Sachverhalt:
A.
Der Bundesrat verabschiedete anlässlich seiner Sitzung vom 30. August 2017 das Netznutzungskonzept zum Ausbauschritt 2025 der Eisenbahninfrastruktur.
Gestützt auf dieses Netznutzungskonzept erstellten die Infrastrukturbetreiberinnen die Netznutzungspläne für die Fahrplanjahre 2019, 2021 und 2024 und unterbreiteten diese dem Bundesamt für Verkehr (BAV), das die Netznutzungspläne mit Allgemeinverfügung vom 15. Januar 2018 genehmigte und am 30. Januar 2018 im Bundesblatt veröffentlichte (vgl. BBl 2018 582).
Mit Allgemeinverfügung vom 10. Dezember 2018 genehmigte das BAV ebenso die von den Infrastrukturbetreiberinnen erstellten Netznutzungspläne für die Fahrplanjahre 2020, 2022 und 2023. Die Allgemeinverfügung wurde am 18. Dezember 2018 im Bundesblatt veröffentlicht (vgl. BBl 2018 7814).
B.
B.a. Mit gemeinsamer Eingabe vom 27. Februar 2018 erhoben der Kanton Zürich, der Zürcher Verkehrsverbund (ZVV) und die Stadt Bülach gegen die Allgemeinverfügung vom 15. Januar 2018 Beschwerde beim Bundesverwaltungsgericht (Verfahren A-1216/2018).
Sie beantragten in der Sache die Aufhebung der Allgemeinverfügung vom 15. Januar 2018, soweit darin der S-Bahnlinie 3 (S 3) in den Hauptverkehrszeiten (6:00-9:00 Uhr; 16:00-19:00 Uhr) im Abschnitt Zürich Hardbrücke-Bülach für die Jahre 2019, 2021 und 2024 und der S-Bahnlinie 23 (S 23) in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich-Winterthur für die Jahre 2021 und 2024 kein Halbstundentakt gesichert wurde.
Mit Verfügung vom 11. Juni 2018 sowie mit Zwischenverfügung vom 5. September 2018 wurden die SBB Cargo AG, die SBB Cargo International AG, die BLS Cargo AG und die HUPAC Intermodal SA zum bundesverwaltungsgerichtlichen Verfahren A-1216/2018 beigeladen.
B.b. In prozessualer Hinsicht verlangten der Kanton Zürich, der Zürcher Verkehrsverbund (ZVV) und die Stadt Bülach, das BAV sei im Sinne einer vorsorglichen Massnahme anzuweisen, dem Zürcher Verkehrsverbund (ZVV) ab dem 9. Dezember 2018 (Fahrplanwechsel 2019) für die Dauer des bundesverwaltungsgerichtlichen Verfahrens die Benutzung der Trassen im Abschnitt Zürich Hardbrücke-Bülach (S 3) im Halbstundentakt zu ermöglichen.
Mit Zwischenverfügung vom 5. Juli 2018 hiess das Bundesverwaltungsgericht den prozessualen Antrag gut und sicherte dem Personenverkehr ab dem 9. Dezember 2018 bis zu seinem Urteil in der Sache die für den Halbstundentakt in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich Hardbrücke-Bülach (S 3) erforderliche Anzahl Trassen als Mindestkapazität zu.
Das Bundesgericht wies mit Urteil 2C_645/2018 eine gegen diese Zwischenverfügung vom 5. Juli 2018 erhobene Beschwerde des Eidgenössischen Departements für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation am 28. September 2018 ab, soweit es darauf eintrat.
B.c. Mit gemeinsamer Eingabe vom 15. Januar 2019 erhoben der Kanton Zürich, der Zürcher Verkehrsverbund (ZVV) und die Stadt Bülach ebenfalls gegen die Allgemeinverfügung vom 10. Dezember 2018 Beschwerde beim Bundesverwaltungsgericht (Verfahren A-287/2019).
In der Sache beantragten sie die Aufhebung der Allgemeinverfügung vom 10. Dezember 2018, soweit darin der S-Bahnlinie 3 (S 3) in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich Hardbrücke-Bülach für die Jahre 2020, 2022 und 2023 und der S-Bahnlinie 23 (S 23) in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich-Winterthur für die Jahre 2020, 2022 und 2023 kein Halbstundentakt gesichert wurde.
Mit Zwischenverfügung vom 14. Februar 2019 lud das Bundesverwaltungsgericht die SBB Cargo AG, die SBB Cargo International AG, die BLS Cargo AG und die HUPAC Intermodal SA zum bundesverwaltungsgerichtlichen Verfahren A-287/2019 bei.
B.d. Mit Urteil vom 21. Mai 2019 vereinigte das Bundesverwaltungsgericht die bundesverwaltungsgerichtlichen Verfahren A-1216/2018 und A-287/2019 und hiess die beiden Beschwerden gut.
Es hob die Allgemeinverfügungen vom 15. Januar 2018 und 10. Dezember 2018 betreffend Genehmigung der Netznutzungspläne für die Jahre 2019 bis 2024 insoweit auf, als für die Jahre 2019 bis 2024 der S 3 in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich Hardbrücke-Bülach sowie für die Jahre 2020 bis 2024 der S 23 in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich-Winterthur jeweils kein Halbstundentakt gesichert wurde.
Sodann wies es das BAV an, die Netznutzungspläne für die Jahre 2019 bis 2024 (soweit nötig) insofern anzupassen, damit dem regionalen Personenverkehr die für den Halbstundentakt in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich Hardbrücke-Bülach (S 3) erforderliche Anzahl Trassen als Mindestkapazität gesichert werde. Dies erforderte die Zuteilung der einzigen dem Güterverkehr während den Hauptverkehrszeiten gesicherten Trasse an den regionalen Personenverkehr. Im Weiteren seien die Netznutzungspläne für die Jahre 2020 bis 2024 insofern anzupassen, damit dem regionalen Personenverkehr die für den Halbstundentakt in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich-Winterthur (S 23) erforderliche Anzahl Trassen als Mindestkapazität, verbunden mit der Bedingung der genügenden Kapazität im Bahnhof Winterthur, gesichert werde.
C.
C.a. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 26. Juni 2019 (Verfahren 2C_614/2019) gelangt das Eidgenössische Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (nachfolgend: UVEK) an das Bundesgericht. Es beantragt die Aufhebung des Urteils vom 21. Mai 2019 und die Bestätigung der Allgemeinverfügungen des BAV vom 15. Januar 2018 und 10. Dezember 2018 betreffend die Genehmigungen der Netznutzungspläne für die Fahrplanjahre 2019 bis 2024. Eventualiter sei die Sache zur neuen Beurteilung und Entscheidung im Sinne der Erwägungen an die Vorinstanz oder das BAV zurückzuweisen.
C.b. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 27. Juni 2019 (Verfahren 2C_623/2019) gelangen die SBB Cargo AG, die SBB Cargo International AG, die BLS Cargo AG und die HUPAC Intermodal SA (nachfolgend: Beschwerdeführerinnen) gemeinsam an das Bundesgericht. Sie beantragen die Aufhebung des Urteils vom 21. Mai 2019 und die Bestätigung der Allgemeinverfügungen des BAV vom 15. Januar 2018 und 10. Dezember 2018 betreffend die Genehmigung der Netznutzungspläne für die Fahrplanjahre 2019 bis 2024. Eventualiter sei die Sache zur neuen Beurteilung und Entscheidung im Sinne der Erwägungen an die Vorinstanz oder das BAV zurückzuweisen.
C.c. Die Vorinstanz verzichtet je auf eine Vernehmlassung. Der Kanton Zürich, der Zürcher Verkehrsverbund (ZVV) und die Stadt Bülach (nachfolgend: Beschwerdegegner) lassen sich mit gemeinsamer Eingabe vom 19. August 2019 in beiden Verfahren vernehmen und beantragen die Abweisung der beiden Beschwerden, soweit darauf eingetreten werde.
Der Präsident der Abteilung weist mit Verfügungen vom 21. August 2019 die Gesuche um aufschiebende Wirkung sowohl im Verfahren 2C_614/2019 als auch im Verfahren 2C_623/2019 ab.
Das UVEK repliziert mit Eingabe vom 11. November 2019 im Verfahren 2C_614/2019. Die Beschwerdeführerinnen replizieren mit Eingabe vom 11. Oktober 2019 im Verfahren 2C_623/2019. Daraufhin duplizieren die Beschwerdegegner mit gleicher Eingabe vom 5. Februar 2020 in beiden Verfahren. In den Stellungnahmen wird jeweils an den gestellten Anträgen festgehalten.
Erwägungen:
1.
Das Bundesgericht prüft seine Zuständigkeit und die weiteren Eintretensvoraussetzungen von Amtes wegen (Art. 29 Abs. 1 BGG) und mit freier Kognition (vgl. BGE 141 II 113 E. 1 S. 116; Urteil 2C_196/2017 vom 21. Februar 2019 E. 1, nicht publ. in: BGE 145 II 49).
1.1. Die frist- (Art. 100 Abs. 1 BGG) und formgerecht (Art. 42 BGG) eingereichten Eingaben betreffen eine Angelegenheit des öffentlichen Rechts (Art. 82 lit. a BGG) und richten sich gegen ein verfahrensabschliessendes (Art. 90 BGG) Urteil des Bundesverwaltungsgerichts (Art. 86 Abs. 1 lit. a BGG). Die Rechtsmittel sind als Beschwerden in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten zulässig, da kein Ausschlussgrund (Art. 83 BGG) - namentlich nicht derjenige von Art. 83 lit. f bis BGG (vgl. Urteil 2C_645/2018 vom 28. September 2018 E. 1.1) - vorliegt.
1.2. Gemäss Art. 89 Abs. 2 lit. a BGG sind die Departemente des Bundes zur Beschwerde an das Bundesgericht berechtigt, wenn der angefochtene Akt die Bundesgesetzgebung in ihrem Aufgabenbereich verletzen kann. Das Beschwerderecht der Bundesbehörden dient dazu, den Vollzug des Bundesrechts in den Kantonen und in der Bundesverwaltung zu überwachen und dessen richtige und einheitliche Anwendung - wenn nötig letztinstanzlich durch das Bundesgericht - sicherzustellen. Ein darüber hinausgehendes spezifisches schutzwürdiges (öffentliches) Interesse setzt das Beschwerderecht der Bundesbehörden nicht voraus (vgl. BGE 142 II 324 E. 1.3.1 S. 326; 136 II 359 E. 1.2 S. 363; 135 II 338 E. 1.2.1 S. 341 f.; Urteil 2C_534/2019 vom 4. Februar 2020 E. 1.2.1.1, zur Publikation vorgesehen).
Zuständig für die umstrittene Genehmigung von Netznutzungsplänen ist gemäss Art. 9b Abs. 3 des Eisenbahngesetzes vom 20. Dezember 1957 (EBG; SR 742.101) das BAV, das im Sinne von Art. 2 Abs. 2 des Regierungs- und Verwaltungsorganisationsgesetzes vom 21. März 1997 (RVOG; SR 172.010) dem UVEK zugehört (vgl. auch Art. 43 RVOG; Anhang 1 lit. B Ziff. VII 1.2 der Regierungs- und Verwaltungsorganisationsverordnung vom 25. November 1998 [RVOV; SR 172.010.1]; Art. 6 der Organisationsverordnung vom 6. Dezember 1999 für das Eidgenössische Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation [OV-UVEK; SR 172.217.1]). Die Genehmigung von Netznutzungsplänen bewegt sich damit im Sinne von Art. 89 Abs. 2 lit. a BGG im Aufgabenbereich des UVEK als übergeordneter Verwaltungsbehörde des BAV. Das UVEK ist folglich zur Erhebung des Rechtsmittels legitimiert. Auf die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten im Verfahren 2C_614/2019 ist einzutreten.
1.3. Die Beschwerdelegitimation der Beschwerdeführerinnen beurteilt sich nach Art. 89 Abs. 1 BGG. Die Beschwerdeführerinnen sind den bundesverwaltungsgerichtlichen Verfahren beigeladen worden. Die Vorinstanz auferlegt den Beschwerdeführerinnen die vorinstanzlichen Verfahrenskosten zu gleichen Teilen sowie unter solidarischer Haftung und spricht den Beschwerdegegnern eine Parteientschädigung zu, die ebenfalls von den Beschwerdeführerinnen zu gleichen Teilen sowie unter solidarischer Haftung zu vergüten ist. Die Vorinstanz behandelt die Beschwerdeführerinnen - obwohl als Beigeladene bezeichnet - mithin als die unterliegenden Parteien (vgl. Art. 37 des Bundesgesetzes vom 17. Juni 2005 über das Bundesverwaltungsgericht [Verwaltungsgerichtsgesetz, VGG; SR 173.32] i.V.m. Art. 63 Abs. 1 und Art. 64 Abs. 1 des Bundesgesetzes vom 20. Dezember 1968 über das Verwaltungsverfahren [Verwaltungsverfahrensgesetz, VwVG; SR 172.021]). Sodann berühren die Allgemeinverfügungen des BAV vom 15. Januar 2018 und 10. Dezember 2018 die Rechte der Beschwerdeführerinnen, womit sie ohne Weiteres als Parteien im Sinne von Art. 6 VwVG in Betracht fallen (vgl. auch Urteil 2C_373/2016 vom 17. November 2016 E. 2). Die Beschwerdeführerinnen haben folglich als Parteien im vorinstanzlichen Verfahren teilgenommen und sind dort mit ihren Anträgen nicht durchgedrungen (Art. 89 Abs. 1 lit. a BGG).
Ausserdem sind sie als Güter-Eisenbahnverkehrsunternehmen durch das angefochtene Urteil in ihren schutzwürdigen Interessen besonders berührt (Art. 89 Abs. 1 lit. b und lit. c BGG), da aufgrund des vorinstanzlichen Urteils und der damit einhergehenden Änderung der Netznutzungspläne auf der in Frage stehenden Strecke die einzige dem Güterverkehr während den Hauptverkehrszeiten gesicherte Trasse dem regionalen Personenverkehr zugeteilt wird (vgl. auch E. 6.4.1 und E. 7.3.4 hiernach). In der Folge ist eine Trasse pro Stunde und Richtung in den Jahren 2019 bis 2024 für den Güterverkehr nicht mehr gewährleistet, weswegen mindestens ein Güterzug nicht mehr verkehren kann. Die Beschwerdeführerinnen sind somit zur Erhebung des Rechtsmittels legitimiert. Auf die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten im Verfahren 2C_623/2019 ist einzutreten.
2.
Die beiden Verfahren 2C_614/2019 und 2C_623/2019 betreffen denselben Sachverhalt und es stellen sich die gleichen Rechtsfragen. Ferner richten sie sich gegen dasselbe Urteil vom 21. Mai 2019. Daher rechtfertigt es sich, die beiden Verfahren zu vereinigen (Art. 71 BGG i.V.m. Art. 24 BZP [SR 273]; vgl. Urteile 2C_1021/2016 und 2D_39/2016 vom 18. Juli 2017 E. 4, nicht publ. in: BGE 143 II 553; 2C_850/2014 und 2C_854/2014 vom 10. Juni 2016 E. 1, nicht publ. in: BGE 142 II 388).
3.
Mit der Beschwerde kann namentlich die Verletzung von Bundesrecht gerügt werden (Art. 95 lit. a BGG). Das Bundesgericht wendet das Recht von Amtes wegen an (Art. 106 Abs. 1 BGG), wobei es - unter Berücksichtigung der allgemeinen Rüge- und Begründungspflicht (Art. 42 Abs. 2 BGG) - grundsätzlich nur die geltend gemachten Vorbringen prüft, sofern allfällige weitere rechtliche Mängel nicht geradezu offensichtlich sind (vgl. BGE 142 I 135 E. 1.5 S. 144; 133 II 249 E. 1.4.1 S. 254). Der Verletzung von Grundrechten geht das Bundesgericht nur nach, falls eine solche Rüge in der Beschwerde vorgebracht und ausreichend begründet worden ist (Art. 106 Abs. 2 BGG; vgl. BGE 143II 283 E. 1.2.2 S. 286; 139 I 229 E. 2.2 S. 232). Seinem Urteil legt es den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG).
4.
Gemäss Art. 87 BV ist die Gesetzgebung über den Eisenbahnverkehr Sache des Bundes. Gestützt auf diese Kompetenz regelt das Eisenbahngesetz den Bau und Betrieb von Eisenbahnen (vgl. Art. 1 Abs. 1 EBG).
4.1. Mit dem auf den 1. Januar 2017 in Kraft getretenen Art. 9b EBG wurde das bisherige System der Netznutzung und Kapazitätszuteilung im Eisenbahnverkehr grundlegend geändert. Die vormals gültige Prioritätenregelung zugunsten des vertakteten Personenverkehrs wurde durch das neutrale Instrument des Netznutzungskonzepts (nachfolgend: NNK) und die sich darauf abstützenden Netznutzungspläne (nachfolgend: NNP) ersetzt (vgl. Art. 9a Abs. 2 Satz 1 EBG [per 1. Januar 2017 aufgehoben]: "Bei der Gewährung des Netzzugangs hat der vertaktete Personenverkehr Vorrang."). Diese Systemänderung ist auf den gesetzgeberischen Willen zurückzuführen, die schweizerische Eisenbahninfrastruktur für die Personenbeförderung und den Gütertransport gleichberechtigt weiterzuentwickeln (vgl. Botschaft vom 30. April 2014 zur Totalrevision des Gütertransportgesetzes, BBl 2014 3827 ff. [nachfolgend: Botschaft GüTG], S. 3891). Der vertaktete Personenverkehr hat seither nur noch Vorrang, soweit freie Kapazitäten bestehen (vgl. Art. 9b Abs. 4 Satz 2 EBG).
4.2. Im NNK legt der Bundesrat die Anzahl der Trassen pro Modellstunde fest, die für jede Verkehrsart mindestens zu reservieren sind (vgl. Art. 9b Abs. 1 EBG; Art. 19a Abs. 1 der Verordnung vom 14. Oktober 2015 über die Konzessionierung, Planung und Finanzierung der Bahninfrastruktur [KPFV; SR 742.120]). Als Trasse gelten örtlich und zeitlich bestimmte Fahrwege (vgl. Art. 9a Abs. 4 EBG).
4.2.1. Das NNK unterscheidet bei der Trassennutzung nach den Verkehrsarten Personenverkehr, regionaler Personenverkehr, Gütertransport und weitere Verkehrsarten wie insbesondere den Autoverlad (vgl. Art. 19a Abs. 4 KPFV) und kann festlegen, dass ausgewählte Trassen als sogenannte Hybridtrassen wechselweise durch verschiedene Verkehrsarten genutzt werden können (vgl. Art. 19a Abs. 2 KPFV). Das NNK ist ein Instrument zur langfristigen Kapazitätssicherung (vgl. Botschaft GüTG, S. 3935). Bei Bedarf passt der Bundesrat das NNK den veränderten Bedingungen an (vgl. Art. 9b Abs. 2 EBG). Anpassungen von beschränkter Tragweite soll nach Art. 19c KPFV auch das BAV vornehmen können.
4.2.2. Die Festlegung des NNK erfolgt unter Berücksichtigung verschiedener Gesichtspunkte. Einzubeziehen sind gemäss Art. 9b Abs. 1 EBG namentlich die Zwecke der vom Bund, den Kantonen und den Privaten getätigten oder beschlossenen Investitionen für den Eisenbahnverkehr (lit. a), die Bedürfnisse nach abgestimmten Transportketten im Personenverkehr und im Gütertransport (lit. b), die Kapazitäten, die für die Befriedigung der erwarteten Nachfrage im Personenverkehr und im Gütertransport erforderlich sind (lit. c) sowie die Ermöglichung einer wirtschaftlichen Abwicklung des Personenverkehrs und des Gütertransports auf der Schiene (lit. d). Das NNK stützt sich dabei unter anderem auf die beschlossenen Ausbauschritte (vgl. Art. 19 KPFV) und ist für die Infrastrukturbetreiberinnen und die Behörden verbindlich (vgl. Art. 19b KPFV).
4.3. Die NNP werden von den Infrastrukturbetreiberinnen für jedes der sechs Jahre vor dem jeweiligen Fahrplanjahr erstellt. Sie konkretisieren darin das NNK und halten insbesondere die Verteilung der Trassen auf die Verkehrsarten im Tages- und Wochenverlauf fest (vgl. Art. 9b Abs. 3 EBG; sogenannte Sicherung der Trassenkapazität). Namentlich enthalten die NNP eine Netzgrafik (vgl. Art. 9a Abs. 1 der Eisenbahn-Netzzugangsverordnung vom 25. November 1998 [NZV; SR 742.122]) und insbesondere Angaben über die für die einzelnen Verkehrsarten in den Modellstunden reservierten Mindestkapazitäten und Kapazitäten für die nicht geplante Nachfrage (vgl. Art. 9a Abs. 1 lit. b und lit. d NZV). Sie bedürfen der Genehmigung durch das BAV (vgl. Art. 9b Abs. 3 EBG).
4.4. Die Zuteilung konkreter Trassenerfolgt durch die Infrastrukturbetreiberinnen im Rahmen eines diskriminierungsfreien Netzzugangs (vgl. Art. 9a Abs. 1 EBG; Art. 10 Abs. 1 NZV). Sie stützen sich auf den geltenden NNP (vgl. Art. 9b Abs. 4 Satz 1 EBG; Art. 12 Abs. 1 NZV). Soweit freie Kapazitäten bestehen, hat der vertaktete Personenverkehr Vorrang (vgl. Art. 9b Abs. 4 Satz 2 EBG). Will die Infrastrukturbetreiberin eine freigebliebene, für eine andere Verkehrsart reservierte Trasse für ein regelmässiges Angebot des Personenverkehrs zuteilen, bedarf sie einer Genehmigung des BAV (vgl. Art. 12 Abs. 3 NZV). Stehen Trassenanträge in Konflikt zueinander, sehen Art. 12c NZV und Art. 8 f. der Verordnung des BAV vom 14. Mai 2012 über den Eisenbahn-Netzzugang (NZV-BAV; SR 742.122.4) einen Mechanismus vor, der die Bestellkonflikte bei der Trassenzuteilung regelt.
5.
Gegenstand des vorliegenden Verfahrens ist die Reservierung - d.h. die Sicherung (vgl. E. 4.3 hiervor) - der erforderlichen Anzahl Trassen in den NNP zur Einführung des Halbstundentakts der S 3 auf dem Abschnitt Zürich Hardbrücke-Bülach in den Jahren 2019 bis 2024 (vgl. E. 6 und E. 7 hiernach) und der S 23 auf dem Abschnitt Zürich-Winterthur in den Jahren 2020 bis 2024 (vgl. E. 8 hiernach) jeweils während den Hauptverkehrszeiten zwischen 6:00 Uhr und 9:00 Uhr sowie zwischen 16:00 Uhr und 19:00 Uhr an den Wochentagen.
5.1. Mit Blick auf die S 3stellt die Vorinstanz in tatsächlicher Hinsicht fest, es sei unbestritten, dass durch die Genehmigung der NNP für die Jahre 2019 bis 2024 die erforderliche Anzahl Trassen als Mindestkapazität für den geplanten Halbstundentakt während den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich Hardbrücke-Bülach nicht gesichert werde, da die hierfür notwendige Trasse für den Güterverkehr reserviert worden sei (vgl. E. 10 des angefochtenen Urteils).
In rechtlicher Hinsicht geht die Vorinstanz davon aus, dass es bei einem Trassenkonflikt einer umfassenden Abwägung zwischen den Interessen der verschiedenen Verkehrsarten bedürfe, bevor eine Sicherung der Trassen erfolgen könne. Für die Kapazitätssicherung in den NNP mache das NNK Vorgaben (vgl. E. 10 des angefochtenen Urteils). Aus diesen Vorgaben ergäben sich keine Anhaltspunkte, dass das NNK die Einführung des Halbstundentakts der S 3 in den Hauptverkehrszeiten verunmögliche. Das BAV habe eine unvollständige und unzutreffende Beurteilung der Interessen vorgenommen (vgl. E. 11 des angefochtenen Urteils). Insgesamt sei den konkreten Nutzungsinteressen des regionalen Personenverkehrs ein höheres Gewicht beizumessen als denjenigen des Güterverkehrs, zumal der Personenverkehr aufgrund der Auslastung der Züge auch zeitlich stärker an die Nutzung der Trassen gebunden sei als der Güterverkehr. Für Letzteren bestehe je nach Art des Transports eine gewisse zeitliche Flexibilität, auch wenn diese mit Mehraufwand und -kosten verbunden sein könne. Zudem hätten die Beschwerdegegner während des gesamten, langjährigen und kostspieligen Planungsprozesses von einem Halbstundentakt der S 3 während den Hauptverkehrszeiten ausgehen dürfen (vgl. E. 12 des angefochtenen Urteils).
5.2. Mit Blick auf die S 23stellt die Vorinstanz in tatsächlicher Hinsicht fest, es sei unbestritten, dass entgegen der Darstellung im NNK durch die Genehmigung der NNP für die Jahre 2020 bis 2024 die erforderliche Anzahl Trassen als Mindestkapazität für den geplanten Halbstundentakt während den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich-Winterthur nicht gesichert - mithin die hierfür notwendige Trasse nicht für den regionalen Personenverkehr reserviert werde. Weiter sei anerkannt, dass kein Konflikt mit dem Güterverkehr bestehe, sondern primär ein technisches Problem die Zuteilung einer an sich unbestrittenen Trasse verhindere.
Aus rechtlicher Sicht sei nicht ersichtlich und werde vom BAV auch nicht näher begründet, weshalb auf der Ebene der NNP Trassen, die nicht fahrbar seien, nicht verbunden mit der Bedingung der Fahrbarkeit gesichert werden könnten. Es handle sich vorliegend um eine an sich unbestrittene Trasse und nicht um einen Trassenkonflikt zwischen verschiedenen Verkehrsarten. Vielmehr könne auf diese Weise dem Grundsatz der Verhältnismässigkeit entsprochen werden: Die Sicherung der im NNK vorgesehenen Trassen werde in den NNP nicht verweigert, sondern es werde stattdessen die mildere Alternative gewählt, indem die an sich unbestrittene Trasse unter der Bedingung der Fahrbarkeit gesichert werde (vgl. E. 14 des angefochtenen Urteils).
6.
Sowohl das UVEK als auch die Beschwerdeführerinnen machen geltend, die Vorinstanz nehme eine unzulässige und gesetzeswidrige Interessenabwägung auf der Ebene der NNP mit Blick auf die S 3vor.
6.1.
6.1.1. Nach Auffassung der Vorinstanz besteht in der vorliegenden Angelegenheit Raum für eine Interessenabwägung im Rahmen der Genehmigung der NNP. Bestünde aufgrund des Kriteriums der "Sicherung einer Mindestanzahl an Güterverkehrstrassen pro Stunde" für die Zuteilung der strittigen Trassen kein Spielraum mehr, hätte der Bundesrat diese Trassen bereits im NNK dem Güterverkehr zuteilen können. Mit den vorgesehenen Hybridtrassen im NNK habe er die Zuteilung an die Verkehrsart jedoch offengelassen und diese auf die nachgelagerte Ebene des NNP verschoben. Insofern habe sich der Bundesrat beim vorliegenden Trassenkonflikt nicht festgelegt und den Entscheid dem BAV im Rahmen der Genehmigung der NNP überlassen (vgl. E. 11.4 des angefochtenen Urteils).
6.1.2. Das UVEK macht geltend, das bundesrätliche NNK bilde den jeweiligen Zielzustand eines Ausbauschritts ab. Die darin gesicherten Trassen seien demnach erst im Endzustand des Ausbauschritts vorgesehen. Die als Hybridtrassen gesicherten Trassen wiesen im Zeitpunkt der Verabschiedung des NNK noch Konflikte auf. Bei der Genehmigung der NNP habe sich gezeigt, dass sich keine Lösung des Konflikts zwischen der Verdichtung der S 3 in den Hauptverkehrszeiten und der Mindestverkehrsmöglichkeit für den Gütertransportverkehr ergebe. Eine Interessenabwägung sei deshalb nicht möglich.
6.1.3. Die Beschwerdeführerinnen bringen vor, die Interessenabwägung gemäss Art. 9b Abs. 1 EBG sei bereits durch den Bundesrat bei der Festlegung des NNK erfolgt. Die Infrastrukturbetreiberinnen und das BAV hätten sich bei der Ausarbeitung und Genehmigung an die Vorgaben des NNK - insbesondere zur Kapazitätssicherung - gehalten. Damit bestehe kein Spielraum für eine zusätzliche vollumfängliche Interessenabwägung durch die Vorinstanz. Allfällige Mängel des NNK könnten nicht im Rahmen der Anfechtung der NNP vorgebracht werden.
6.1.4. Die Beschwerdegegner bestreiten nicht, dass beide Verkehrsarten grundsätzlich gleichgestellt worden seien. Indessen seien im NNK Hybridtrassen aufgeführt worden, da ein Konflikt zwischen dem Personen- und Güterverkehr in diesem Zeitpunkt noch nicht gelöst gewesen sei. Der Konflikt müsse zu einem späteren Zeitpunkt gelöst werden, was nichts anderes bedeuten könne, als dass nach Erlass des NNK noch ein Entscheidungsspielraum bestehe. Dieser Spielraum habe die Vorinstanz unter Berücksichtigung der Vorgaben aus dem NNK im Rahmen ihrer Interessenabwägung rechtmässig ausgeübt.
6.2. Zu beurteilen ist, ob auf der Ebene der NNP Raum für eine Interessenabwägung besteht.
6.2.1. Eine Interessenabwägung ist in erster Linie auf der Ebene des NKK durch den Bundesrat vorzunehmen. Dies ergibt sich aus den in Art. 9b Abs. 1 lit. a-d EBG genannten Kriterien, die bei der Festlegung der minimalen Anzahl zu reservierenden Trassen pro Verkehrsart im NNK zu berücksichtigen sind (vgl. E. 4.2.2 hiervor). Für die verschiedenen Verkehrsarten können die dort genannten Aspekte je für sich und auch im Verhältnis zu den übrigen Kriterien gegenläufige Anforderungen an das NNK stellen. Eine Interessenabwägung im Verhältnis zwischen den verschiedenen Verkehrsarten des Eisenbahnverkehrs ist auf der Planungsebene des NNK unumgänglich (vgl. Urteil 2C_645/2018 vom 28. September 2018 E. 3.4.2).
Das NNK ist für die Infrastrukturbetreiberinnen und die Behörden verbindlich (vgl. Art. 19b KPFV; vgl. auch Botschaft GüTG, S. 3935: "Für die Erarbeitung der Netznutzungspläne ist das Netznutzungskonzept verbindlich."). Dies gilt mithin auch für die im Rahmen der Ausarbeitung des NNK erfolgte Interessenabwägung.
6.2.2. Aus der Verbindlichkeit des NNK folgt, dass einerseits die durch die Infrastrukturbetreiberinnen zu erstellenden und durch das BAV zu genehmigenden NNP jedenfalls nicht eine Interessenabwägung enthalten dürfen, die den verbindlichen Vorgaben des NNK entgegenstünden. Andererseits kommt auf der Ebene des NNP eine Interessenabwägung in Frage, falls die verbindlichen Vorgaben des NNK eine solche ermöglichen. Denkbar ist solches, wenn das NNK eine Interessenabwägung auf der Ebene des NNP verlangt oder hierfür (implizit) Raum belässt.
6.3. Aus dem Netznutzungskonzept zum Ausbauschritt 2025 der Eisenbahninfrastruktur (nachfolgend: NNK 2025; vgl. BAV, NNK 2025 vom August 2017, <https://www.bav.admin.ch> Verkehrsmittel > Eisenbahn > Netznutzungskonzept und -pläne [besucht am 25. Juni 2020]) ergibt sich, dass gestützt auf die gesetzlichen Rahmenbedingungen verschiedene Vorgaben bei der Erarbeitung des NNK 2025 berücksichtigt worden sind.
6.3.1. Im Hinblick auf die Kapazitätssicherung im NNK 2025besteht die Vorgabe, dass erstens kein Abbau der Trassenverfügbarkeit einer Verkehrsart zugunsten einer anderen stattfinden darf. Zweitens ist die spezifische Verkehrsstruktur im Personenverkehr (sogenannte Knotenstruktur) zu berücksichtigen, während für den Güterverkehr durchlaufende Trassen vorzusehen sind. Es ist drittenseine Mindestanzahl Güterverkehrstrassen vorzusehen (1 Trasse pro Stunde und Richtung auf Doppelspuren und 1 Trasse pro Stunde auf mehrheitlich einspurigen Strecken mit Güterverkehr). Ausserdem sind Regeln für Zusatzzüge während den Hauptverkehrszeiten im Personenverkehr zu definieren (vgl. NNK 2025, Ziff. 3.1 S. 5).
Bei den sogenannten Hybridtrassen handelt es sich um Trassen, die zum Zeitpunkt der Verabschiedung des NNK 2025 zwar vorgesehen, jedoch Konflikte untereinander aufweisen und deshalb nicht einer spezifischen Verkehrsart zugeordnet sind (vgl. auch E. 4.2.1 hiervor; E. 6.4 hiernach). Die Zuordnung und Aufteilung solcher Trassen auf die Verkehrsarten erfolgt im Rahmen der nachgelagerten NNP (vgl. NNK 2025, Ziff. 3.1 S. 6).
6.3.2. Im Gegensatz zum NNK, dem alle beschlossenen Infrastrukturmassnahmen eines Ausbauschritts hinterlegt sind, werden die nachgelagerten NNP entsprechend der im jeweiligen Jahr effektiv zur Verfügung stehenden Kapazitäten erstellt. Es können deshalb nicht auf allen Strecken die Kapazitäten gemäss NNK gesichert werden. Deshalb stellt das NNK für die Kapazitätssicherung in den NNP folgende Grundsätze auf: Bei geringeren Kapazitäten sind grundsätzlich allen Verkehrsarten anteilsmässig weniger Trassen zu reservieren. Zudem sind Kapazitäten, welche im letzten Fahrplanjahr vor Einführung der neuen Instrumente NNK und NNP einer Verkehrsart zur Verfügung gestanden sind, grundsätzlich weiterhin dieser Verkehrsart zuzuweisen (vgl. NNK 2025, Ziff. 3.2 S. 6 f.).
Dies gilt auch für die Aufteilung der sogenannten Hybridtrassen in den NNP, wobei zusätzlich die folgenden Grundsätze zu beachten sind: Es ist nicht anzustreben, dass über die gesamte Dauer der Hauptverkehrszeit alle Kapazitäten ausschliesslich einer Verkehrsart zugewiesen werden. Bei der Zuteilung der Kapazitäten in den NNP sind die Überlasten im Personenverkehr und die Trassennutzung des Güterverkehrs zu berücksichtigen. Besteht ausserhalb der Hauptverkehrszeiten im regionalen Personenverkehr ein Stundentakt, sind Hybridtrassen zur Verdichtung zum Halbstundentakt in den Hauptverkehrszeiten mehrheitlich dem regionalen Personenverkehr zuzuordnen (vgl. NNK 2025, Ziff. 3.2 S. 7).
6.4. Gemäss Art. 19a Abs. 2 KPFV kann im NNK festgelegt werden, dass ausgewählte Trassen im Sinne von sogenannten Hybridtrassen wechselweise durch verschiedene Verkehrsarten genutzt werden können (vgl. auch E. 4.2.1 hiervor).
6.4.1. Der Bundesrat hat im NNK 2025 auf der Strecke Zürich Oerlikon-Glattbrugg - als Bestandteil des vorliegend umstrittenen Abschnitts Zürich Hardbrücke-Bülach der S 3 - während den Hauptverkehrszeiten für den Güterverkehr zwei Trassen festgelegt. Diese beiden Trassen stellen indes zwei Hybridtrassen dar (vgl. NNK 2025, Ziff. 4.2.1.70 S. 25 und Ziff. 4.2.1.97 S. 32). In den NNP für die Jahre 2019 und 2021 hat das BAV davon je eine Hybridtrasse dem Personen- und Güterverkehr zugeordnet (vgl. E. 9.2.2 des angefochtenen Urteils). Zur Sicherung des Halbstundentakts der S 3 während den Hauptverkehrszeiten bedarf es indes der Zuteilung beider Hybridtrassen an den Personenverkehr.
6.4.2. Da der Bundesrat im NNK die dem Güterverkehr auf der Strecke Zürich Oerlikon-Glattbrugg während den Hauptverkehrszeiten zugeteilten zwei Trassen als Hybridtrassen festlegt, schafft er einen Wertungskonflikt innerhalb des NNK. Einerseits sind Hybridtrassen per Definition nicht zwingend einer Verkehrsart zuzuordnen (vgl. E. 4.2.1 hiervor). Andererseits verlangt das NNK, dass eine Mindestanzahl Güterverkehrstrassen vorzusehen sind, wobei in den Klammern auf eine Trasse pro Stunde hingewiesen wird (vgl. E. 6.3.1 hiervor). Die Vorinstanz gelangt deshalb zu Recht zum Schluss, dass der Bundesrat im NNK mindestens eine der beiden Hybridtrassen dem Güterverkehr als "normale" Trasse hätte zuteilen müssen, damit dem Güterverkehr während den Hauptverkehrszeiten in jedem Fall mindestens eine Trasse gesichert bliebe (vgl. E. 11.4 des angefochtenen Urteils).
6.4.3. Da der Bundesrat auf der Ebene des NNK dem Güterverkehr auf der Strecke Zürich Oerlikon-Glattbrugg - als Bestandteil des vorliegend umstrittenen Abschnitts Zürich Hardbrücke-Bülach der S 3 - während den Hauptverkehrszeiten keine Trasse garantiert, verschafft er der Vorgabe der Mindestanzahl Güterverkehrstrassen keine Nachachtung. Innerhalb des NNK ergibt sich demzufolge ein Widerspruch, der Raum für eine Interessenabwägung auf der Ebene der NNP eröffnet (vgl. E. 6.2.2 hiervor). Der Bundesrat erörtert im NNK denn auch, dass die Zuordnung und Aufteilung der Hybridtrassen auf die Verkehrsarten im Rahmen der nachgelagerten NNP erfolge (vgl. NNK 2025, Ziff. 3.1 S. 6). Folglich hat der Bundesrat für die betroffene Strecke die Zuteilung während den Hauptverkehrszeiten nicht verbindlich festgelegt und diese dem BAV im Rahmen der Genehmigung der NNP überlassen. Insoweit das UVEK und die Beschwerdeführerinnen vorbringen, es sei zwingend eine Hybridtrasse zur Sicherung der Mindestkapazität dem Güterverkehr zuzuteilen, kann ihnen nicht gefolgt werden. Solches ergibt sich nicht in verbindlicher Weise aus dem NNK.
6.5. Nach dem Dargelegten liegt im NNK ein Widerspruch im Sinne eines Wertungskonflikts vor. Im Umfang der beiden Hybridtrassen auf der Strecke Zürich Oerlikon-Glattbrugg während den Hauptverkehrszeiten resultiert aus dem NNK deshalb keine eindeutige Vorgabe für die Zuteilung an eine bestimmte Verkehrsart. Diese Zuteilung ist auf der Ebene des NNP vorzunehmen, im Zuge derer die im NNK aufgeführten Grundsätze zur Kapazitätssicherung in den NNP zu berücksichtigen sind (vgl. E. 6.3.2 hiervor). In diesem Rahmen ist die Zuteilung der beiden Hybridtrassen einer Interessenabwägung auf der Ebene der NNP zugänglich (vgl. E. 6.2.2 hiervor; E. 7.3 hiernach).
7.
Das UVEK sowie die Beschwerdeführerinnen beanstanden die vorinstanzliche Interessenabwägung mit Blick auf die S 3. Die Vorinstanz greife in das Ermessen des BAV ein (vgl. auch Art. 49 lit. c VwVG).
7.1.
7.1.1. Die Vorinstanzerwägt, aus den vorliegenden Akten gehe nicht hervor, inwieweit das BAV für seinen Entscheid die Interessen des regionalen Personenverkehrs in seine Interessenabwägung miteinbezogen und wie der erforderliche Abwägungsprozess im Detail stattgefunden habe. Vielmehr stelle es im Rahmen der Genehmigung der NNP ausschliesslich auf die Interessen des Güterverkehrs und auf das Kriterium der "Sicherung einer Mindestanzahl an Güterverkehrstrassen pro Stunde" ab. Die Beurteilung der Interessen sei folglich unvollständig (vgl. E. 11.6 f. des angefochtenen Urteils).
Die Vorinstanz legt weiter dar, die Sache sei spruchreif, weshalb sie die Interessenabwägung in reformatorischer Weise selbst vornehmen könne. Das Bedürfnis des Personenverkehrs an einem Halbstundentakt der S 3 während den Hauptverkehrszeiten zur Entlastung der S-Bahn sei ausgewiesen. Die Züge der S 3 würden während den Hauptverkehrszeiten bereits mit maximaler Zuglänge verkehren. Die Unmöglichkeit einer Verlängerung der Züge sowie des Einsatzes von leistungsfähigerem Rollmaterial gelte es bei der Zuteilung der Kapazitäten zu berücksichtigen. Dem Interesse des Güterverkehrs an der Sicherung einer Mindestkapazität sei zwar ebenfalls ein hohes Gewicht beizumessen. Dennoch gelte es, im Rahmen der Interessenabwägung auch die konkreten Nutzungsinteressen miteinzubeziehen. Aus den vom BAV eingereichten Nutzungsdaten des Güterverkehrs gehe hervor, dass die strittigen Trassen in den Hauptverkehrszeiten am Abend weder regelmässig noch sehr stark frequentiert genutzt worden seien. An zahlreichen Tagen sei während dieser Zeit vom Güterverkehr gar keine Trasse beansprucht worden. Weiter hätten die von der Vorinstanz getätigten Abklärungen gezeigt, dass die konkreten Nutzungsinteressen des Güterverkehrs im Vergleich zum Personenverkehr zumindest für das Jahr 2019 äusserst gering seien. Zusammenfassend ergebe sich, dass die Interessen der Beschwerdegegner an der Einführung des Halbstundentakts der S 3 während den Hauptverkehrszeiten jene des Güterverkehrs überwögen (vgl. E. 12.2.1 und E. 12.4 des angefochtenen Urteils).
7.1.2. Nach Auffassung des UVEK setzt die Vorinstanz ohne Not ihr eigenes Ermessen an die Stelle desjenigen des BAV als zuständige Fachbehörde. Bei der Genehmigung der NNP dürfe das konkrete Nutzungsinteresse kein massgebliches Kriterium darstellen. Würden die Nutzungsinteressen des subventionierten Personenverkehrs jenen des marktwirtschaftlichen - den Gesetzen von Angebot und Nachfrage folgenden - Güterverkehrs gegenübergestellt, gehe Letzterer immer leer aus. Sodann verletze die Vorinstanz mit ihrer Interessenabwägung die Vorgaben des NNK. Es liege sowohl ein Abbau der Trassenverfügbarkeit einer Verkehrsart zugunsten einer anderen als auch eine Verletzung der Mindestkapazität vor (vgl. auch E. 6.3.1 hiervor).
7.1.3. Die Beschwerdeführerinnen bringen ebenfalls vor, die vorinstanzliche Interessenabwägung stütze auf ein einziges Kriterium - die konkrete Nachfrage - ab und blende sämtliche anderen Vorgaben des NNK aus. Die weiteren Vorgaben im NNK dienten aber gerade der Absicherung von Trassen ausserhalb einer Nachfragebetrachtung, da die konkrete Nutzung vom Güterverkehr im Vergleich zum Personenverkehr gar nicht in derselben Weise nachweisbar sei.
Im Gegensatz zum nachfragegetriebenen Personenverkehr sei der Güterverkehr angebotsgetrieben. Der Güterverkehr sei darauf angewiesen, zuerst ein Angebot an potenzielle Nachfragende richten zu können. Erst das platzierte Angebot werde zur konkreten Nachfrage führen. Mangels eines Angebots werde auch die entsprechende Nachfrage nicht entstehen. Die Vorinstanz berücksichtige lediglich die konkret bestehenden Nutzungsinteressen, lasse die künftigen Möglichkeiten, die eine Trasse eröffne, indes ausser Acht. Mit dieser unzulässigen Vereinfachung ignoriere die Vorinstanz den Sinn und Zweck der Gesetzgebung und des NNK. Ausserdem bedürfe der Güterverkehr zeitlich aufeinander abgestimmte Trassen. Würden einzelne Trassen herausgebrochen, liesse sich der Systemverkehr nicht mehr mit der vom Markt geforderten Kosteneffizienz anbieten.
7.1.4. Die Beschwerdegegner halten die vorinstanzliche Interessenabwägung für zutreffend und werfen die Frage auf, weshalb diese Hybridtrasse dem regionalen Personenverkehr angesichts seiner erheblichen Interessen und der Vielzahl von dem Güterverkehr ausserhalb der Hauptverkehrszeiten reservierten Trassen nicht zugeteilt werden könne. Die Einführung des Halbstundentakts für die S 3 beanspruche lediglich während dreieinhalb von insgesamt sechs Stunden der Hauptverkehrszeit sämtliche Trassen (vgl. auch E. 12.3.2 des angefochtenen Urteils). In Anbetracht der verbleibenden 20.5 Stunden jedes Wochentags sowie der 48 Stunden des Wochenendes, liessen sich die konkreten Nutzungsinteressen des Personenverkehrs ohne Widerspruch mit dem gesetzgeberischen Willen zur Gleichberechtigung der Verkehrsarten berücksichtigen.
7.2. Zunächst ist festzuhalten, dass die zur Kapazitätssicherung in den NNP notwendige Interessenabwägung (vgl. auch E. 6.3.2 hiervor) von jener zur Kapazitätssicherung in den NNK (vgl. auch E. 6.3.1 hiervor) abzugrenzen ist. Insoweit das UVEK vorbringt, die vorinstanzliche Interessenabwägung auf der Ebene der NNP verletze zwei der verbindlichen Vorgaben des NNK - nämlich der Abbau der Trassenverfügbarkeit und die Mindestkapazität -, ist ihm nicht zu folgen. Bei den genannten Vorgaben handelt es sich um Kriterien zur Kapazitätssicherung auf der Ebene des NNK (vgl. NNK 2025 Ziff. 3.1 S. 5; E. 6.2 und E. 6.3.1 hiervor). Im Ergebnis sind diese beiden Kriterien im NNK 2025 auf der Strecke Zürich Oerlikon-Glattbrugg - als Bestandteil des vorliegend umstrittenen Abschnitts Zürich Hardbrücke-Bülach der S 3 - während den Hauptverkehrszeiten gerade nicht beachtet worden, da der Bundesrat dem Güterverkehr ansonsten eine Trasse zugeteilt und nicht zwei Hybridtrassen vorgesehen hätte (vgl. auch E. 6.4 hiervor).
Es ist nicht ersichtlich, weshalb diese beiden Vorgaben nun auf der Ebene der NNP zwingend zu berücksichtigen sind. Wie die Beschwerdeführerinnen selber zu Recht vorbringen, sind allfällige Mängel bei der Ausarbeitung des NNK nicht im Rahmen der Genehmigung der NNP zu berichtigen (vgl. E. 6.1.3 i.f. hiervor). Vielmehr hat entweder das BAV das NNK zu ändern, sofern Anpassungen von beschränkter Tragweite im Sinne von Art. 19c KPFV zur Diskussion stehen, oder der Bundesrat das Konzept nach Art. 9b Abs. 2 EBG den veränderten Bedingungen anzupassen (vgl. E. 4.2.1 hiervor).
7.3. Sodann erweist sich die vorinstanzliche Interessenabwägung zur Kapazitätssicherung in den NNP auch im Ergebnis als rechtmässig.
7.3.1. Zwar ist es zutreffend, dass zusammen mit dem Erlass des Bundesgesetzes vom 25. September 2015 über den Gütertransport durch Bahn- und Schifffahrtsunternehmen (Gütertransportgesetz, GüTG; SR 742.41) das bisherige System der Netznutzung und Kapazitätszuteilung im Eisenbahnverkehr grundlegend geändert und die vormals gültige Prioritätenregelung zugunsten des vertakteten Personenverkehrs durch das neutrale Instrument des NNK und die sich darauf abstützenden NNP ersetzt worden ist. Die von der Vorinstanz vorgenommene Interessenabwägung steht jedoch nicht im Widerspruch zur gesetzgeberisch beabsichtigten Gleichberechtigung des Personen- und Güterverkehrs, zumal diese Abwägung lediglich zeitlich befristet ist und unter dem Vorbehalt der Änderung des NNK steht (vgl. Art. 9b Abs. 2 EBG).
7.3.2. Im Weiteren beachtet die Vorinstanz die Grundsätze zur Kapazitätssicherung in den NNP bei der Zuteilung der Hybridtrassen (vgl. NNK 2025 Ziff. 3.2 S. 6 f.; E. 6.3.2 hiervor). Da diese fünf Grundsätze (anteilsmässige Reduktion, Beibehalten von Kapazitäten, keine Ausschliesslichkeit während den Hauptverkehrszeiten, Berücksichtigung der Überlasten und Nutzung, Verdichtung) je für sich sowie auch im Verhältnis zueinander gegenläufige Zuteilungen der Trassen zur Folge haben können, ist einer Interessenabwägung die Gewichtung dieser Grundsätze inhärent. Wenn das UVEK beanstandet, es würden nicht sämtliche Grundsätze eingehalten, ist dies zwar zutreffend, aber in einem gewissen Masse bei sich widersprechenden Grundsätzen unumgänglich. Das NNK verlangt somit nicht, dass sämtliche Grundsätze zur Kapazitätssicherung in den NNP zwingend einzuhalten sind und steht einer Gewichtung der Grundsätze nicht entgegen. Vielmehr bedingt die Ausübung des pflichtgemässen Ermessens bei der Kapazitätssicherung in den NNP, dass sich die Behörden und Beschwerdeinstanzen an diesen Grundsätzen orientieren.
7.3.3. Im Rahmen der Interessenabwägung von besonderer Relevanz ist der Umstand, dass nicht über die gesamte Dauer der Hauptverkehrszeiten alle Kapazitäten ausschliesslich dem Personenverkehr zugeteilt werden. Die Einführung des Halbstundentakts der S 3 bedarf der Zuteilung sämtlicher Trassen lediglich während dreieinhalb von insgesamt sechs Stunden der Hauptverkehrszeit (vgl. auch E. 12.3 des angefochtenen Urteils). Wenn in diesem zeitlichen Ausmass den Überlasten im Personenverkehr und der Trassennutzung des Güterverkehrs ein besonderes Gewicht in der Interessenabwägung beigemessen wird, ist dies nicht zu beanstanden. Das NNK sieht für die Kapazitätssicherung in den NNP die Berücksichtigung der bestehenden Überlasten und der konkreten Trassennutzung als Grundsatz explizit vor (vgl. E. 6.3.2 hiervor; vgl. auch E. 12.2.1 des angefochtenen Urteils). Daran vermag auch der von den Beschwerdeführerinnen vorgebrachte Umstand, der Güterverkehr sei angebotsgetrieben, nichts zu ändern. Angesichts der umfassenden Abklärungen der Vorinstanz zur Trassennutzung des Güterverkehrs (vgl. E. 12.2.1.3 des angefochtenen Urteils) und der erheblichen Interessen des regionalen Personenverkehrs, den Überlasten während den Hauptverkehrszeiten entgegenzuwirken, rechtfertigt sich daher, die konkreten Nutzungsinteressen jedenfalls für die vorliegend betroffenen dreieinhalb Stunden pro Werktag massgeblich zu beachten.
7.3.4. Nach den unbestritten gebliebenen Feststellungen der Vorinstanz ist von der Einführung des Halbstundentakts bei der S 3 lediglich ein Gütertransport von Leerwagen für den Wiederbelad von Kies betroffen. Dieser Güterzug verkehrt jeweils montags, mittwochs und donnerstags. Im Gegensatz dazu ist die Einführung des Halbstundentakts der S 3 im Rahmen des Projekts Durchmesserlinie sowie der vierten Teilergänzung der Zürcher S-Bahn über Jahre hinweg transparent geplant und vom BAV - wenn auch mit entsprechenden Vorbehalten - mitgetragen worden. Die Vorinstanz weist im Weiteren darauf hin, der S 3 sei der Halbstundentakt bereits in der Vergangenheit zugestanden worden, da bereits zwischen 1999/2000 und 2015 aufgrund von Zusatzzügen im Halbstundentakt gefahren worden sei (vgl. E. 12.2.3 des angefochtenen Urteils). Folglich sind die Überlasten im Personenverkehr offenkundig, während die Trassennutzung durch den Güterverkehr - unter Berücksichtigung der Schwierigkeiten bei deren Nachweis (vgl. E. 7.1.3 hiervor) - nicht ausgewiesen sind.
7.3.5. Im Lichte des Dargelegten ist nicht zu beanstanden, wenn die Vorinstanz die Interessen der Beschwerdegegner an der Einführung des Halbstundentakts der S 3 während dreieinhalb Stunden der Hauptverkehrszeit als ausschlaggebend für die Zuteilung der Hybridtrassen beurteilt. Vor dem Hintergrund des zeitlichen Ausmasses erweist sich die entscheidrelevante Gewichtung der Interessen des regionalen Personenverkehrs zulasten des Grundsatzes, dass bei geringeren Kapazitäten grundsätzlich allen Verkehrsarten anteilsmässig weniger Trassen zuzuscheiden sind, als bundesrechtskonform.
7.4. Insoweit das UVEK die nach Einzelstunden differenzierte Sicherung der Hybridtrassen während den Hauptverkehrszeiten in den NNP kritisiert, ist Folgendes zu erwägen: Die Vorinstanz trägt mit einer solchen Zuteilung der Hybridtrassen dem Grundsatz Rechnung, dass eine Zuweisung aller Kapazitäten an eine Verkehrsart über die gesamte Dauer der Hauptverkehrszeit nicht anzustreben sei (vgl. E. 6.3.2 hiervor; vgl. auch E. 12.3 des angefochtenen Urteils). Entgegen der Auffassung des UVEK handelt es sich aber nicht um einen Eingriff in die reservierten Mindestkapazitäten einer Verkehrsart oder um die Vergabe von freibleibenden Kapazitäten im Sinne von Art. 12 Abs. 3 NZV (vgl. E. 4.4 hiervor). Weder sind die Hybridtrassen einer Verkehrsart zugesichert worden (vgl. E. 6.4 hiervor) noch bestehen - offenkundig - freie Kapazitäten. Vielmehr bestimmt Art. 9a Abs. 1 lit. b NZV, dass ein NNP Angaben über die für die einzelnen Verkehrsarten in den Modellstunden reservierten Mindestkapazitäten enthält. In diesem Lichte erweist es sich als rechtmässig, die - per Definition wechselweise nutzbaren (vgl. Art. 19a Abs. 2 KPFV) - Hybridtrassen nach Einzel (modell-) stunden differenziert den Personen- und Güterverkehr zuzuordnen. Die Vorinstanz respektiert mit diesem Vorgehen das Ermessen des BAV bei der Genehmigung der NNP (vgl. Art. 9b Abs. 3 EBG) und trägt dem Grundsatz der Verhältnismässigkeit in zeitlicher Hinsicht Rechnung, um die Sicherung der Hybridtrassen zugunsten des Güterverkehrs während zweieinhalb Stunden der Hauptverkehrszeit zu ermöglichen (vgl. auch E. 7.3.3 ff. hiervor).
7.5. Zusammenfassend ergibt sich, dass die Einführung des Halbstundentakts der S 3 während den Hauptverkehrszeiten in den Jahren 2019 bis 2024 mit dem Bundesrecht und dem NNK 2025 vereinbar ist. Mit Blick auf die Erwägungen zur S 3 ist das vorinstanzliche Urteil demzufolge zu bestätigen. Nach dem Dargelegten stösst die Sachverhaltsrüge des UVEK, die Vorinstanz lasse ausser Acht, dass mit dem Angebot der S 9 bereits ein Halbstundentakt bestehe, ins Leere. Sodann kann auch dahingestellt bleiben, ob der Halbstundentakt der S 3 als bestehendes Angebot betrachtet werden dürfe, da bereits zwischen 1999/ 2000 und 2015 aufgrund von Zusatzzügen im Halbstundentakt gefahren worden sei.
8.
Zu beurteilen verbleibt, ob die für den Halbstundentakt der S 23auf der Strecke Zürich-Winterthur während den Hauptverkehrszeiten erforderliche Anzahl Trassen in den NNP für die Jahre 2020 bis 2024 - allenfalls unter einer Bedingung - gesichert werden müssen.
8.1.
8.1.1. Die Vorinstanz vertritt die Auffassung, dass der S 23 der Halbstundentakt im NNP der Jahre 2020 bis 2024 gesichert werden müsse, auch wenn aufgrund eines technischen Problems die erforderliche und zu sichernde Trasse noch nicht fahrbar sei. Es sei die "mildere Alternative" und deshalb verhältnismässig, die Trasse unter der Bedingung zu sichern, dass sie aufgrund genügender Kapazitäten im Bahnhof Winterthur fahrbar sei (vgl. E. 5.2 hiervor).
8.1.2. Das UVEK bringt vor, im NNK werde nicht der Zustand abgebildet, wie er beim Beschluss des Ausbauschritts durch das Parlament, sondern erst beim Erreichen des massgeblichen Zeithorizonts aussehen werde. Im NNK 2025 werde der S 23 der Halbstundentakt in den Hauptverkehrszeiten gesichert. Dies bedeute aber auch, dass diese Trassen im NNP erst gesichert werden könnten, wenn sie auch fahrbar seien. Die NNP übersetzten den angepeilten Endzustand auf die einzelnen Fahrplanjahre. Es sei systemwidrig eine Trasse für ein Fahrplanjahr zu sichern, wenn darauf gar nicht gefahren werden könne. Folglich könnten im NNP nur die fahrbaren Trassen abgebildet werden.
8.1.3. Die Beschwerdegegner machen geltend, die Sicherung der Trasse unter einer Bedingung sei sinnvoll, da damit eine minimale Verpflichtung des BAV zum Ausdruck komme, dass diese Trasse tatsächlich der S 23 zugeteilt werde, sobald sie fahrbar sei. Weshalb eine in absehbarer Zeit fahrbare Trasse nicht einen NNP festgehalten werden könne, sei nicht einsichtig.
8.2. Der Auffassung der Vorinstanz ist in dieser Hinsicht nicht zu folgen. Gemäss Art. 19 KPFV stützt sich das NNK auf die beschlossenen Ausbauschritte. Demgegenüber konkretisieren die NNP das NNK und halten insbesondere die Verteilung der Trassen auf die Verkehrsarten im Tages- und Wochenverlauf fest (vgl. Art. 9b Abs. 3 EBG). Weshalb im NNP festgehalten werden muss, wie eine nicht fahrbare Trasse im Tages- und Wochenverlauf während eines bestimmten Fahrplanjahrs zugeteilt werden soll, ist nicht ersichtlich. Daran vermag auch der Umstand nichts zu ändern, dass nach Auffassung der Vorinstanz die Trasse unter der Bedingung der Fahrbarkeit gesichert werden soll. Dem Instrument des NNK und der sich darauf abstützenden NNP ist eine Zusicherung unter Auferlegung von Bedingungen grundsätzlich fremd. Ansonsten könnten im NNP sämtliche Trassen des NNK unter der Bedingung gesichert werden, dass die beschlossenen Ausbauschritte realisiert seien. Damit entfiele jedoch eine wesentliche Funktion der NNP - nämlich die Konkretisierung des NNK. Insofern ist der Konkretisierung inhärent, dass die Kapazitätssicherungen in den NNP grundsätzlich im entsprechenden Fahrplanjahr konkret umsetzbar sind. In diesem Sinne ergibt sich auch aus dem NNK 2025, dass die dem NNK nachgelagerten NNP entsprechend der im jeweiligen Jahr effektiv zur Verfügung stehenden Kapazitäten erstellt werden (vgl. NNK 2025, Ziff. 3.2 S. 6 f.; vgl. auch E. 6.3.2 hiervor).
8.3. Ausserdem ergibt sich bereits aus dem NNK 2025, dass der S 23 die erforderliche Anzahl Trassen zur Einführung des Halbstundentakts gesichert sind. Diese Sicherung ist verbindlich (vgl. Art. 19b KPFV), zumal es sich bei der erforderlichen Trasse nicht um eine Hybridtrasse handelt. Deshalb bedarf es auch keiner minimalen Verpflichtung des BAV im NNP, wie dies die Beschwerdegegner geltend machen. Vielmehr sind die Infrastrukturbetreiberinnen beim Erstellen eines neuen NNP verpflichtet, die bestehenden NNP soweit erforderlich anzupassen (vgl. Art. 9b Abs. 1 NZV). Sobald die umstrittene Trasse fahrbar ist, steht ihrer Sicherung in den bereits bestehenden NNP grundsätzlich nichts entgegen. Insofern ist die Sicherung unter Bedingung im Sinne einer "milderen Alternative" rein theoretischer Natur.
8.4. Zusammenfassend ergibt sich, dass die Sicherung der nicht fahrbaren Trasse auf der Strecke Zürich-Winterthur zur Einführung des Halbstundentakts der S 23 während den Hauptverkehrszeiten in den Jahren 2020 bis 2024 unter der Bedingung der Fahrbarkeit (genügende Kapazität im Bahnhof Winterthur) Bundesrecht verletzt. Mit Blick auf die S 23 ist das vorinstanzliche Urteil demzufolge aufzuheben.
9.
Im Ergebnis erweisen sich die Beschwerden mit Blick auf den Hauptpunkt (Halbstundentakt der S 3) als unbegründet und mit Blick auf den Nebenpunkt (Halbstundentakt der S 23) als begründet, weshalb sie im Umfang des Nebenpunkts teilweise gutzuheissen sind.
Die Allgemeinverfügungen des BAV vom 15. Januar 2018 und 10. Dezember 2018 sind insoweit zu bestätigen, als der S-Bahnlinie 23 (S 23) in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich-Winterthur für die Jahre 2020 bis 2024 jeweils kein Halbstundentakt gesichert wird. Das angefochtene Urteil vom 21. Mai 2019 ist in diesem Umfang und zudem insoweit aufzuheben, als das BAV angewiesen wird, die NNP für die Jahre 2020 bis 2024 insofern anzupassen, damit dem regionalen Personenverkehr die für den Halbstundentakt in den Hauptverkehrszeiten im Abschnitt Zürich-Winterthur (S 23) erforderliche Anzahl Trassen als Mindestkapazität, verbunden mit der Bedingung der genügenden Kapazität im Bahnhof Winterthur, gesichert wird. Im Übrigen ist das angefochtene Urteil vom 21. Mai 2019 zu bestätigen. Die Angelegenheit ist zur Neuverlegung der Kosten- und Entschädigungsfolgen an die Vorinstanz zurückzuweisen.
Bei diesem Verfahrensausgang werden die Beschwerdeführerinnen reduziert kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG), während das UVEK und die Beschwerdegegner keine Kosten tragen (Art. 66 Abs. 4 BGG). Die Beschwerdegegner haben den Beschwerdeführerinnen im Umfang ihres teilweisen Obsiegens für das bundesgerichtliche Verfahren 2C_623/2019 eine Parteientschädigung auszurichten (Art. 68 Abs. 1 und Abs. 4 BGG). Dem UVEK und den Beschwerdegegnern sind keine Parteientschädigungen zuzusprechen (Art. 68 Abs. 3 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1.
Die Verfahren 2C_614/2019 und 2C_623/2019 werden vereinigt.
2.
Die Beschwerden in den Verfahren 2C_614/2019 und 2C_623/2019 werden teilweise gutgeheissen. Das Urteil des Bundesverwaltungsgerichts vom 21. Mai 2019 wird insoweit aufgehoben, als es die Sicherung der Anzahl erforderlichen Trassen zur Einführung des Halbstundentakts der S 23 in den Fahrplanjahren 2020 bis 2024 betrifft. Die Allgemeinverfügungen des Bundesamts für Verkehr vom 15. Januar 2018 und 10. Dezember 2018 werden insoweit bestätigt, als sie die Sicherung der Trassen der S 23 in den Fahrplanjahren 2020 bis 2024 betreffen. Im Übrigen werden die Beschwerden abgewiesen.
3.
Die Sache wird zur Neuverlegung der bundesverwaltungsgerichtlichen Kosten- und Entschädigungsfolgen an das Bundesverwaltungsgericht zurückgewiesen.
4.
Im Verfahren 2C_614/2019 werden keine Gerichtskosten erhoben.
5.
Die Gerichtskosten von Fr. 4'000.-- im Verfahren 2C_623/2019 werden den Beschwerdeführerinnen auferlegt.
6.
Die Beschwerdegegner haben den Beschwerdeführerinnen für das bundesgerichtliche Verfahren 2C_623/2019 zu gleichen Teilen und unter solidarischer Haftung eine Parteientschädigung von Fr. 1'500.-- zu entrichten.
7.
Dieses Urteil wird den Verfahrensbeteiligten und dem Bundesverwaltungsgericht, Abteilung I, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 25. Juni 2020
Im Namen der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Seiler
Der Gerichtsschreiber: Zollinger