Im Rahmen eines Bremsvorgangs muss die kinetische Energie der Wagenzugmasse durch das Zusammenspiel verschiedener Bremssysteme abgeführt werden. Während früher üblicherweise allein mechanische Druckluftbremsen betreffende Bewegungsenergie in Wärme umwandelten, indem sie sich die Reibung zwischen Bremsklotz und Rad zunutze machten, stehen heute verschleißfreie sowie in zunehmendem Maße auch regenerative Verzögerungssysteme im Vordergrund. Bei dem - aus energetischer Sicht - veralteten Prinzip der elektrischen Widerstandsbremsung dient im Falle von Triebfahrzeugen mit (diesel-)elektrischer Traktion der vorhandene Fahrmotor als Generator. Die dabei entstehende elektrische Energie erfährt über Bremswiderstände eine Umwandlung in normalerweise nicht genutzte Wärmeenergie [JaRe08, S. 341f.]. Dahingegen wird bei den modernen elektrodynamischen Netz- oder Nutzbremsen der während eines Verzögerungsvorgangs erzeugte Strom in den Fahrdraht zurückgespeist. Diese sogenannte Rekuperation stellt einen regenerativen Vorgang dar, welcher erst mit der Einführung triebfahrzeugseitiger Leistungselektronik realisiert werden konnte [SiGe04, S. 9].

Die Energierückspeisungsfunktionalität ist bei Elektrotriebfahrzeugen bereits heute gängige Praxis. Dabei werden Motoren (diesel-)elektrischer Traktionen während eines Verzögerungsvorgangs als Generator verwendet, sodass sich die gewonnene elektrische Energie in den Fahrdraht rückübertragen lässt. Bei diesem Vorgang werden verschiedene Netzrückspeisetechnologien verwendet. Besonders geeignet sind Wechselstromnetze, da bei Gleichstrombahnen Rückspeiseprozesse (Rekuperation) höhere Kosten und geringere Energieeinsparquoten aufweisen [Ford07]. Fallen allerdings zu hohe Rückspeiseströme an, wird die überschüssige Bremsenergie oft in Form von ungenutzter thermischer Energie freigesetzt.

Um in Wechselstromnetzen Überschüsse aus der Rekuperation dennoch nutzbar zu machen, kann auf streckenseitige Speichersysteme zurückgegriffen werden. Energie, die durch bremsende Fahrzeuge in das Stromnetz eingespeist und nicht von anfahrenden oder sich in einer Steigung befindlichen Lokomotiven oder Triebwagen abgenommen wird, lässt sich somit stationär zwischenspeichern. Mögliche ortsfeste Energiespeicherlösungen sind im Wesentlichen Schwungräder und Doppelschichtkondensatoren [StJo08; Bomb10a].

Bei Dieselfahrzeugen ist dagegen lediglich eine Bremsenergienutzung möglich, wenn hierfür transportable Energiespeicher mitgeführt werden. Ein Vorteil mobiler Speicher ist dabei die Stabilisierungseigenschaft von on-board Energiespeichereinheiten, um Fahrdrahtfluktuationsspannung auszugleichen [STEI07a].
Allgemein schein eine Hybridlösung aus Energiespeicher und Oberleitungselektrolokomotiven für die Langzeitplanung eine gute Alternative zu Diesel betriebenen Konzepten zu sein, allein aufgrund der Möglichkeit, den Zugbetrieb in der Zukunft global und lokal komplett Kohlenstoffdioxid-frei zu gestalten [DBIA14].

Die Einsatzfelder für bordeigene Zwischenspeichersysteme sind vielseitig. Neben dem Einsatz in Dieselfahrzeugen, bei denen nicht nur Energieeinsparungen, sondern auch kurze emissionsfreie Fahrten auf sensiblen Streckenabschnitten möglich werden, kann sich die Installation fahrzeugseitiger Speicherlösungen auf elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen des Stadt- und Regionalverkehrs ebenfalls als sinnvoll erweisen. Neben geringeren Verlusten im Vergleich zur Netzeinspeisung (vergleiche [Hope06; StSc06]) erlaubt der fahrzeugeigene Energiespeicher auf ausgewählten Teilstrecken einen fahrleitungsunabhängigen Betrieb. Dies kann insbesondere in historischen Innenstädten von Interesse sein, deren visueller Eindruck nicht durch eine Oberleitungsinfrastruktur getrübt werden soll. Aber auch emissionssensible Bereiche wie Innenstädte, Tunnel und Bahnsteige können durch mobile Stromspeicher entlastet werden. Die höchste Anforderung an die Energiespeichersysteme besteht auf Streckenabschnitten ohne Fahrleitung, da hier keine Rückfallebene zur Verfügung steht [DBIA14].

Nach Angaben des Deutsche Bahn AG Konzern betragen die Einsparpotenziale im Schienenverkehr durch die Rückspeisung von Bremsenergie bis zu 13 Prozent. Die größte Energieersparnis wird im Schienenpersonennahverkehr erzielt [DBAG13y]. Die Bombardier Transportation GmbH gibt dagegen für ihr Doppelschichtkondensatoren-System MITRAC Energy Saver, welches mittlerweile in knapp 20 Straßenbahnen im Rhein-Neckar-Raum zum Einsatz kommt, jahreszeitabhängige Reduktionseffekte von 27 bis 30 Prozent der aufzuwendenden Traktionsenergie an [StSc06; Sief10].

In Abhängigkeit der jeweils vorherrschenden Zugfolgedichte und Abschnittslänge variiert hier die netzseitige Aufnahmefähigkeit rekuperierter Bremsenergie, sodass sich z. B. auf hoch frequentierten Stadtbahnstrecken zu Hauptverkehrszeiten umfangreichere Einspareffekte generieren lassen als entlang ausgedehnter Unterwerksbereiche mit geringer Verkehrsbelastung in suburbanen Gebieten. Zudem gilt für beide Stromnetzarten, dass die Rückspeisequote, d. h. das Verhältnis zwischen genutztem und rückgespeistem Fahrstrom, auch von der Achslast der elektrisch gebremsten Achsen und dem Zuggewicht abhängig ist [Ford07, S. 430 f.; SiLe13, S. 30 f.; Leis11, S. 145 ff.].

Dennoch kann es in Wechselstromnetzen durchaus vorkommen, dass überschüssiger Rückspeisestrom in Wärme umgewandelt und somit ungenutzt freigesetzt werden muss. Um den entsprechenden zeitlich und örtlich begrenzten Stromüberschuss gewinnbringend einsetzen zu können, lassen sich streckenseitig ortsfeste Energiespeicher installieren. Dafür eignen sich insbesondere Doppelschichtkondensatoren oder Rotationsspeicher, da diese in der Lage sind, gegenüber Batterien vergleichsweise hohe Leistungen bei Ladung und Entladung zu erzielen. Rotationsspeicher finden z. B. bei der Hamburger Hochbahn AG (HOCHBAHN) oder der Städtischen Verkehrsbetriebe Zwickau GmbH Anwendung, die überschüssige Energie aus dem Gleichstromnetz zwischenspeichert [StJo08, Bomb10a, Hanz11; ross06, S. 12]. Ortsfeste Speichertechnologien im Gleichstromsystem können eine reversierbare Schaltanlagentechnik beinhalten. Neben der Nutzung gewonnener Rekuperationsenergie für Schienenanwendungen ist dann auch die Rückspeisung in örtliche Stromversorgungsnetze möglich [IBA10].

Auch onboard Energiespeichersysteme sind eine Alternative vor allem für Gleichstromsysteme. Dabei werden Teile der produzierten Energie zurück in die Oberleitung gespeist, während überschüssige Energie, die nicht sofort von einem anderen System gebraucht wird, in Energiespeichersystemen im Triebwagen gespeichert wird. Die Energie kann dann zu einem späteren Zeitpunkt direkt verbraucht oder bei Bedarf ebenso in die Oberleitung gespeist werden. Verfügbare Technologien sind Elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC), Schwungräder, Batterien, sowie neuartige Technologien wie z.B. supraleitende Spulen (SMES). Die Grundanforderungen sind eine hohe Anzahl an Belastungszyklen (100.000-300.000 per Jahr), hohe Leistungsspitzen und eine Entladungsleistung zwischen 0,1 und 10 MW [GONZ13].

Abbildung 1 zeigt die Entwicklung des Bestands an elektrischen DB-Triebfahrzeugen ohne und mit Rückspeisefähigkeit seit 2007. Der Deutsche Bahn AG Konzern (DB AG) hat sämtliche Fernverkehrszüge, mit Ausnahme einiger weniger Altbaulokomotiven, mit der notwendigen Technologie zur Energierückgewinnung ausgestattet. Nennenswertes Potenzial verbleibt speziell im gegenwärtig noch mit Wendezügen durchgeführten Regionalverkehr. Von besonderer Bedeutung sind dabei vergleichsweise schwere Doppelstockwagenzüge, die in großer Anzahl weiterhin durch Lokomotiven mit Gleichstrommotor und Widerstandsbremse traktioniert werden.

2015 wurden von der DB AG 1219 GWh Energie ins Bahnstromnetz zurückgespeist. Dies entspricht in etwa 13 Prozent des gesamten Energiebedarfs des Unternehmens [DBAG13y, S. 126].

Durch die Nutzung der Rückspeiseoption in Kombination mit Energiespeichersystemen können folgende Vorteile geschaffen werden [GONZ13]:

Insbesondere im Nahverkehr mit Dieselfahrzeugen, deren Betrieb durch einen häufigen Wechsel von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen gekennzeichnet ist, wird heutzutage viel Energie in Wärme anstatt in Antriebsleistung umgewandelt. Energiespeicherlösungen können in diesem Einsatzfeld Einsparungseffekte von 10 bis 45 Prozent erzielen, da mit deren Hilfe die Bremsenergie nahezu vollständig genutzt werden kann [SöZu07; GONZ13].

Schienenfahrzeugseitig lassen sich prinzipiell drei unterschiedliche Speichertechnologien differenzieren [Ditt10; StJo08]:

Die vorgenannten Technologien unterscheiden sich maßgeblich hinsichtlich ihrer Energiedichte und ihrer Leistungsdichte. Moderne Lithium-Ionen-Batterien können zwar die meiste Energie pro Kilogramm speichern, Doppelschichtkondensatoren jedoch mehr Leistung abgeben, wenn diese gefordert ist. Vor allem Dieselhybridtechnologien mit Lithium-Ionen-Batterien und Doppelschichtkompensatoren scheinen daher die besten Energiespeicherpotenziale zu bieten [Bomb09] [MEIN15] Die zur Nutzung empfohlene Technologie unterscheidet sich dabei je nach Ansprüchen, welche aus dem operativen Verkehrsbetrieb hervorgehen [Hanz11, S. 33 ff.].

Hinsichtlich einer Verwendung der wiedergewonnenen Energie sind mehrere Betriebsmodi (Abbildung 2) denkbar [Witt02; SöZu07; GONZ13]: 

Im Hinblick auf eine systemspezifische Wirtschaftlichkeitsrechnung sind den Investitionen in die Energiespeicher Aufwandssenkungen entgegenzustellen, welche aus Treibstoff- beziehungsweise Energieverbrauchs- und/oder Fahrzeitreduktionen resultieren. Für die Elektrotraktion sind - nach Herstellerangaben - beispielsweise jährliche Einsparungen bei der Traktionsenergie zwischen 30.000 EUR (Stadtbahn) und 150.000 EUR (U-Bahn) möglich [BOMB08].

Seit September 2003 werden bei der Mannheimer MVV Verkehr AG im täglichen Fahrgastverkehr Stadtbahnen mit dem MITRAC Energy Saver eingesetzt (Abbildung 3). Das von Bombardier Transportation entwickelte System erzielte jahreszeitabhängige Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent [Sief10]. Für die ersten 2,5 Betriebsjahre konnte ein störungsfreier Betrieb attestiert werden [StSc06; Hope06]. Ist eine Stadtbahn mit zwei Geräten des Systems ausgestattet, kann sie über eine Distanz von 1.000 Metern allein mittels der zusätzlichen Energiequelle weiterfahren. Die MITRAC Energy Saver Lösung funktioniert auf rein elektrischer Basis und ist daher nach Herstellerangaben wesentlich weniger wartungsintensiv und sicherer als mechanische Speicher, wie beispielsweise Schwungräder [StSc06; SöZu07]. Im Jahr 2009 gingen bei der Rhein-Neckar-Verkehr GmbH (RNV) in Heidelberg zunächst sechs Niederflur-Gelenktriebwagen mit dieser Energiespeichertechnik in den Regelbetrieb, bis Mitte 2010 folgten dann weitere 13 Fahrzeuge. Wiederum 12 Fahrzeuge sind bestellt und gehen ab 2013 für die RNV in Mannheim in Betrieb [Uhle10].

Der spanische Hersteller Construcciones y Auxiliar de Ferrocarrile (CAF) produziert seit 2004 den Urbos, ein Niederflur-Gelenktriebwagen. Mit dem Urbos 3 besteht die Möglichkeit ein "Acumulador de Carga Rápida (ACR) also einen Superkondensator für oberleitungsfreie Abschnitte zu installieren. Der Superkondensator stellt eine Weiterentwicklung eines Doppelschichtkondensators dar. Er wird in dieser Anwendung innerhalb von 20 Sekunden im Haltestellenbereich geladen. Auch in Freiburg im Breisgau, als erste und einzige Stadt in Deutschland, kommen diese Bahnen zum Einsatz, jedoch ohne die ACR-Technologie [BAZ13]. Die ACR-Technologie wurde mit der Urbos 2 im spanischen Sevilla gestestet [TYK11].

Bei sogenannten Schwungradenergiespeichern handelt es sich um eine schnell rotierende Scheibe, welche mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist. Bremst das Fahrzeug, so treibt die freiwerdende überschüssige Energie die Schwungradscheibe an. Dabei wird elektrische Energie über den Motor in Rotationsenergie umgewandelt. Umgekehrt kann die Maschine des Schwungrades als Generator dienen und bei Bedarf Strom an den Fahrmotor abgeben. Neben erfolgreichen Anwendungen im Straßenbahnbereich wurde schwungradgestützte Rekuperation von Bremsenergie auch im LIREX (Leichter und Innovativer RegionalExpress), einem Innovationszug des Deutsche Bahn AG Konzern zur Anwendung gebracht [Mini00]. Dieses Fahrzeug fand keine Serienanwendung, gegenwärtig wird jedoch ein weiteres Projekt verfolgt, in dessen Rahmen die Diesel-Nahverkehrstriebwagen Siemens Desiro mit Energiespeichern aufgerüstet werden [Kett11]. Seit 2014 wird in der Citadis tram in Rotterdam ein Schwungradspeicher getestet. Das Schwungrad ist nach dem Williams Schema von 2009 konstruiert, welches aus Verbundmaterialien besteht und somit sicherer als ein Schwungrad aus Metall ist. Durch das geringere Gewicht kann dieses somit auch in dem Dachkonstrukt installiert werden [RGA13].

In Nizza ist seit 2007 ein entsprechendes Batteriesystem in CITADIS Niederflurstraßenbahnen von Alstom Transport eingebaut und im Fahrgasteinsatz; in Paris wird das Konzept seit 2009 getestet [Leno07; SöZu07]. Kawasaki testet derzeit eine oberleitungsfreie Stadtbahn Swimo in der japanischen Stadt Sapporo. Die Kawasaki Gigacell Nickel-Metallhydrid-Batterien können innerhalb von 5 Minuten komplett aufgeladen werden und reichen auf einer Streckendistanz von bis zu 10 km [TYK11]. Abbildung 4 stellt das Energiemanagement auf Triebfahrzeugen mitgeführter Speichersysteme schematisch dar.