Züge der Zukunft

Der zweiteilige Wasserstoffzug, der bei dem Test zum Einsatz kommen soll, wurde von Siemens – dem Unternehmen, das auch den ICE baut – auf der Basis des konventionellen Modells „Mireo“ entwickelt. Er trägt dementsprechend den Namen „Mireo Plus H“. Der Zug verfügt über ein 400 Kilowatt starkes Brennstoffzellensystem, das den in Drucktanks auf dem Dach gespeicherten Wasserstoff mithilfe von Luftsauerstoff in Strom umwandelt. Damit wird ein Lithium-Ionen-Batterie geladen, der auch beim Bremsen zurückgewonnene Energie speichert und den Elektroantrieb des Zugs speist. Der Umweg über die Batterie als Zwischenspeicher ist notwendig, weil Brennstoffzellen für schnelle Beschleunigungsvorgänge, die viel elektrischen Strom verbrauchen, noch zu träge sind. Allerdings sind sie noch längst nicht zu Ende entwickelt.

Mit einer Reichweite von bis zu 800 Kilometern und einer Höchstgeschwindigkeit von 160 Kilometern pro Stunde wird der Mireo Plus H laut Siemens genauso leistungsfähig sein wie elektrische Triebzüge. Und anders als Dieselzüge, die CO2, Stickoxide und Rußpartikel in die Luft blasen, wird bei der Fahrt des Wasserstoff-Mireo, den 2024 auch die zum französischen Transdev-Konzern gehörende Bayerische Regiobahn auf zwei Regionallinien testen will, nur Wasserdampf als Abgas frei.

Allerdings: Siemens-Rivale Alstom ist schon deutlich weiter. Dessen Wasserstoffzug namens Coradia iLint ist mit Tempo 140 zwar etwas langsamer als der Mireo Plus H. Er hat jedoch den Probebetrieb bereits hinter sich, wird mittlerweile in Serie hergestellt und fährt seit 2018 im Linienverkehr der Eisenbahnen und Verkehrsbetriebe Elbe-Weser auf der Strecke zwischen Buxtehude, Bremerhaven und Cuxhaven. Der im Alstom-Werk im niedersächsischen Salzgitter gefertigte zweiteilige Triebwagen, der 2016 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde, ist der weltweit erste Zug mit Brennstoffzellenantrieb. Damit kann der französische Konzern, der auch den ICE-Konkurrenten TGV baut und wartet, in Sachen Wasserstoffzug einen mehrjährigen Entwicklungsvorsprung gegenüber Siemens vorweisen – und sich über einen regen Auftragseingang von Bahnunternehmen und Verkehrsverbünden freuen.

Kombi aus Batterie und Oberleitung

Doch die Dekarbonisierung des Schienenverkehrs ist nicht nur ein Wettlauf von Großkonzernen, sondern auch das Rennen zweier Technologien. Denn um den Bahnverkehr auf Strecken ohne Oberleitung klimaneutral abwickeln zu können, kommen neben Zügen mit Brennstoffzelle und Wasserstofftank auch Akku-Hybrid-Züge infrage, die Oberleitung und Batterie kombinieren. Das Konzept: Auf elektrifizierten Strecken fließt der Strom für den Elektromotor – wie bei herkömmlichen E-Loks – aus dem Fahrdraht. Zugleich wird ein Lithium-Ionen-Akku geladen, der auf Strecken ohne Oberleitung in die Bresche springt.

Außerdem wird zurückgewonnene Bremsenergie eingespeist. Die Technik ist bereits in der Serienfertigung. Sowohl Alstom als auch Siemens wollen ab 2023 ihre ersten Akku-Hybrid-Triebwagen an Verkehrsverbünde in Baden-Württemberg und Sachsen ausliefern.

Doch auf diesem Feld sind die beiden Großkonzerne nicht unter sich. Neben Alstom und Siemens hat sich Stadler Rail als Dritter im Bunde etabliert. Der Schienenfahrzeughersteller aus der Schweiz kann mit seinem „Flirt Akku“ locker neben den beiden Großen bestehen. Das Fahrzeugkonzept des dreiteiligen batterie-elektrischen Triebzugs basiert auf der für reinen Oberleitungsbetrieb konzipierten Flirt-Reihe, besitzt aber zusätzlich vier Akku-Pakete. Der in Aluminium-Leichtbauweise gefertigte Zug erreicht bis zu 160 Kilometer pro Stunde und bietet Platz für 310 Passagiere.

Im Dezember 2021 schaffte der Flirt- Akku mit einer einzigen Batterieladung eine Strecke von 224 Kilometern – und damit den Eintrag ins Guinness-Buch der Rekorde für die längste Fahrt eines Batterietriebzugs im reinen Batteriemodus.

Viele Einflüsse auf die Reichweite

Derart große Reichweiten braucht es im deutschen Gleisnetz allerdings nicht, meint Benjamin Ebrecht, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Bahnbetrieb und Infrastruktur der Technischen Universität Berlin: „Im Nahverkehr sind die Hälfte aller im Dieselbetrieb befahrenen Linien nicht länger als 40 Kilometer.“ Oberleitungslose Strecken mit 100 oder mehr Kilometer Länge sind die Ausnahme. „Allerdings hängt die mit Batterien erzielbare Reichweite auch vom Wetter, dem Fahrstil, der Streckentopografie und der gefahrenen Geschwindigkeit ab“, erläutert der Wissenschaftler.

Die größeren Reichweiten, die sich mit Wasserstoffzügen erzielen lassen, sind im deutschen Schienennetz demnach kein Argument, das gegen einen Einsatz von Akku-Hybrid-Triebwagen spricht. Akku-Hybrid-Züge haben zudem den Vorteil, dass Batterien einen besseren Wirkungsgrad als Brennstoffzellen besitzen und während der Fahrt aufgeladen werden können. Hinzu kommt, dass Wasserstoff teuer ist und grüner Wasserstoff in ausreichender Menge in absehbarer Zeit kaum zu bekommen sein wird. Bei ersten Ausschreibungen haben sich die für den Nahverkehr zuständigen Bundesländer deshalb fast immer für Batteriezüge entschieden – zum Beispiel in Berlin, Brandenburg, Rheinland-Pfalz und Nordrhein-Westfalen. Lediglich bei geförderten Pilotprojekten kamen Wasserstoffzüge zum Einsatz.

„Technisch sind sich Akku-Hybrid- und Wasserstoffzüge sehr ähnlich“, sagt Benjamin Ebrecht. „Bei beiden Varianten wird ein Akku geladen, der den Fahrstrom für die Motoren liefert.“ Beide Techniken haben ihre Stärken und Schwächen, meint der Wissenschaftler. „Die Tendenz geht aber zum Batteriezug.“

Klimaneutraler Zugverkehr ist nicht nur in Deutschland ein Thema. Auch das Gleisnetz der USA ist in weiten Teilen ohne Oberleitung – und damit ein potenzielles Einsatzgebiet für Brennstoffzellenzüge, die dort ihre Stärke gegenüber Akku-Hybrid-Zügen ausspielen könnten: die deutlich größere Reichweite.

Stellt sich die Frage, warum man nicht einfach alle noch nicht elektrifizierten Schienenstrecken mit Oberleitungen nachrüstet? „Das ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit“, sagt TU-Wissenschaftler Ebrecht. Ein Kilometer Oberleitungsstrecke koste mindestens eine Million Euro. „Müssen Tunnel und Brücken erweitert werden, können die Kosten schnell auf 25 Millionen Euro pro Kilometer steigen“, stellt Ebrecht fest. Für wenig befahrene Strecken sei das schlicht unrentabel.

Allerdings würde es helfen, auch den Güterverkehr klimaneutral zu machen, denn vollelektrische Lokomotiven mit großer Zugkraft, wie sie für schwere Güterzüge benötigt werden, sind auf Fahrdrähte angewiesen. „Eine schwere Güterlok mit Batterieantrieb ist unmöglich“, sagt der Forscher aus Berlin. „Die benötigte Batterie wäre viel zu groß.“

Laut DB Cargo, der Güterverkehrstochter der Deutschen Bahn, fahren auf deutschen Schienen noch rund 900 Dieselloks älterer Bauart. Sie müssen in den nächsten 10 bis 20 Jahren durch Loks mit alternativem Antrieb ersetzt werden, denn ab 2040 will der Konzern komplett klimaneutral fahren. Dabei sollen sogenannte Zweikraftloks eine wichtige Rolle spielen. Das sind elektrische Loks, die den Fahrstrom im Normalfall per Stromabnehmer aus der Oberleitung ziehen, auf nicht elektrifizierten Strecken aber auf einen Dieselmotor umschalten, der einen Generator zur Erzeugung des Fahrstroms antreibt.

Gute Lösung für Güterzüge

Zweikraftloks sind im Güterverkehr flexibel einsetzbar, denn für Strecken ohne Oberleitung entfällt der Wechsel der Lokomotive, während sich auf elektrifizierten Abschnitten der Diesel abschalten lässt. Einige Hundert solcher Lokomotiven hat die Bahn bereits 2020 bei Siemens bestellt. Die ersten 150 sollen 2023 ausgeliefert werden.

Zweikraftloks verringern den Klimagasausstoß zwar deutlich, drücken ihn aber nicht auf null – und sind damit zunächst eine Übergangstechnik, die sich nur mithilfe synthetischer Kraftstoffe klimaneutral stellen ließe. Allerdings: Eines Tages könnten Zweikraftloks von weiterentwickelten Brennstoffzellenloks abgelöst werden, die Wasserstoff nicht mehr in Drucktanks mitführen, sondern chemisch gebunden in einer organischen Trägerflüssigkeit, die sich genauso leicht händeln lässt wie Dieselkraftstoff.

Die sogenannte LOHC-Technologie wird am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien erforscht. Dabei bindet Benzyltoluol, ein Wärmeträger-Öl aus der Gruppe der aromatischen Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und gibt ihn bei Bedarf wieder frei. Ein Liter LOHC – die Abkürzung steht für Liquid Organic Hydrogen Carrier – kann über 650 Liter gebundenen Wasserstoff speichern. Das Träger-Öl lässt sich mehrere Hundert Mal beladen, bevor es wieder aufbereitet werden muss.

Wasserstoff in Öl

Die Forscher am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg haben ein LOHC-System entwickelt, das sich stationär, aber auch mobil einsetzen lässt. Es besteht aus zwei Tanks – der eine für beladenes, der andere für entladenes LOHC – und einem Wandler, der den Wasserstoff aus der Trägerflüssigkeit herauslöst. Während das nunmehr entladene LOHC für die Neubeladung zwischengelagert wird, kann der freigesetzte Wasserstoff eine Tankstelle versorgen – beispielsweise an einem Bahnhof, wo Brennstoffzellen-Züge betankt werden könnten.

Das eigentliche Ziel der Helmholtz-Forscher ist jedoch, Züge direkt mit LOHC zu betanken. Der Wasserstoff würde dann im Fahrbetrieb freigesetzt und in der Brennstoffzelle verstromt. Damit ließe sich auch eine Schwäche der LOHC-Technik beheben: Für das Freisetzen des Wasserstoffs muss das Träger-Öl stark erhitzt werden, was seinen Energiegehalt um etwa ein Drittel schmälert. Im Zug ließe sich dafür die Abwärme der Brennstoffzelle nutzen, die im Fahrbetrieb ohnehin anfällt.

Um die neue Technik erproben zu können, tüfteln die Forscher derzeit an einem Zugdemonstrator. „Den Strom für die Lok könnte beispielsweise ein Tender liefern, der das LOHC-Power-Pack beinhaltet“, beschreibt Peter Wasserscheid, der das Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg leitet, das Projekt. Und man könne das LOHC-Power-Pack auch im Dach unterbringen. Später einmal sollen die Speicherelemente an einer Vectron-Lokomotive, einer Modellreihe von Siemens, die in konventioneller Bauart sowohl im schnellen Reiseverkehr als auch im Güterverkehr fährt, das LOHC-Konzept umsetzen.

LOHC könnte zudem den Transport von grünem Wasserstoff vereinfachen. Denn anders als Wasserstoff, der auf 300 Bar komprimiert oder bei Temperaturen von unter minus 250 Grad Celsius verflüssigt wird, ist in LOHC gelöster Wasserstoff weder explosiv noch leicht entflammbar. Das Gemisch könnte deshalb wie herkömmliche Kraftstoffe in Tanklastern geliefert und in Dieseltanks gespeichert werden. „Für die weltweite Betankung mit Druck- oder Flüssigwasserstoff müsste eine völlig neue Infrastruktur aufgebaut werden“, argumentiert Wasserscheid. Die LOHC-Technologie ermögliche es dagegen, die bestehende Tankinfrastruktur weitgehend beizubehalten und zugleich grünen Wasserstoff für große und schwere Fahrzeuge verfügbar zu machen, bei denen batterie-elektrische Antriebe wenig sinnvoll sind.

Eine Pfandflasche für die Bahn

„Man muss sich LOHC wie eine Art flüssige, mit Wasserstoff gefüllte Pfandflasche vorstellen, deren energiereicher Inhalt für den Zugantrieb abgezapft wird“, erläutert der Ingenieur. Danach geht die entladene Trägerflüssigkeit – wie eine geleerte Pfandflasche – zurück an den Versorger. Dort wird sie wieder befüllt, und der Kreislauf beginnt von neuem.

Damit erschließt LOHC der globalen Wasserstoffwirtschaft, die vermutlich geprägt sein wird durch Importe aus Erzeugerländern in aller Welt, neue Transportmöglichkeiten. Allein Deutschland benötigt für die Dekarbonisierung seiner Wirtschaft laut Nationaler Wasserstoffstrategie bereits 2030 zwischen 90 und 110 Terawattstunden grünen Wasserstoff. Davon können trotz des geplanten forcierten Ausbaus erneuerbarer Energien nur etwa 14 Terawattstunden mit Solarmodulen, Windrädern und Elektrolyseuren im Inland erzeugt werden.

Das bedeutet, dass vor allem Bereiche, die nicht zu elektrifizieren sind – etwa der Luft- und Schiffsverkehr sowie die Stahl-, Chemie- und Zementindustrie – auf Wasserstoff-Importe aus dünn besiedelten, sonnen- oder windreichen Weltregionen angewiesen sind. In Ländern wie Spanien, Marokko, Namibia, Chile oder Neuseeland könnte grüner Wasserstoff erzeugt und, verpackt in LOHC, per Pipeline oder Tankschiff nach Deutschland geschafft werden.

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