Brennstoffzellenantrieb von Triebfahrzeugen

Unter Brennstoffzellenantrieb von Triebfahrzeugen werden die wesentlichen Bauteile Brennstoffzelle, Traktionsbatterie (Akkumulator) und Fahrmotor sowie ihr Zusammenwirken in Triebfahrzeugen verstanden. Durch die Reaktion von Wasserstoff und Luftsauerstoff in Brennstoffzellen entsteht elektrische Energie, um die Fahrmotoren zu betreiben.

Brennstoffzellen-Wasserstoffzug Siemens Mireo Plus H auf der InnoTrans 2022

Mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge, umgangssprachlich auch als Wasserstoffzug bezeichnet, international auch als Hydrogen-electric multiple unit (HEMU oder HYMU) bezeichnet, sind umweltfreundlich, sofern der Kraftstoff nachhaltig erzeugt wird. Sie haben insbesondere auf längeren Nebenstrecken, wo die Elektrifizierung nicht möglich oder unwirtschaftlich ist, das Potenzial als umweltfreundlicher Ersatz von Dieseltriebwagen und -lokomotiven.

In der englischen Sprache ist Hydrail ein Überbegriff für Triebfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb oder mit Wasserstoffverbrennungsmotor.

Funktion

iLint auf einer Demonstrationsfahrt auf der Rurtalbahn. Die beim Bremsen gewonnene Energie wird in der Traktionsbatterie zwischengespeichert.

In den Brennstoffzellen reagieren in den Tanks gespeicherter Wasserstoff und Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu Wasser. Dabei entstehen Wärme und vor allem elektrische Energie, die der Traktionsbatterie zugeführt wird. Diese werden zur Erhöhung der Beschleunigung sowie als Puffer zur Speicherung der beim Bremsen anfallenden Energie verwendet. Die Batterie treibt je nach Leistungsbedarf einen oder mehrere Fahrmotoren an.

Der durch die Rekuperationsbremse erzeugte Strom dient ebenfalls zum Laden der Traktionsbatterie.

Nicht nur die Antriebsenergie, sondern auch die Energie für die Versorgung der Hilfsbetriebe werden aus der Brennstoffzelle bezogen.

Vor- und Nachteile

Im Vergleich mit Akkumulatortriebwagen erreichen Fahrzeuge mit Brennstoffzellen deutlich größere Reichweiten und das Betanken nimmt weniger Zeit in Anspruch als das Laden von Akkumulatoren. Demgegenüber erreichen Akkumulatortriebwagen eine deutlich bessere Energieeffizienz und können ihre Energiespeicher auch während der Fahrt nachladen, wenn ein Teil der Fahrstrecke elektrifiziert ist. Eine vom VDE im Jahr 2020 veröffentlichte Studie zur Bewertung klimaneutraler Alternativen zu Dieseltriebwagen kommt zum Ergebnis, dass die Kosten für einen Triebwagen mit Brennstoffzellen jährlich um 2 Millionen Euro höher sind als für einen Akkutriebwagen. Brennstoffzellen erreichen eine Lebensdauer von 4 bis 8 Jahren und müssen somit über die übliche Lebensdauer von Schienenfahrzeugen (30 bis 40 Jahre) mehrmals erneuert werden. Auch Akkumulatoren müssen nach 8 bis 15 Jahren getauscht werden. Dies wirkt sich sowohl bei Zügen mit Brennstoffzellen wie auch bei Akkumulatortriebwagen negativ auf die Lebensdauerkosten aus.

Klimaneutral erzeugter Wasserstoff wird in Elektrolyseuren mit einem Wirkungsgrad von unter 80 Prozent erzeugt, um dann in den Brennstoffzellen im Fahrzeug mit einem Wirkungsgrad von unter 70 Prozent in elektrische Energie umgewandelt zu werden. Auch der Aufbau einer Infrastruktur für die Betankung und der Ersatz der Brennstoffzellen ist mit hohen Kosten verbunden. Bislang in der Realisierung befindliche Projekte in Deutschland decken ihren Bedarf hauptsächlich mit Nebenproduktwasserstoff aus der chemischen Industrie.

Wird der für den Betrieb benötigte Wasserstoff aus Erdgas oder mittels Elektrolyse mit Strom aus dem Netz (EU-Strommix) gewonnen, sind die CO₂-Emissionen von Wasserstoff- und Dieselantrieb in etwa vergleichbar. Grüner Wasserstoff hingegen ist ein wertvolles Gut und sollte gezielt zur Dekarbonisierung eingesetzt werden. Er erzielt bei der chemischen Industrie und in der Stahlproduktion den größeren Effekt als im Bahnverkehr, weil es dort für den Wasserstoff keine Alternativen gibt.

Hersteller

Alstom

iLint der EVB in Hildesheim Hauptbahnhof

Alstom gilt als Pionier auf dem Gebiet der mit Brennstoffzellen angetriebenen Züge. Der französische Hersteller hat den sogenannten iLint auf Basis der Coradia-LINT-Züge mit Brennstoffzellenantrieb entwickelt und diesen am 20. September 2016 vorgestellt. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 140 km/h und die Reichweite zwischen 600 und 800 Kilometer. Von Mitte September 2018 bis Ende Februar 2020 waren zwei Brennstoffzellen-Züge im Elbe-Weser-Netz der EVB im Raum Bremervörde, wo die Wasserstofftankstelle steht, im Pilotbetrieb unterwegs. Nach Herstellerangaben handelt es sich um den weltweit ersten Personenzug in Serienfertigung, der von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle angetrieben wird. Drei Monate nach dem Start waren Hersteller und Betreiber mit deren Betrieb auf der knapp 100 Kilometer langen Strecke zwischen Cuxhaven und Buxtehude zufrieden.

Die Landesnahverkehrsgesellschaft Niedersachsen hat 14 Brennstoffzellen-Züge bestellt, die ab Sommer 2022 Reisende zwischen Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde und Buxtehude befördern sollen. Sie ersetzen sukzessive die bisherigen Lint-41-Dieseltriebwagen. Dies ist der erste dauerhafte Wasserstoffzug-Linienverkehr der Welt. Am 24. August 2022 wurde der offizielle Start des Wasserstoff-Regelbetriebs in Bremervörde bei einer feierlichen Zeremonie u. a. mit dem niedersächsischen Ministerpräsidenten Stephan Weil bekanntgegeben. Weitere Absichtserklärungen liegen von den Bundesländern Nordrhein-Westfalen, Baden-Württemberg und Hessen vor. Durch den Verkehrsverbund Rhein-Ruhr und das Land Thüringen mussten Ausschreibungen zur Fahrzeug- und Wasserstoffbereitstellung abgebrochen werden, da veranschlagte Bereitstellungskosten in den Ausschreibungen nicht eingehalten wurden.
→ Hauptartikel: Alstom Coradia LINT, Abschnitt iLint

Die vier französischen Regionen Bourgogne-Franche-Comté, Grand Est, Auvergne-Rhône-Alpes und Okzitanien bestellten 2020 insgesamt 14 Régiolis-Wasserstoffzüge bei Alstom. Die Züge können mit 1500 Volt Gleich-, 25 Kilovolt Wechselspannung oder mit Wasserstoff betrieben werden und Geschwindigkeiten bis 160 km/h erreichen. Die Reichweite einer Wasserstofffüllung beträgt 400 bis 600 Kilometer.
→ Hauptartikel: Alstom Coradia Polyvalent, Abschnitt Wasserstoffzüge

Ferrovie Nord Milano bestellte bei Alstom Coradia Stream mit Brennstoffzellenantrieb für einen Einsatz auf der Bahnstrecke Brescia–Iseo–Edolo in Italien. Im Oktober 2023 wurde der erste Triebzug vorgestellt.
→ Hauptartikel: Alstom Coradia Stream, Abschnitt Brennstoffzellenantrieb

Stadler Rail

Triebwagen des Typs Stadler Flirt H2, produziert für die San Bernardino County Transportation Authority; ausgestellt auf der Innotrans 2022

2018 bestellte die Zillertalbahn bei Stadler Rail fünf Wasserstoffzüge. Weil die Dreiteiler mit einer Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h schneller sind als ihre dieselbetriebenen Vorgänger, kann die Fahrzeit von 55 auf 45 Minuten verkürzt werden. Der zum Betrieb benötigte Wasserstoff soll am Ende des Tals in Mayrhofen mit Strom aus Wasserkraft erzeugt werden. Eine Tankfüllung reicht für einen ganzen Betriebstag. Die Tourismusbranche wehrte sich aus ästhetischen Gründen gegen die Elektrifizierung der Strecke. Die Beschaffung von Akkumulatortriebwagen wurde verworfen, weil wegen der Spurweite von 760 mm kaum Platz für die Akkumulatoren vorhanden wäre.
→ Hauptartikel: Zillertalbahn, Abschnitt Elektrifizierung via Brennstoffzellen

Stadler erhielt den Auftrag, für die Bahnstrecke San Bernardino–Redlands im Jahr 2024 einen Flirt H2 zu liefern. Bis 2024 bestellte Kalifornien insgesamt zehn Züge in vierteiliger Ausführung plus Technikwagen für verschiedene Verkehre. Der Flirt H2 besteht aus zwei Endwagenkästen und einem Mittelteil ohne Sitz- oder Stehplätze, dass die Brennstoffzellen und die Wasserstofftanks umfasst.

Siemens

Siemens und die Deutsche Bahn gaben 2020 bekannt, gemeinsam einen Brennstoffzellenzug mit entsprechender Betankungsinfrastruktur zu entwickeln. Der Bahnhersteller entwickelt auf der Basis des Mireo den mit Wasserstoff betrieben Mireo Plus H, das Bahnunternehmen eine neuartige Wasserstofftankstelle zur schnellen Betankung und führt 2024 einen einjährigen Probebetrieb zwischen Tübingen, Horb und Pforzheim durch. Der bis zu 160 km/h schnelle zweiteilige Triebzug hat auf dem Dach zwei Brennstoffzellen, Unterflurbatterien und eine Reichweite von bis zu 800 Kilometern. Um klimaneutral zu werden, hat die Deutsche Bahn rund 1300 Triebzüge zu ersetzen. Die Niederbarnimer Eisenbahn beschafft bei Siemens Mobility Wasserstoff-Brennstoffzellen-Triebzüge, die in Dreifachtraktion mindestens 120 km/h erreichen sollen. Die Züge sollen bis September 2024 geliefert werden.

PESA

Das polnische Unternehmen Pojazdy Szynowe Pesa Bydgoszcz präsentierte 2021 auf der Trako eine wasserstoffangetriebene Lok auf Basis einer SM42.

TIG/m-LLC

Die 2013 eröffnete Straßenbahn Oranjestad verkehrt mit vier im Retrodesign gebauten Triebwagen mit Brennstoffzellenantrieb. Auch bei Dubai Trolley war ein solches Fahrzeug im Einsatz.

Japan

FV-E991 auf Versuchsfahrt im Hafengebiet von Tokio-Yokohama

Die japanische Eisenbahngesellschaft JR Higashi-Nihon erhielt 2022 einen Zweiwagenzug des Typs FV-E991. Der Zug wurde von J-TREC in Zusammenarbeit mit Toyota und Hitachi gefertigt und auf der Tsurumi– und der Nambu-Linie in Tokio-Yokohama erprobt. Der Zug hat eine Reichweite von 140 Kilometern.

Weblinks

Commons: Schienenfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb – Sammlung von Bildern und Videos

• Projekte im Bereich Wasserstoff und Zug, im Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP), NOW GmbH
• Bewertung klimaneutraler Alternativen zu Dieseltriebzügen – Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen am Praxis-Beispiel ›Netz Düren‹. VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik, Frankfurt Juni 2020 (vde.com [PDF; 13,3 MB; abgerufen am 29. Januar 2024]). 

Einzelnachweise

1. Funktionsweise eines Wasserstoffantriebs – die innovativen Komponenten des Mireo Plus H. Auf der Webseite von Siemens Mobility Solutions, 2021.
2. Helmut Schreiner: Mit Wasserstoff durchs Zillertal. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr. 4/2018, Minirex, ISSN 1022-7113, S. 182–185.
3. Wasserstoff-Zug: Weltweit größte Flotte entsteht in Deutschland. Auf: Ingenieur.de, 13. Juli 2021.
4. Werner Pluta: Verkehr: Akkuzüge sind günstiger als Brennstoffzellenzüge. In: golem.de. 23. Juli 2020, abgerufen am 3. Februar 2024. 
5. https://www.isi.fraunhofer.de/content/dam/isi/dokumente/sustainability-innovation/2022/WP01-2022_Alternative_Antriebe_im_Schienenverkehr_Frank_Gnann.pdf
6. Franz Alt: Batteriezug fährt dem Wasserstoffzug davon . Auf: Sonnenseite. Ökologische Kommunikation mit Franz Alt, 1. August 2020.
7. Wolfgang Kling: Mit Wasserstoffzügen das Klima retten? In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr. 7/2022, S. 353–357.
8. Dieter Fockenbrock: Studie: Batteriezug schlägt Wasserstoff-Triebwagen. In: Handelsblatt (online), 12. August 2020.
9. Land Hessen fördert Infrastruktur für Hessens erste Wasserstofftankstelle in Frankfurt-Höchst Pressemitteilung, Rhein-Main-Verkehrsverbund, abgerufen am 27. Mai 2022
10. Wasserstoff-Infrastruktur für die Schiene - Ergebnisbericht, Seite 24-26 NOW GmbH Nationale Organisation Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie, abgerufen am 27. Mai 2022
11. Eineinhalb Jahre erfolgreicher Probebetrieb der weltweit ersten beiden Wasserstoffzüge, nächste Projektphase beginnt Pressemitteilung Alstom, 19. Mai 2020
12. Niedersachsen: Erster Wasserstoffzug nimmt Betrieb auf. In: Spiegel Online. 16. September 2018 (spiegel.de [abgerufen am 22. September 2018]). 
13. dpa: Wasserstoff statt Diesel: Neuartige Züge bewähren sich im Betrieb. In: heise online. 31. Dezember 2018, abgerufen am 1. Januar 2019. 
14. Wasserstoffzug-Website der Eisenbahnen und Verkehrsbetriebe Elbe-Weser EVB
15. NDR-Bericht über die Wasserstoffzug-Weltpremiere
16. Nikolaus Doll: „Hydrail“: Erster Wasserstoff-Zug der Welt fährt in Deutschland. In: welt.de. 20. September 2016, abgerufen am 7. Oktober 2018. 
17. Innovative Antriebe: Chance für einen nachhaltigen und umweltfreundlichen SPNV. In: Spectrum. Nr. 1. Verkehrsverbund Rhein-Ruhr, 2018, S. 15–17 ( [PDF; abgerufen am 14. Oktober 2022]). 
18. Kostenexplosion: Notbremse für Wasserstoff-Zugprojekt im Schwarzatal, MDR Thüringen, 20. Dezember 2021
19. Wasserstoffzug: erste Bestellung erteilt. Auf der Webseite der SNCF, abgerufen am 20. April 2022.
20. First French region signs hydrogen train contract. In: International Railway Journal. 11. März 2021, abgerufen am 28. März 2021 (englisch). 
21. FNM and Alstom present Italy's first hydrogen-powered train. Alstom, 3. Oktober 2023, abgerufen am 27. Januar 2024 (englisch). 
22. Thomas Griesser Kym: Weltpremiere im Zillertal: Stadler Rail liefert Wasserstoff-Züge nach Österreich. In: St. Galler Tagblatt, 18. Mai 2018.
23. Stadler to build more hydrogen trains for California. In: Railvolution. 16. Februar 2024, abgerufen am 19. Februar 2024 (englisch). 
24. Green-tech für die USA: Stadler gewinnt ersten Vertrag für einen mit Wasserstoff betriebenen Zug. Medienmitteilung von Stadler Rail vom 14. November 2019.
25. Diesel-electric low-floor multiple unit FLIRT San Bernardino County Transportation Authority (SBCTA), California USA. Datenblatt von Stadler Rail (englisch; PDF; 1,6 MB).
26. Siemens Mireo Plus H Wasserstoffzug kommt neben Baden-Württemberg auch in Bayern zum Einsatz. In: Urban Transport Magazine, 15. Juli 2021.
27. Berlin/Brandenburg: Siemens liefert Wasserstoffzüge für die Heidekrautbahn. Lok-Report, 9. Februar 2022, abgerufen am 25. Juni 2022
28. PESA Presented Its Hydrogen Locomotive. Railvolution vom 21. September 2021
29. JR East to trial fuel cell multiple-unit. In: Railway Gazette International. Archiviert vom Original; abgerufen am 19. Februar 2024.