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Der Einsatz von Brennstoffzellen im Schienenverkehr

Erstellt am: 22.02.2011 | Stand des Wissens: 28.02.2017
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Nachdem die Brennstoffzelle nicht nur in den Anwendungsgebieten Raumfahrt und Militär sondern auch im Straßenverkehr Einsatz gefunden hat, wird zunehmend auch über die Nutzung im Schienenverkehr diskutiert. Insbesondere Japan, aber auch Dänemark, Deutschland und die USA widmen sich intensiv dem Forschungsthema Wasserstoffzug (vgl. hierzu bspw. [YaFu10]).

Das größte Problem bei der konventionellen Herstellung von Wasserstoff ist bisher die schlechte Umweltbilanz der Wasserstoffproduktion. Für jede Tonne Wasserstoff werden in fossilen Verbrennungsvorgängen zur Energieerzeugung zwischen 2,5 und 5 t CO2 freigesetzt. alternative Herstellungsarten, die erneuerbare Energiequellen nutzen, weisen dagegen in der Vergangenheit eine schlechtere Energiebilanz auf. Folglich war Wasserstoff keine echte Alternative. In der Zwischenzeit wurden hier jedoch Fortschritte bei der Entwicklung erzielt. Die Biomassegasifizierung ist ein Verfahren, mit dem vergleichsweise günstig Wasserstoff aus erneuerbaren Energien gewonnen werden kann. Vor allem die superkritische Wassergasifizierung (supercritical water gasification = SCWG) ist energieeffiziente Alternative zu konventionellen Verfahren. Dabei wird Wasserstoff unter sehr hohem Druck aus Biomasse produziert. Und anders als bei herkömmlichen Gasifizierungsprozessen muss keine Energie für die Trocknung des Biomaterials eingesetzt werden. Bis zu 51 % Feuchtigkeit ist in diesem Prozess akzeptabel. Auch die Menge an Teer und Ascheproduktion erweist sich als sehr niedrig [HOSS16].

Das Problem der zu geringen Lebensdauer im Vergleich zu bestehenden Antriebslösungen, ein wesentlicher Nachteil der bisher produzierten Brennstoffzellen, wurde mittlerweile überwunden: Eine in Großbritannien entwickelte Brennstoffzelle erreichte in Tests eine Betriebszeit von 5.000 Stunden für transportabler und 40.000 Stunden für stationäre [DOE17] . Der Einsatz von Wasserstoff im Schienenverkehr wird vor allem aus folgenden Gründen verfolgt:


  • Zur Erreichung der Klimaschutzziele ist die Nutzung erneuerbarer Energieträger unerlässlich. Durch den Einsatz regenerativer Kraftstoffe wie Wasserstoff aus erneuerbaren Energien können konventionelle Kraftstoffe ersetzt werden. Damit wird es möglich auch Anwendungen im Verkehr- und Wärmesektor sowie in der Industrie zu dekarbonisieren, für die eine direkte Nutzung von Strom nicht möglich ist, und ein gasförmiger oder flüssiger Energieträger benötigt wird [UWBA16] .


  • Bei hohen Anteilen regenerativer Stromerzeugung ist es möglich, dass sich der Einsatz von Langfristspeichern rentiert, mit denen Energie über mehrere Wochen gespeichert und bei Bedarf rückverstromt werden kann. "Die Implementierung großer Wasserstoffgeneratoren als steuerbare Verbraucher und die Rückwandlung über Brennstoffzellen ist dabei eine sehr effiziente und vor allem saubere Form regenerativer Energienutzung" [ScKl05, S. 566].


  • Andererseits ergibt sich eine Marktlücke auf bestimmten Einsatzfeldern. So lohnt sich die Elektrifizierung von langen Streckenästen mit geringem Verkehrsaufkommen nicht. Diese werden bislang mittels Dieseltraktion bedient. In sensiblen Gebieten könnte die Brennstoffzelle als lokal emissionsfreies Antriebssystem eine sinnvolle Alternative darstellen. Zudem könnte sie die Oberleitung dort überflüssig machen, wo sie als besonders störend empfunden wird. Denkbar wäre dabei auch ein Einsatz als Baustein einer Hybridlösung.

Forschungs- und Demonstrationsprojekte

Viele große europäische Eisenbahnverkehrsunternehmen (z. B. SNCF, SJ) verfolgten die Forschung zur Brennstoffzellennutzung im Schienenverkehr schon Anfang dieses Jahrhunderts [NBN15] . Konkrete Projekte werden aber insbesondere in Japan sowie in Dänemark und den USA und mittlerweile auch in Deutschland umgesetzt.

So hat die japanische Eisenbahngesellschaft JR East 2006 Testfahrten mit dem weltweit ersten Brennstoffzellen-Hybridtriebzug aufgenommen. Das Fahrzeug baut auf dem New Energy (NE) Train von JR East auf, einem Experimentalzug aus dem Jahr 2003 mit dieselelektrischem Hybridantrieb. Bei dem beschriebenen Brennstoffzellenzug wurde der Dieselantrieb durch die eine Brennstoffzelle ersetzt. Seit Frühjahr 2007 wurden die Tests auf das operative Streckennetz ausgedehnt und dabei Geschwindigkeiten von bis zu 100 km/h erzielt [JRE09, S. 41]. Die finalen Tests 2012 haben gezeigt, dass das System im normalen Betriebseinsatz voll leistungsfähig ist [JRE12, S. 11].


Abb1.JPGAbb. 1: Brennstoffzellenzug der JR East [JRE09]


In den USA entwickelten der Güterverkehrsbetreiber BNSF Railway Company und der Fahrzeughersteller Vehicle Projects Inc eine Hybridlokomotive mit Brennstoffzellenantrieb, deren Prototyp bereits einen umfangreichen Testbetrieb absolviert hat [Deme08]. Für die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Hybridlokomotive wurde im Jahr 2009 in den USA ein Patent eingetragen [USPTO12]. Beide Unternehmen verfolgten hierbei das Ziel, mit diesem für Rangierdienste ausgelegten Triebfahrzeug sowohl Luftverunreinigungen als auch den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Laut BNSF betragen die Ausgaben für Dieselkraftstoff 26 Prozent der Gesamtbetriebskosten. Somit seien durch einen erfolgreichen Brennstoffzelleneinsatz hohe finanzielle Einspareffekte realisierbar [Reed09]. In einem darauffolgenden Partnerprojekt zwischen Vehicle Projects in Colorado/USA und dem Anglo American Platinum (Amplats) in Südafrika wurden 2012 fünf Brennstoffzellenloks für dortige Mienenarbeit hergestellt [DIN16].


Abb2.jpgAbb. 2: Brennstoffzellen-Lok der BNSF Railways / Vehicle Projects Inc. (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken) [USPTO12, Zeichnung 4]



In China wurde 2013 im Rahmen eines Innovationsprojekts nach sechsjähriger Entwicklungszeit die erste Brennstoffzellenlokomotive Chinas öffentlich vorgestellt. Die Rangierlokomotive soll eine Höchstgeschwindigkeit von 100 km/h erreichen können und über eine Traktionsleistung von 2 x 120 kW verfügen. Die Leistungsparameter des Antriebs liegen zwar unterhalb des Standards der Aggregate heutiger Rangierlokomotiven, dennoch punktet das entwickelte Triebfahrzeug als "zero carbon vehicle" mit erheblichen ökologischen Vorteilen. [Chen13; Chen13a]

Auch in Deutschland wurden Forschungs- und Demonstrationsprojekte umgesetzt. Der mit Wasserstoff betriebene Pasagierzug CORADIA iLint von dem französischen Hersteller Alstrom wird ab Dezember 2017 zwischen Buxtehude und Cuxhaven eingesetzt. Auf einer Strecke von ca 60 km kann der Zug auf bis zu 140 kmh beschleunigen [OSUL16].



Alstom hydrogen.PNGAbb. 2: Aufbau eines Alstom Coradia iLint Wasserstoffzuges [ALST16] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)


Im Jahre 2015 wurden weitere zwei Wasserstoffschienenprojekte fertiggestellt u.a. eine wasserstoffbetriebene Straßenbahn auf dem niederländischen Karibik-Inselstaat Aruba und ein 380-Personenzug in Quingdao, China. Außerdem arbeitet Dubai an einem Projekt für eine Wasserstoff betriebene Straßenbahn welche zwischen Burj Khalifa und Dubai Mall fahren soll [WAHN15; FAN15] .
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Innovative Antriebstechnologien im Schienenverkehr (Stand des Wissens: 05.05.2017)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?344435
Literatur
[ALST16] o.A. Cordia iLint: A full emission-free train, Alstom SA, 2016
[Chen13] Chen, Weirong System Integration of China's First Hydrail Locomotive, 2013/06/12
[Chen13a] Chen, Weirong, Peng, Fei, Liu, Zhixiang, Li, Qi, Dai, Chaohua System integration of China's first PEMFC locomotive, veröffentlicht in Journal of Modern Transportation, Ausgabe/Auflage 03/2001, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 2013/09/18, ISBN/ISSN 2196-0577
[Deme08] Demers, Susan Extreme Makeover: Topeka Employees Helping Develop Experimental Switch Engine, veröffentlicht in Railway - The Employee Magazine of Team BNSF, Ausgabe/Auflage 01-02/2008, BNSF Railway, Fort Worth, TX, 2008/01
[DIN16] Dincer, I., Zamfirescu, C. A review of novel energy options for clean rail applications, veröffentlicht in Journal of Natural Gas Science and Engineering, Ausgabe/Auflage 28, 2016, Online-Referenz doi:10.1016/j.jngse.2015.12.007
[DOE17] o.A. Fuel Cells, US Department of Energy, 2017
[FAN15] Fan, Wenxin China's Hydrogen-Powered Future Starts in Trams, Not Cars, Bloomberg, 2015/03/15
[HOSS16] Hosseini, S. E., Wahid, M. A. Hydrogen production from renewable and sustainable energy resources: Promising green energy carrier for clean development, veröffentlicht in Renewable and Sustainable Energy Reviews, Ausgabe/Auflage 57, 2016, Online-Referenz doi:10.1016/j.rser.2015.12.112
[JRE09] o. A. JR East Group - Sustainability Report 2009, 2009/09
[JRE12] o. A. JR East Group - Sustainability Report 2012, 2012/11
[NBN15] Wonneberger, Klaus 50 Jahre Siemens-Forschung: Ideenschmiede von Weltrang, Verlag Nürnberger Presse Druckhaus Nürnberg GmbH & Co. KG, Nürnberg, 2015/05/23
[OSUL16] O'Sullivan, Feargus Germany Has the World's First Hydrogen-Powered Passenger Train, 2016/09/16
[Reed09] o. A. BNSF explores the fuel cell, veröffentlicht in Railway Gazette International, Ausgabe/Auflage 02/2009, Reed Business Publ. / Sutton Surrey (UK) , 2009/02, ISBN/ISSN 0373-5346
[ScKl05] Schütte, Jörg, Klingner, Matthias Neue Energiesysteme für den Schienenverkehr - Erfahrungen mit der AutoTram, veröffentlicht in Elektrische Bahnen, Ausgabe/Auflage 12, Georg Siemens Verlag, 2005/12, ISBN/ISSN 0013-5437
[USPTO12] United States Patent and Trademark Office (Hrsg.) United States Patent No. US 8117969 B1 - Hydrogen fuel cell hybrid locomotives, 2012/02/21
[UWBA16] Purr, Katja, Osiek, Dirk, Lange, Martin, Adlunger, Kirsten Integration von Power to Gas/Power to Liquid in den laufenden Transformationsprozess, Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2016, Online-Referenz https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1/publikationen/position_power_to_gas-power_to_liquid_web.pdf, ISBN/ISSN 2363-829x
[WAHN15] Wahnsiedler, J. Is hydrogen the Holy Grail for off wire operation?, veröffentlicht in Tramways & Urban Transit, Ausgabe/Auflage 27-39, Light Rail Transit Association, 2015, ISBN/ISSN 1460-8324
[YaFu10] Yamamoto, Takamitsu, Furuya, Takemasa, Hasegawa, Hitoshi, Ogawa, Kenichi Energy Efficiency Evaluation of Fuel Cells and Batteries Hybrid Railway Test Vehicles, veröffentlicht in Quaterly Report of Railway Technical Research Institute, Ausgabe/Auflage Vol.51, No.3/2010, Tokyo, Japan, 2010/08
Glossar
Traktion Unter Traktion versteht man im Schienenverkehrsbereich die kraftgetriebene Fortbewegung von Triebfahrzeugen. Bei der Art des Antriebssystems unterscheidet man heutzutage i. d. R. Triebfahrzeuge mit dieselelektrischen oder -hydraulischen bzw. rein elektrischen Aggregaten zur Kraftübertragung (auch: Diesel- bzw. Elektrotraktion).  Die Traktionsart Dampf wird hierzulande nur noch im Bereich von Museumsbahnen eingesetzt. Mehrere gekoppelte Triebfahrzeuge bilden eine sog. Mehrfachtraktion. Üblicherweise werden diese nach der Anzahl der eingesetzten Triebfahrzeuge benannt (z. B. Doppel- oder Dreifachtraktion).
Biomasse Biomasse umfasst:
  • Reststoffe wie z.B. Restholz, organische Abfälle (Biomüll, Gülle etc.), Stroh sowie
  • Energiepflanzen wie z.B. Raps, schnell wachsende Baumarten, Energiegetreide, Miscanthus.
kW = Kilo Watt. Die SI-Einheit der Leistung. Als Einheitenzeichen wird der Großbuchstabe W verwendet. Die Einheit ist benannt nach James Watt.
Hybridantrieb Unter Hybridantrieben wird in der Fahrzeugtechnik die Mischnutzung mindestens zweier unterschiedlicher Energiequellen zur Bewegung eines Fahrzeugs verstanden. Der Antrieb durch die einzelnen Energiequelle kann hierbei unabhängig voneinander stattfinden.
CO2
Kohlenstoffdioxid. Ein Gas, welches zu ca 0,4% in der Erdatmosphäre vorkommt, bildet den Grundstock für pflanzliches Leben und pflanzliche Biomasse. Es entsteht z.B. bei der Verbrennung (Oxidation) von Kohlenstoff mit Sauerstoff. Durch seine Wirkung als Treibhausgas und der massiven Freisetzung bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist es mit hoher Wahrscheinlichkeit der wichtigste Auslöser des Klimawandels.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
Verkehrsaufkommen Das Verkehrsaufkommen beschreibt die Anzahl der zurückgelegten Wege, beförderten Personen oder Güter pro Zeiteinheit. Im Unterschied dazu bezieht sich das spezifische Verkehrsaufkommen auf zurückgelegte Wege und beschreibt die mittlere Anzahl der Ortsveränderungen pro Person und Zeiteinheit.
Triebfahrzeug
Ein Triebfahrzeug (Tfz) ist ein einzelnes Regeleisenbahnfahrzeug mit einem eigenen Fahrzeugantrieb (Lokomotiven, Triebwagen). Eine Sonderform bilden Triebköpfe, die in einem fest gekoppelten Triebzug zusammen mit antriebslosen Mittel- und Steuerwagen betrieben werden. Lokomotiven kommen normalerweise im Verbund mit gekoppelten Reisezug- oder Güterwagen zum Einsatz. Triebwagen sowie auch Triebzüge werden als gekoppelten Einheiten gleichen Typs in sogenannten Triebwagenzügen eingesetzt. Weitere Tfz sind Kleinlokomotive und selbstfahrende Nebenfahrzeuge.
Eisenbahnverkehrsunternehmen Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU) sind öffentliche Einrichtungen oder privatrechtlich organisierte Unternehmen, die Eisenbahnverkehrsleistungen erbringen. "Eisenbahnverkehrsunternehmen" stellt einen europarechtlichen Begriff dar, welcher durch nationales Recht in Form von § 2 (1) des Allgemeinen Eisenbahngesetzes (AEG) konkretisiert wird.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?342698

Gedruckt am Donnerstag, 18. Juli 2019 04:38:33