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Energiewende auf deutschen Schienen?

Gebundener Wasserstoff soll Züge antreiben

| Autor/ Redakteur: Tobias Schlößer* / Christian Lüttmann

Klimafreundliche Züge dank Wasserstoffantrieb – und das ohne den Aufbau einer neuen Infrastruktur oder die Explosionsgefahr durch das brennbare Gas. Wie das gehen soll? Am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien wollen Forscher Wasserstoff an eine ungefährliche Trägerflüssigkeit binden und dessen Energie durch geeignete Brennstoffzellen direkt im Zug nutzen.

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Züge mit sicher gebundenem Wasserstoff betanken? Ein neues Projekt soll dies möglich machen. (Symbolbild)
Züge mit sicher gebundenem Wasserstoff betanken? Ein neues Projekt soll dies möglich machen. (Symbolbild)
(Bild: ©rochagneux - stock.adobe.com)

Jülich – Wenn es um CO2-Ausstoß und Klimawandel geht, denken die meisten an rauchende Industrieschlote und Autoabgase. Aber auch auf unseren Schienen ist noch viel Handlungsbedarf: Über 40 Prozent des deutschen Bahnnetzes ist noch nicht elektrifiziert und selbst auf manchen elektrifizierten Abschnitten fahren aufgrund des Linienzuschnitts Dieselfahrzeuge. In vielen anderen europäischen Ländern wie z.B. Schweiz oder Österreich sind Dieselzüge dagegen beinahe ausgestorben oder die Ausnahme.

Ein großer Teil des nicht-elektrifizierten Schienennetzes in Deutschland wird auch in Zukunft nicht von Elektroloks befahrbar sein, zumal eine kollektive Elektrifizierung sehr kosten- und zeitintensiv ist. Für diese Strecken bieten sich Züge an, die mit Wasserstoff betrieben werden. Diese fahren vollkommen schadstofffrei – und wenn der Wasserstoff aus regenerativen Quellen stammt sogar CO2-neutral.

Flüssige Pfandflasche für Wasserstoff

Doch woher beziehen die Bahnen den Wasserstoff? „Für die Betankung der Züge mit Druckwasserstoff oder tiefkalt verflüssigtem Wasserstoff müsste an den Versorgungshöfen eine völlig neue Infrastruktur aufgebaut werden“, erklärt Prof. Peter Wasserscheid, Leiter des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI-ERN), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich.

Die Lösung der Forscher: Sie nutzen eine organische Trägerflüssigkeit („Liquid Organic Hydrogen Carrier“ oder kurz LOHC) als eine Art flüssige Pfandflasche für Wasserstoff. Schon ein einziger Liter bindet über 650 Liter Wasserstoff. „Die LOHC-Technologie ermöglicht es, die bestehende Infrastruktur weitestgehend beizubehalten“, sagt Wasserscheid. Auch die Lagerung und Anlieferung größerer Kraftstoffmengen wäre mit der LOHC-Technologie unbeschränkt möglich, unabhängig von Sicherheitsaspekten, die es beim elementaren Wasserstoff zu beachten gilt. Denn LOHC ist nicht als Gefahrstoff eingestuft.

Freisetzung direkt an Bord?

Von ihrer Handhabung und den physikalischen Eigenschaften her ist die ölige Substanz üblichen Kraftstoffen recht ähnlich und lässt sich mit Tanklastern und Zügen einfach transportieren. Im Prinzip lassen sich so auch Wasserstoff-Tankstellen mit Wasserstoff beliefern, an denen dann Wasserstoffzüge wie der kurz vor der Zulassung stehende Coradia iLint der Firma Alstom betankt werden können. Doch in ihrem Projekt gehen die Forscher des HI-ERN noch einen Schritt weiter:

„Unser Ziel ist es, den Wasserstoff-beladenen LOHC-Träger direkt auf den Zug zu vertanken. Der Wasserstoff wird dann anschließend im Fahrbetrieb an Bord des Zuges freigesetzt und in einer Brennstoffzelle verstromt“, erläutert Projektkoordinator Dr.-Ing. Patrick Preuster. „In unserem Projekt geht es unter anderem darum, die Apparate, die für die Freisetzung des Wasserstoffs benötigt werden, für mobile Anwendungen anzupassen.“ Dabei gelte es nicht nur, Größe und Gewicht zu verringern. Für den mobilen Einsatz werden Freisetzungsapparate benötigt, die gut auf dynamische Lastwechsel reagieren, etwa vor Anfahrten und Anstiegen, wenn besonders viel Leistung – und entsprechend viel Wasserstoff – benötigt wird.

Neue Technologie: Direkt-LOHC-Brennstoffzelle

Neben der katalytischen On-Board Dehydrierung verfolgen die Forscher noch einen besonders innovativen Ansatz: die Entwicklung einer Direkt-LOHC-Brennstoffzelle für mobile Anwendungen. Die Direkt-Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie direkt aus beladenem LOHC. Ein zusätzlicher Apparat zur katalytischen Freisetzung des Wasserstoffgases an Bord des Zuges würde dann entfallen. In den Labors des HI-ERN werden erste Prototypen von Direkt-LOHC-Brennstoffzellen bereits betrieben, deren Ergebnisse sehr vielversprechend sind.

Zum Projekt

Das Forschungsprojekt startete im Januar 2018 mit einem dreijährigen Vorprojekt zur Erarbeitung wichtiger Grundlagen. Läuft alles wie geplant, folgt ab 2019 ein deutlich größeres Demonstrationsprojekt, in dem unter Federführung der Forscher des HI-ERN innerhalb von fünf Jahren ein erster Zugdemonstrator entwickelt werden soll.

Im Demonstrationsprojekt wird auch eine intensive Kooperation mit der Industrie angestrebt, die an den neuen Konzepten des HI-ERN bereits großes Interesse zeigt. Die Bayerische Staatsregierung hat Anfang Januar 2018 die „Bayerische Elektromobilitäts-Strategie Schiene“ – kurz Bess genannt – beschlossen, die vorsieht, bei erfolgreicher Zulassung die Praxistauglichkeit dieser Züge im Schienenpersonennahverkehr des Freistaats mit einem Pilotprojekt zu testen.

* Tobias Schlößer: Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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Über den Autor

Christian Lüttmann

Christian Lüttmann

Volontär, Vogel Communications Group GmbH & Co. KG