Das Projekt FCH2Rail, in dessen Rahmen ein bimodaler Demonstrationszug mit Wasserstoff-Brennstoffzellen entwickelt wird, hat einen wichtigen Meilenstein erreicht, indem es die Genehmigung für Testfahrten auf dem spanischen Eisenbahnnetz erhalten und die erste der geplanten Strecken mit der Ankunft der Einheit im Bahnhof von Canfranc in den aragonesischen Pyrenäen abgeschlossen hat. Der Demonstrationszug ist der erste Wasserstoffzug, der diesen Meilenstein erreicht hat. Dies ist ein besonderes Highlight, denn die Canfranc-Strecke ist aufgrund ihrer steilen und hohen Steigungen eine besonders anspruchsvolle Strecke, die eine große Herausforderung für die neuen Stromerzeugungssysteme darstellt. Zu diesem Zweck ist der Demonstrationszug, eine Civia-Pendlereinheit von Renfe, auf der Strecke Zaragoza-Canfranc sowohl im elektrischen Betrieb im elektrifizierten Bereich als auch im Hybridbetrieb mit einer Kombination aus Wasserstoff-Brennstoffzellen und Batterien in den nicht elektrifizierten Abschnitten gefahren.
FCH2RAIL
Wasserstoff-Brennstoffzellen entwickelt wird, hat einen wichtigen Meilenstein erreicht, indem es die Genehmigung für Testfahrten auf dem spanischen Eisenbahnnetz erhalten und die erste der geplanten Strecken mit der Ankunft der Einheit im Bahnhof von Canfranc in den aragonesischen Pyrenäen abgeschlossen hat. Der Demonstrationszug ist der erste Wasserstoffzug, der diesen Meilenstein erreicht hat. Dies ist ein besonderes Highlight, denn die Canfranc-Strecke ist aufgrund ihrer steilen und hohen Steigungen eine besonders anspruchsvolle Strecke, die eine große Herausforderung für die neuen Stromerzeugungssysteme darstellt. Zu diesem Zweck ist der Demonstrationszug, eine Civia-Pendlereinheit von Renfe, auf der Strecke Zaragoza-Canfranc sowohl im elektrischen Betrieb im elektrifizierten Bereich als auch im Hybridbetrieb mit einer Kombination aus Wasserstoff-Brennstoffzellen und Batterien in den nicht elektrifizierten Abschnitten gefahren.
Derzeit läuft eine neue Testphase auf der Strecke mit dem Ziel, die neue Technologie in einem breiten Spektrum von Leistungs- und Energiebedarfsbedingungen zu testen und dabei verschiedene kommerzielle Dienste zu simulieren. Zu diesem Zweck soll der Zug auf verschiedenen Strecken des spanischen Eisenbahnnetzes eingesetzt werden, hauptsächlich auf Strecken in Aragonien, Madrid und Galicien. Zu den Testszenarien gehören Fahrten unter verschiedenen klimatischen und betrieblichen Bedingungen. Dies wird eine umfassendere Charakterisierung der neuen Bordtechnologie ermöglichen, um anschließend die Wettbewerbsfähigkeit der neuen Bimode-Hybrid-Antriebslösung mit Wasserstoff-Brennstoffzellen als nachhaltige Alternative zur Dieseltraktion, die derzeit auf vielen Strecken eingesetzt wird, zu bewerten.
Das Projekt FCH2Rail wird von einem Unternehmenskonsortium durchgeführt, das sich aus CAF, DLR, Toyota, Renfe, Adif, CNH2, IP und Stemmann-Technik zusammensetzt. Der Demonstrationszug basiert auf einem bestehenden Nahverkehrszug von Renfe, in dem CAF ein neues Stromerzeugungssystem installiert hat, das die Energie von Wasserstoff-Brennstoffzellen und Batterien hybridisiert. Dieses neue Stromerzeugungssystem wurde in das bestehende Antriebssystem des Fahrzeugs integriert. Nach der statischen Testphase im CAF-Werk in Saragossa und der ersten Wasserstoffbetankung begannen Mitte 2022 die dynamischen Tests auf einer geschlossenen Strecke, die der Optimierung des neuen Antriebssystems vor der aktuellen Testphase auf repräsentativen Strecken des spanischen Eisenbahnnetzes dienten. Der Beginn dieser neuen Testphase bedeutete die erste Genehmigung der Adif für den Testbetrieb eines Wasserstoffzuges auf der spanischen Eisenbahninfrastruktur, wobei alle mit der Erprobung neuer Technologien verbundenen Risikoanalysen und Sicherheitsvalidierungen bestanden wurden. Gleichzeitig wurden die Lokführer und Zugmanager von Renfe für das Führen des zu einem bimodalen Wasserstoffzug umgebauten CIVIA geschult.
Der Erfolg bei der Entwicklung dieses Projekts bestätigt und stärkt das Engagement der Unternehmen, die das FCH2Rail-Konsortium bilden, für die Entwicklung umweltfreundlicher Mobilitätslösungen. Ebenso zählt das Projekt in dieser Testphase auf die unschätzbare Zusammenarbeit mit Unternehmen wie IBERDROLA bei der Lieferung von grünem Wasserstoff für die Zugtests, SHIE-ARPA, das eine Hochdruck-Wasserstoff-Dosierlösung bereitstellt, und Ercros, einem Hersteller von grünem H2 für Mobilitätsanwendungen, der die Nutzung seiner Anlagen in Sabiñanigo während der Testphase zwischen Sabiñanigo und Canfranc ermöglicht hat.
Unsere Motivation
Die Hälfte der Bahnstrecken in der Europäischen Union ist elektrifiziert und ermöglicht bereits einen emissionsfreien Nahverkehr. Auf den restlichen Streckenabschnitten werden dieselbetriebene Züge eingesetzt. Im EU-Projekt FCH2RAIL (Fuel Cell Hybrid Power Pack for Rail Applications) entwickelt und testet das Konsortium mit Partnern aus Belgien, Deutschland, Spanien und Portugal einen neuartigen Zugprototyp: Kernstück des Projekts ist ein hybrider, bimodaler Antrieb, der die elektrische Energieversorgung aus der Oberleitung mit einem oberleitungsunabhängigen Hybrid-Powerpack aus Brennstoffzellen und Batterien kombiniert.
Oberleitung und Hybridsystem: Bimodales, emissionsfreies Reisen
Die Grundidee: Wo Energie aus der Oberleitung zur Verfügung steht, fährt der Zug damit weiter. Wo es keine Oberleitungen gibt, kommt die Energie aus dem Brennstoffzellen-Batteriesystem, dem "Fuel Cell Hybrid Power Pack".
Wir wollen zeigen, dass ein solches bimodales Kraftpaket eine wettbewerbsfähige und umweltfreundliche Alternative zum Dieselantrieb ist
Europaweit werden immer mehr Bahnstrecken elektrifiziert, d.h. mit Oberleitungen ausgestattet. Ein sehr teures und langwieriges Projekt, das immer von den lokalen geografischen Gegebenheiten abhängt. Rein batteriebetriebene Züge haben eine begrenzte Reichweite von 30 bis 70 Kilometern, je nach Streckenprofil und Außentemperaturen. Heutige Dieselzüge haben im Vergleich zu oberleitungsbetriebenen Fahrzeugen Einschränkungen bei Geschwindigkeit und Beschleunigung. "Unser bimodales Brennstoffzellen-Batterie-System kombiniert die Vorteile beider Technologien. Damit können wir den Schienenverkehr noch nachhaltiger und energieeffizienter gestalten", fasst Eva Terron, technische Projektleiterin bei Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF), das Hauptziel des Projekts zusammen.
Mit einem Budget von 14 Millionen Euro soll ein solches System innerhalb der nächsten vier Jahre entwickelt, demonstriert und zugelassen werden. Das Projekt wird mit 10 Millionen Euro durch das Gemeinsame Unternehmen Fuel Cells and Hydrogen 2 (FCH 2 JU, jetzt Clean Hydrogen Partnership) finanziert.
Skalierbare Antriebseinheit für effiziente Produktion
Das Energieversorgungssystem soll so konzipiert werden, dass Leistung und Reichweite nach einem Baukastenprinzip erweitert werden können: Die Anzahl der Brennstoffzellen- und Batteriemodule beeinflusst die Antriebsleistung, die Anzahl der Wasserstofftanks bestimmt die Reichweite auf nicht elektrifizierten Strecken. Auf diese Weise kann die Antriebseinheit sowohl für den Einsatz im Personen- als auch im Güterverkehr ausgelegt werden. Diese Konstruktion ermöglicht es auch, die benötigten Komponenten in größeren Stückzahlen und damit kostengünstiger zu produzieren.
Auf die Schiene gebracht: Funktionstests mit umgebautem Nahverkehrszug
Welche Bahnstrecken eignen sich für Probefahrten in Spanien und Portugal? Und welche Umweltauswirkungen hat ein solches System, von der Herstellung über die Nutzung bis zur Entsorgung? Um diese Fragen in einem Test unter realen Bedingungen zu beantworten, ist geplant, einen elektrischen Nahverkehrszug CIVIA des spanischen Herstellers CAF umzubauen und ein Brennstoffzellen-Hybrid-Aggregat zu integrieren. Der Zug wird von der spanischen Staatsbahn Renfe Operadora zur Verfügung gestellt. Die zentralen Komponenten sind Brennstoffzellensysteme von Toyota Motor Europe (TME). Mit Unterstützung der Infrastrukturbetreiber Administrador de Infrastructuras Ferroviarias (ADIF) und Infraestruturas de Portugal (IP) sollen erste Funktionstests und Probefahrten für die Zulassung auf spanischen und portugiesischen Strecken durchgeführt werden. Das spanische Wasserstoff-Forschungszentrum Centro National de Hidrogeno (CNH2) wurde mit dem Bau einer Wasserstofftankstelle zur Betankung des Prototyps betraut.
Konzeption und Steuerung des Systems, Energiemanagement und Zulassung
Bis zu den ersten Testläufen muss das internationale Projektteam noch eine Reihe von technologischen Herausforderungen lösen: Für das Design müssen Brennstoffzellen- und Batteriemodule so kombiniert und gesteuert werden, dass das System alle Anforderungen erfüllt und gleichzeitig kostengünstig realisiert werden kann. Außerdem sollte es möglich sein, die Abwärme der Brennstoffzelle möglichst geschickt zum Heizen und Klimatisieren des Zuges zu nutzen. Der Klimaanlagenhersteller Faiveley / Stemmann Technik (STT) und das DLR untersuchen im Rahmen des Projekts innovative Lösungen zur Reduzierung des Energiebedarfs für Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK). Darüber hinaus analysiert Stemmann die Wechselwirkung des Stromabnehmersystems mit Wasserstoffsystemen.
Ein weiterer kritischer Punkt ist das jederzeit sichere Zusammenspiel von Wasserstofftechnologie und Oberleitung: Denn Wasserstoff ist ein sehr flüchtiges und reaktives Gas, und in Oberleitungen kann es gelegentlich zu Funkenbildung kommen. Das Projekt untersucht daher Normen und Standards in den Bereichen Wasserstoff und Schienenverkehr und versucht, beide zusammenzubringen. Auf dieser Grundlage entwickelt das Projektteam Vorschläge für die Zulassungsbehörden, damit solche Züge in naher Zukunft EU-weit leichter zugelassen werden können.
Laufzeit
01/2021 - 12/2024
Partner
FCH2RAIL