Züge mit Brennstoffzelle fahren emissionsfrei und benötigen keine Oberleitung. Auf nicht elektrifizierten Strecken sind sie eine nachhaltige Alternative zu Dieselfahrzeugen. – Von den fast 40.000 Kilometern, die das Schienennetz in Deutschland umfasst, sind rund 60 Prozent elektrifiziert – also mit einer Oberleitung versehen. Diese stellt den Strom für die Elektromotoren des Zuges bereit. Stammt der Strom dafür aus erneuerbaren Quellen, so ist der Bahnverkehr auf den elektrifizierten Haupt- und Hochgeschwindigkeitsstrecken schon heute frei von Kohlenstoffdioxid und Schadstoffen. Anders ist die Situation auf Regional- und Nebenstrecken: Hier gibt es oft keine Oberleitungen, weil die Elektrifizierung zu kostenintensiv ist. Auf diesen Schienenabschnitten fahren deshalb Züge mit Dieselmotoren. Wie im Straßenverkehr entstehen dabei klima- und umweltschädliche Emissionen, neben Kohlenstoffdioxid sind das vor allem Stickoxide und Rußpartikel.
Forschung an der Schnittstelle zwischen Energie und Verkehr
Zukunftsweisend für die Schiene: Brennstoffzelle statt Diesel
Als effiziente und nachhaltige Alternative zum Dieselfahrzeug forscht das DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart gemeinsam mit Partnern aus der Industrie erfolgreich an Brennstoffzellenantrieben, die speziell auf die Anforderungen des Schienenverkehrs ausgelegt sind. Mit an Bord des Zuges müssen das Brennstoffzellensystem selbst, Wasserstofftanks, eine Batterie sowie Elektromotoren. In der Brennstoffzelle läuft eine chemische Reaktion ab, bei der Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert und Strom entsteht. Dieser treibt die elektrischen Motoren an. Die Batterie speichert beim Bremsen wiedergewonnene Energie, hilft bei Leistungsspitzen und sorgt dafür, dass das Brennstoffzellensystem möglichst im Idealpunkt – also besonders effizient und gleichmäßig – gefahren werden kann. „Die heute realisierbare hohe Leistungsdichte und kompakte Bauweise macht die Brennstoffzelle als emissionsarme, flexible und effiziente Technologie für den Bahnsektor sehr vielversprechend“, erklärt Dr. Joachim Winter, Zugforscher und Leiter des DLR-Großprojekts Next Generation Train (NGT). Mit einer Reichweite von bis zu eintausend Kilometern sieht DLR-Wissenschaftler Winter als Einsatzgebiet vor allem den Regional- und Güterverkehr. Mit rein batterie-basierten Konzepten lassen sich zwar kurze, nicht elektrifizierte Strecken überbrücken. Doch das wesentlich höhere Gewicht und lange Ladezeiten sprechen zurzeit gegen diesen Ansatz.
Umfassende DLR-Kompetenz für Industrie und Politik
Von der Konzeption des Brennstoffzellenaggregats über realitätsnahe Komponententests auf speziellen Prüfständen bis hin zum Einbau des neuen Antriebsstrangs in Demonstrationszüge und die Begleitung erster Testfahrten – das DLR hat Schienenfahrzeughersteller bereits in mehreren Projekten mit seinem umfassenden Know-how bei der Technologieentwicklung unterstützt und berät Entscheidungsträger aus Politik und Industrie. Das Interesse bei Akteuren und Aufgabenträgern in der Industrie und in regionalen Verkehrsverbünden ist groß: Die meisten im Bahnsektor tätigen Unternehmen beschäftigen sich mit der Umrüstung ihrer Züge von Diesel- auf Brennstoffzellenantrieb. Das Land Niedersachsen hat bereits 14 Brennstoffzellenzüge bestellt. Baden-Württemberg, Hessen und Schleswig-Holstein bereiten entsprechende Ausschreibungen vor. Auf Grün stehen die Signale bereits für zwei Brennstoffzellenzüge, die im Rahmen eines vom Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie (NIP) geförderten Projekts mit wissenschaftlicher Begleitung des DLR gebaut wurden. Die Regionalzüge werden seit Herbst 2016 erprobt und sollen noch im Sommer 2018 in Niedersachsen auf den Strecken zwischen Cuxhaven beziehungsweise Buxtehude und Bremerhaven in den Fahrgastbetrieb gehen – weltweit eine Premiere. „Aktuell ist der Antriebsstrang mit Brennstoffzelle etwa doppelt so teuer wie die konventionelle Dieselvariante. Die Preise werden deutlich sinken, je näher die Serienfertigung kommt. Gleichzeitig ist damit zu rechnen, dass fossile Energieträger sich weiter verteuern“, meint DLR-Wissenschaftler Winter zum Kostenaspekt. Was die technologische Seite betrifft, so sieht der Zugexperte großes Potenzial: „Neue Werkstoffkombinationen werden Verbesserungen bei Kapazität und Zyklenfestigkeit ermöglichen, die Systeme werden kleiner und das Packaging effizienter.“
Wasserstoffinfrastruktur – ein Nadelöhr?
Ob fürs Auto oder den Zug, die Brennstoffzellentechnologie benötigt eine eigene Wasserstoffinfrastruktur. Der Verkehr auf der Schiene hat, was diesen Punkt betrifft, einen entscheidenden Vorteil: Strecken, Zugtaktung und Tankpunkte lassen sich sehr genau und mit großem zeitlichem Vorlauf planen. Gleichzeitig nimmt der Zugverkehr zuverlässig große Mengen Wasserstoff ab, grob geschätzt rund 200 Kilogramm pro Triebzug und Einsatztag. Während der Straßenverkehr ein möglichst engmaschiges Netz an Wasserstofftankstellen benötigt, kommt die Schiene mit wenigen, zentralen Knotenpunkten zum Betanken aus. Dort würde es sich zudem lohnen, Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffproduktion aufzustellen. Um die Größe solcher Anlagen zu bestimmen, entwickeln die DLR-Forscher unter anderem entsprechende Simulationsmodelle. „Solche Infrastrukturknotenpunkte könnten auch in der Nähe von Industrieparks angesiedelt sein. Dort ist oft bereits eine Wasserstoffinfrastruktur vorhanden oder Wasserstoff entsteht als Nebenprodukt, zum Beispiel in der chemischen Prozessindustrie“, erklärt Winter. Gleichzeitig könnten diese Knotenpunkte und die dort zunächst für den Schienenverkehr aufgebaute Wasserstoffinfrastruktur ebenfalls von Autos und Bussen mit Brennstoffzellenantrieb genutzt werden, beschreibt er eine weitere interessante Schnittstelle.
Sektorenkopplung: grüner Wasserstoff – Speicher plus Treibstoff
Für eine nachhaltige und klimafreundliche Mobilität, die einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung der Energiewende leistet, ist entscheidend, wie der Wasserstoff produziert wird. Erst sogenannter grüner Wasserstoff, für dessen Produktion Strom aus regenerativen Quellen wie Wind- oder Sonnenkraft zum Einsatz kommt, macht den ganzen Prozess emissionsfrei. Seit geraumer Zeit arbeiten Bund und Länder an Lösungen, um erneuerbare Energien in Form von Wasserstoff zu speichern. „Vor diesem Hintergrund können Brennstoffzellenzüge zu einem Beispiel für die erfolgreiche Kopplung der Sektoren Energie und Verkehr werden“, bilanziert DLR-Forscher Joachim Winter. Aktuell ist grüner Wasserstoff aufgrund hoher Steuern und Abgaben hinsichtlich der Kosten nicht konkurrenzfähig. Ein Lösungsansatz wäre es, Brennstoffzellenzüge vom Trassenpreis, der für die Nutzung der Schieneninfrastruktur anfällt, zu befreien.
Dieser Beitrag stammt aus unserem DLRmagazin