Das Konzept des Fuel Cell and Hybrid Power Pack (FCHPP) ist ein modularer Systembaukasten für alternative Schienenfahrzeugantriebe mit Fokus auf den Komponenten Batterie, Brennstoffzelle und Wasserstofftank.
Ziele sind:
- Etablierung eines modularen Ansatzes für emissionsfreie hybride Antriebskonzepte
- Realisierung eines wirtschaftlichen Betriebs sowie Senkung der Lebenszykluskosten
- Einsatz in Triebzügen, Lokomotiven und Sonderfahrzeugen
Diese skalierbaren, modularen und vielseitig einsetzbaren Energiespeicher und Energiewandler sind sowohl für neue Fahrzeuge in verschiedenen Bahnanwendungen (Triebzüge, Strecken- und Rangierloks) als auch für die Nachrüstung bestehender Züge geeignet.
Das FCHPP stellt mit seinen Basisbausteinen anforderungsgerechte Energieversorgungssysteme und -architekturen für Schienenfahrzeuge bereit. Dabei kommen skalierbare Teilsysteme als Module mit definierten Schnittstellen zum Einsatz.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Erforschung und Analyse von Komponenten und Systemen, insbesondere von Traktionsbatterien-, Brennstoffzellen- und Wasserstoffspeichersystemen.
Die Forschung umfasst die energietechnische Auslegung und Konzeption von brennstoffzellen- und batteriebasierten Powerpacks (FCHPP) sowie den Vergleich und die Bewertung von Antriebs- und Energieversorgungssystemen in Schienenfahrzeugen.
Zur Ermittlung der Anforderungen an das FCHPP werden Forschungs- und Entwicklungspartner begleitet, Use-Case-Analysen durchgeführt, Flottenrealdaten ausgewertet oder SPNV-Netze oder einzelne Strecken simuliert. Um die Charakteristika der Infrastruktur zu erfassen setzen die Forscher des DLR umfangreiche Geodatenmodelle ein, bei denen aus einem Mix verfügbarer Daten geschöpft wird.
In diesem Zusammenhang werden Anpassungen des Betriebsprogramms, die benötigte Tank- und Ladeinfrastruktur sowie daraus resultierende Kosten mitberücksichtigt. Die Verbesserung von Komponentenbetriebsstrategien zur Reduktion des Wasserstoffverbrauchs sowie die resultierende Komponentendegradation werden von den DLR-Forschern ebenfalls mit einbezogen. Die Forscher:innen des DLR entwickeln und arbeiten mit einer vielfältigen Toollandschaft zur Simulation und Auslegung der FCHPP-Komponenten sowie deren Energiemanagement.
Methoden und Werkzeuge
Von den DLRForschern werden Softwaretools entwickelt und angewendet, um numerische Optimierungen von Geschwindigkeit und Energiemanagement durchzuführen, sowie optimierte Komponenten- und Systembetriebsstrategien zu entwickeln:
- TPT - Längsdynamisches Simulationstool zur Ermittlung von Trajektorien
- HybTool - Tool zum regelbasierten Energiemanagement von Brennstoffzellen- und Batteriezügen
- RailTech - Monitor - Datenbank mit bahntauglichen Antriebsstrangkomponenten
- SEnSOR - Tool für simultane Optimierung von Geschwindigkeit und Energiemanagement
Das Tool SEnSOR (Smart Energy Speed Optimizer Rail) ermöglicht eine zeitgliche numerische Optimierung des Energiemanagements und der Geschwindigkeit. Dadurch wird der Strom- und Wasserstoffbedarf reduziert, sowie eine Verlängerung der Komponentenlebensdauern erreicht. Das Tool ist nutzbar für BEMU-, HEMU- und Bi-Mode-Fahrzeuge.
Weitere Details sind in nachfolgenden Veröffentlichungen zu finden:
Kühlkamp, Florian und Schenker, Moritz und Konrad, Marcel und Dittus, Holger (2022) Applicability and development of a direct method algorithm for simultaneous optimization of trajectories and energy minimizing control for hybrid fuel cell railway vehicles. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. SAGE Publications. doi: 10.1177/09544097221128765. ISSN 0954-4097.
Rahul Radhakrishnan and Moritz Schenker (2024) Optimization algorithm for minimizing railway energy consumption in hybrid powertrain architectures: A direct method approach using a novel two-dimensional efficiency map approximation; Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2024;238(7):765-774. doi:10.1177/09544097241237836.
Referenzen
Die Expertise der DLR Forscher:innen kommen in Projekten in Zusammenarbeit mit Industrie und Forschungspartnern zum Einsatz:
- FCH2Rail - Entwicklung eines FCHPP-Demonstrators im Realeinsatz
- MOSENAS – Modularer skalierbarer Energiespeicher für einen nachhaltigen Schienenpersonennahverkehr
- Machbarkeitsstudie alternativer Antriebe im Einsatzgebiet von Rangierloks in Deutschland (dlr.de)
- Vorstudie Wasserstoffrangierlokomotive – Duisport (dlr.de)
- ProCo - Propulsion and Coupling | DLR Verkehr
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Kontakt
Dr.-Ing. Michael Schier