Wasserstoff-Powerpacks für Schienenfahrzeuge

Das Winterthurer Bahntechnik-Unternehmen Molinari Rail widmet sich neuen Technologielösungen für die Umrüstung von Dieseltriebzügen, um bestehende Fahrzeuge in Zukunft umweltfreundlich betreiben zu können. Ein interdisziplinäres Expertenteam soll nun innovative Antriebs- und Speichersysteme für den Regionalverkehr, die auf Wasserstoff-Technologie basieren, evaluieren und testen.

Zur Erreichung der Klimaziele müssen in der EU bis 2050 alle Treibhausgasemissionen so weit wie möglich vermieden werden. Die Dekarbonisierung des öffentlichen Verkehrs auf Strasse und Schiene erfordert den Umstieg auf erneuerbare und alternative Energiequellen, aber auch die Modernisierung bestehender Transportmittel. Für nicht-elektrifizierte Bahnstrecken, die mit dieselbetriebenen Zügen befahren werden, müssen ökologisch nachhaltige Antriebslösungen her. 

Bei einer Neubeschaffung von Fahrzeugen sind zurzeit folgende Lösungen verfügbar: Akku-Triebzüge, Brennstoffzellen-Triebzüge oder Hybrid-Triebzüge mit Weiternutzung der Dieselmotoren und integrierten Akku-Packs. Trotz der ambitionierten Investitionen im Rahmen des Umstiegs auf alternative Antriebe wird beispielsweise in Österreich oder Deutschland ein wesentlicher Anteil an Neben- und Regionalstrecken verbleiben, deren Elektrifizierung sich in den nächsten Jahren finanziell nicht lohnt. Dies ist zum Beispiel der Fall bei Zügen jüngeren Alters.

Eine grosse Bestandsflotte an Dieseltriebzügen soll also dekarbonisiert in Betrieb gehalten werden. Ein Beispiel ist die ÖBB Baureihe 5022 mit sechzig Triebzügen: Mit einem Verbrauch von rund 960 000 Litern Diesel könnte diese mit einem alternativen Antrieb pro Jahr 2500 Tonnen CO2 einsparen.

Wasserstoff-Niederdruckspeicher

Die Ingenieure und Ingenieurinnen bei Molinari Rail haben nun ein Projektteam geformt, das genau für solche Fälle holistische Lösungen kreiert. Unter Federführung der Winterthurer sollen auf Basis des ÖBB-Triebzuges Technologien entwickelt werden, die den Umbau eines bestehenden Dieselmotors in einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor vorsehen. Dabei sollen die bestehenden Dieseltanks durch Wasserstoff-Niederdrucktanks ausgetauscht und neue Tankmodule für die Integration in den Unterflurbereich (als Ersatz der bestehenden Dieseltanks) und in den Dachbereich konzipiert werden.

Für die Speicherung am Zug soll ein spezieller Wasserstoff-Niederdruckspeicher mit Metallhydrid-Legierung entwickelt werden. Mit einem Thermomanagementsystem wäre diese Lösung sowohl zur stationären Anwendung (Container-Bauform) als auch zur mobilen Anwendung (Tankmodul für Schienenfahrzeuge) geeignet. 

Die Technologie funktioniert folgendermassen: In einem Metallhydridspeicher wird Wasserstoff in Kontakt mit bestimmten metallischen Werkstoffen adsorbiert und ins Innere des metallischen Gitters diffundiert. Durch Wärmezufuhr kann Wasserstoff aus dem metallischen Werkstoff wieder resorbiert und damit entnommen werden. Damit bietet diese Art von Speicher sicherheitstechnische Vorteile (niedrige Speicherdrücke) und eine hohe volumetrische Speicherdichte. Der grösste Entwicklungsbedarf besteht in den Bereichen Kostenreduktion, Verkürzung der Be- und Entladungszeiten sowie der Wärmezufuhr und -abfuhr.

Innerhalb des von Molinari Rail geleiteten Forschungsprojekts sollen auch andere Ansätze für alternative Speichertechno­logien verfolgt, umgesetzt und bewertet werden. Diese sollen auf den Vorteilen von Hydridspeichern gegenüber den üblichen Hochdruckspeichern aufbauen und gleichzeitig die Herstellungskosten sowie den Herstellungsaufwand senken.

Wasserstoff-Verbrennungsmotor

Kernstück der Forschungsaktivitäten wird die Entwicklung eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors auf Basis eines Powerpack-Dieselmotors mit adaptierter Motorsteuerung sein. Das Ziel dabei: die Leistungsdaten und Effizienz eines Basis-Dieselmotors beibehalten, die Emissionen auf Nullniveau reduzieren bzw. eine Abgasnachbehandlung berücksichtigen und die Materialwahl für den Betrieb anpassen (Stichwort: Wasserstoff-Versprödung).

Bei der Umrüstung sollen zudem mögliche Optionen hinsichtlich Motoranpassung untersucht werden. Dies betrifft Komponenten oder Parameter wie die Kraftstoffzufuhr zum Motor und in den Brennraum, das Ansaugsystem, das Zündsystem, die Kolben und das Verdichtungsverhältnis, das Aufladesystem, die Motorsteuerung und die Abgasnachbehandlung.

In einem weiteren Schritt soll die Umsetzung an einem realen Motor auf einem entsprechend den Sicherheitsanforderungen ausgestatteten Wasserstoffmotor-Prüfstand erfolgen. Dabei würden mögliche Wasserstoffleckagen überwacht, ein Lüftungs­system und eine entsprechende Sicherheitsmatrix getestet werden. Die Herausforderungen betreffen Themen wie die Verfügbarkeit und die Standzeit von Einblasventilen, das Zündsystem für die Fremdzündung, Verbrennungsanomalien im Allgemeinen, das Aufladesystem für den transienten Betrieb, die Abgasnachbehandlung (hauptsächlich für Stickoxide) und der Einfluss auf Werkstoffe. Hinzu käme eine Vielzahl an Tests und Simulationen.

Grosser Bedarf in Europa

Sowohl der Wasserstoff-Niederdruckspeicher als auch der Wasserstoff-Verbrennungsmotor sollen in die Entwicklung einer Systemlösung für Wasserstoff-Powerpacks zur Integration in bestehende, aber auch neue Dieseltriebzüge münden. Molinari Rail würde neben der Gesamtprojektleitung auch die Systemintegration in die Schienenfahrzeuge übernehmen. Als wissenschaftliche Projektpartner vorgesehen sind die HyCentA Research GmbH für die Entwicklung des Wasserstoff-Niederdruckspeichers inkl. Thermomanagement und das Institut für Verbrennungskraft­maschinen und Thermodynamik (IVT) der Technischen Universität Graz für die Entwicklung den Wasserstoff-Verbrennungsmotors. 

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