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Montag, 12 April 2021 12:13

FCH2RAIL: Brennstoffzellen-Module von Toyota Motor Europe für einen emissionsfreien Triebzug

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Fotos Renfe, Toyota Motor Europe.

Fast die Hälfte der Zugstrecken in der Europäischen Union sind elektrifiziert und ermöglichen einen lokal emissionsfreien Schienentransport. Auf den verbleibenden Streckenabschnitten werden heute Diesel-Triebzüge eingesetzt. Im Rahmen des EU-Projekts FCH2RAIL (Fuel Cell Hybrid Power Pack für Schienenanwendungen) entwickelt und erprobt ein Konsortium mit Partnern aus Belgien, Deutschland, Spanien und Portugal einen neuen emissionsfreien Zugprototyp.

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Herzstück des Projekts ist ein hybrides bimodales Antriebssystem, das Stromversorgung aus den Oberleitungen mit einem "Brennstoffzellen-Hybrid-Power-Pack" (bestehend aus Wasserstoff-Brennstoffzellen und Batterien) kombiniert und unabhängig von den Oberleitungen funktioniert. Das FCH2RAIL-Projekt startete bereits im Januar. Nun wurden die ersten Referenzstrecken und Betriebsszenarien für den Prototyp festgelegt.

Oberleitung und Hybridsystem: Bi-modal, emissionsfrei unterwegs

Das Konzept: Wenn Energie aus der Oberleitung verfügbar ist, nutzt der Zug diese, falls es keine Oberleitung gibt, kommt die Energie aus dem Brennstoffzellen- und dem Batterie-System, dem sogenannten "Fuel Cell Hybrid Power Pack". "Wir möchten zeigen, dass diese Art bimodaler Zug eine wettbewerbsfähige und umweltfreundliche Alternative zum Dieselzug ist ", erklärt Wissenschaftler und Projektleiter Holger Dittus vom Institut für Fahrzeugkonzepte (DLR).

Heutzutage werden zahlreiche Zugstrecken in Europa mit Oberleitungen ausgerüstet, was kostenträchtig und langwierig ist, da die Umsetzung oft von den geographischen Gegebenheiten abhängt. Eine Alternative sind rein batteriegetriebene Züge, die jedoch über eine begrenzte Reichweite verfügen (30 bis 70 Kilometer), je nach Streckenprofil und Außentemperaturen. Moderne Dieselzüge weisen eine geringere Leistung und Beschleunigung im Vergleich zu den aus Oberleitungen gespeisten elektrischen Antrieben auf. "Unser bimodales hybrides Brennstoffzellen-Batterie-System nutzt die Vorteile beider Technologien: Energie aus den Oberleitungen oder aus der Versorgung an Bord. Damit können wir den Schienentransport noch nachhaltiger und energieeffizienter gestalten", erläutert der technologische Leiter Sergio Gascon von Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF) das wichtigste Ziel des Projekts.

Das Energieversorgungssystem wird so ausgelegt, dass Leistung und Reichweite auf der Grundlage eines modularen Prinzips erweitert werden können: Die Anzahl der Brennstoffzellen und Batteriemodule beeinflusst die Antriebskraft, während die Anzahl der Wasserstofftanks die Reichweite auf nicht elektrifizierten Strecken bestimmt. So kann die Triebeinheit sowohl für den Personen- wie auch für den Gütertransport eingesetzt werden.

Mit einem Budget von 14 Millionen Euro widmet sich das Projekt dem Ziel, in den nächsten vier Jahren ein Wasserstoff-Antriebssystem zu entwickeln, im Triebzug zu demonstrieren und auch zuzulassen. Das Projekt wird mit 10 Millionen Euro vom europäischen Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking (FCH 2 JU) unterstützt."Unsere Studie zu Wasserstoff- und Brennstoffzellen im Schienenverkehr offenbarte, dass es ein signifikantes Potential für Brennstoffzellen-Technologien im Schienenverkehr gibt und dass wasserstoffbetriebene Züge ein wichtiger Baustein im Aufbau eines nachhaltigen europäischen Transportsystems sein werden", erklärt Bart Biebuyck, Exekutivdirektor von FCH 2 JU. "Die Europäische Kommission lässt mit ihrer Wasserstoffstrategie keinen Zweifel daran, dass Wasserstoff eine vielversprechende Option ist, wenn die Elektrifizierung auf Schwierigkeiten stößt, so wie in bestimmten Teilen des Schienennetzes. Das FCH2RAIL-Projekt wird zeigen, dass diese Technologie eine flexible emissionsfreie Lösung darstellt, um in diesen Bereichen Dieselzüge zu ersetzen. Ich bin schon sehr gespannt auf die weiteren Ergebnisse."

Auf die Schiene gesetzt: Funktionsprüfungen mit einem umgebauten Nahverkehrszug

Um die Umweltauswirkungen eines derartigen Systems von seiner Herstellung, über die Nutzung bis zur Entsorgung zu verstehen und die Leistungsfähigkeit unter realen Bedingungen zu bewerten, ist geplant, einen elektrischen CIVIA-Nahverkehrszug (vom spanischen Hersteller CAF gebaut) umzubauen und ihn mit einem Brennstoffzellen-Hybrid-Powerpack auszurüsten.

Die staatliche spanische Eisenbahngesellschaft Renfe stellt den Zug zur Verfügung. Eine der zentralen Komponenten des Energiesystems an Bord sind die Brennstoffzellen-Systemmodule von Toyota Motor Europe (TME), während die Batterien und Stromrichter von CAF geliefert werden. Erste Funktionsprüfungen und der Probebetrieb für die Zulassung wird auf spanischen und portugiesischen Strecken mit Unterstützung der Infrastrukturbetreiber Administrador de Infrastructuras Ferroviarias (ADIF) und Infraestruturas de Portugal (IP) durchgeführt. Das spanische Wasserstoff-Forschungszentrum Centro National de Hidrogeno (CNH2) wurde mit dem Bau einer Wasserstofftankstelle für das Befüllen des Prototyps und die FCHPP-Tests vor dem Einbau in den Zug beauftragt. Wir freuen uns über diese Gelegenheit, mit dem Konsortium zusammenzuarbeiten, um unsere Brennstoffzellentechnologie für eine weitere Wasserstoffanwendung zu nutzen. Wasserstoff spielt eine wichtige Rolle dabei, Europas Schienennetz kohlenstoffärmer zu machen. Die Einbindung von Toyota-Brennstoffzell-Modulen in das "Fuel Cell Hybrid Power Pack” begeistert uns, erklärt Thiebault Paquet, Direktor des Geschäftsbereichs Fuel Cell Business bei Toyota Motor Europe.

Systemdesign, Energiemanagement und Zulassung

Bis die ersten Probeläufe beginnen, hat das internationale Projektteam noch eine Reihe technologischer Herausforderungen zu bewältigen: Für das vorgesehen Design müssen Brennstoffzellen und Batteriemodule kombiniert und so gesteuert werden, dass das System alle Anforderungen erfüllt und gleichzeitig auch kosteneffizient umgesetzt werden kann. Darüber hinaus soll gezeigt werden, dass die Abwärme der Brennstoffzellenmodule effizient für die Heizungs- und Klimaanlage des Zuges genutzt werden kann. Der Hersteller der Klimaanlage Faiveley / Stemmann Technik (STT) und das DLR sind dabei, innovative Lösungen für die Reduzierung des Energiebedarfs für die Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage (HVAC) als Teil des Projekts zu erforschen.

Das Projekt prüft darüber hinaus bestehende Normen und Standards in den Bereichen Wasserstoff und Eisenbahnwesen und versucht, beide zu kombinieren, um eine jederzeit sichere Verzahnung zwischen der Wasserstofftechnologie und dem Fahrleitungssystem sicherzustellen. Auf dieser Grundlage entwickelt das Projekt-Team Vorschläge für die zuständigen Behörden, um EU-weit Zulassungen für derartige Züge in Zukunft zu erleichtern.

Pressemeldund DLR, Toyota, CAF, u.a.

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Letzte Änderung am Montag, 12 April 2021 12:23