sind hierbei die thermischen Verluste. Länder mit hohem Wasserkraftanteil wie die Schweiz, Österreich und Norwegen erzielen naturgemäß bessere Werte; Dänemark sowie Frankreich, durch eine vergleichsweise starke Kernkraftquote geprägt, schneiden schlechter ab.

Die Gesamtenergieeffizienz von Dieseltriebfahrzeugen bleibt hingegen mit 21 Prozent noch erheblich hinter jener der Elektrotraktion zurück. Insgesamt kann hier nach wie vor von der überschlägigen Annahme ausgegangen werden, dass "[] die Endenergie ab Tank je zu einem Drittel in die Abgase, in die Kühlanlage und in den Antrieb geht" [Behm07]. Das beschriebene Verhältnis zwischen Elektro- und Dieseltraktion wird von weiteren Veröffentlichungen bestätigt: "In terms of primary energy, which takes into account energy conversion and losses of electricity, the electric train is 25% more energy efficient than the diesel train per unit of transportation activity" [EUKOM08b]. Abbildung 1 visualisiert am Beispiel des Deutsche Bahn AG Konzern (DB AG) qualitativ im Rahmen der traktionsspezifischen Energieketten auftretende Effizienzverluste.

Der Allianz pro Schiene e. V. skizziert wesentliche Problemfelder der herkömmlichen fahrdrahtgestützten Elektrotraktion, welche Eisenbahnverkehrsdienstleister in einzelnen Marktsegmenten weiterhin dazu bewegen, Dieseltriebfahrzeuge trotz offensichtlicher Effizienznachteile auch über vergleichsweise große Distanzen im Hauptlauf einzusetzen. Hinsichtlich der Gesamtkostenstruktur ist zwar der elektrische Betrieb grundsätzlich günstiger, jedoch erfordert die Elektrifizierung von Bahnstrecken hohe Investitionen und liegt außerdem nicht in der Verantwortung der Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU). So finden sich vor allem Transporteure im Güterverkehrsbereich oft in einer Situation wieder, in der sie eine Verkehrsleistung zwischen zwei Bahnhöfen beziehungsweise Gleisanschlüssen erbringen sollen, die nicht elektrifiziert sind, obwohl der Großteil der Strecke unter Fahrdraht verläuft. Für kleinere EVU ist die Vorhaltung von Lokomotiven beider Traktionsarten oft nicht möglich, sodass auch über längere Distanzen in Dieseltraktion gefahren wird. Im Schienenpersonennahverkehr kann es hingehen sinnvoll sein, mit Dieseltriebwagen teilweise auch elektrifizierte Strecken zu befahren, um durchgehende Linien zu bilden. Das gilt vor allem für kleine private Bahnunternehmen, denen es oft nicht möglich ist beide Traktionslokomotiven an all den betroffenen Standorten bereitzustellen [APS05e].

Eine zukunftsweisende Entwicklung stellen die sogenannten Hybridlokomotiven dar, welche sowohl über Elektro- als auch Dieseltraktion verfügen. So sind solche Triebfahrzeuge beispielsweise seit 2011 in den USA im Personenverkehr im Einsatz [Baur11]. Mit der Vorstellung der dritten TRAXX-Generation im Herbst 2011 bietet Bombardier diese Technologie mittlerweile auch im deutschsprachigen Raum an und seit 2014 ist eine Bombardier TRAXX bei der Südostbayernbahn im Einsatz [BOMB14]. In Zusammenarbeit mit der MTU Friedrichshafen entwickelt auch die DB im Rahmen eines vom Bund gestarteten Pilotprojektes ein Schienenfahrzeug mit Hybridantrieb. Damit sollen bis zu 25 Prozent der Kohlenstoffdioxid-Emissionen gesenkt werden. In Kombination mit emissionsarmen Klimaanlagen wird mit Energieeinsparungen von bis zu 35 Prozent gerechnet [DBAG13y]. In 2016 verkündete die Deutsche Bahn, dass in einem weiteren Pilotprojekt in Zusammenarbeit mit Toshiba 300 alte Diesellokomotiven aus den 1970ern als Hybridfahrzeuge umgerüstet werden sollen. Die Testphase des Projekts wird auf 2017 bis 2019 angesetzt. Es wird eine Kohlenstoffdioxid-Emissionseinsparung von bis zu 20 Prozent erwartet [FEND16].

Generell muss jedoch beachtet werden, dass die Leistungsfähigkeit eines Hybridantriebs, insbesondere bezüglich der bislang in Batterien geringen erzielbaren Energiedichte und der daher notwendigen Dimensionen der Batterien, noch in den Kinderschuhen steckt. Langfristig wird davon ausgegangen, dass die Elektrotraktion in Europa stark an Gewicht gewinnt (Abbildung 2), vor allem mit fortschreitender Entwicklung der Batteriespeicherkapazität und energiedichte [KACH13]. Nichtsdestotrotz bietet die Hybridlok entscheidende Vorteile: Es können auch Strecken befahren werden, die nicht vollständig elektrifiziert sind. Gegebenenfalls kann dies zukünftig auch bei vollelektrischen Loks gegeben sein, die einen hinreichend großen Energiespeicher vorweisen. [Top24] DB-Cargo hat in 2023 rund 300 Rangier- und Zweikraft-Loks für DB-Cargo im Zulauf. Langfristig sollen rund 900 Dieselloks dadurch ersetzt werden. [DBC22]