05.10.2022

Schiene: Grüne Welle für Grünen Wasserstoff

Dampfend, stinkend, lärmend – aber klimaneutral? Mit Wasserdampf fuhr einst die Eisenbahn auf der Schiene. Wegen der Kohlefeuerung allerdings mit einem CO2-Klimarucksack. Besser für das Klima könnte die Eisenbahn wieder mit einem Bestandteil des Wassers fahren: grünem Wasserstoff.

Schiene Wasserstoff

Aussicht auf klimaneutrale Eisenbahn

Aufhorchen lassen Experten der Ingenieurverbände Verein Deutscher Ingenieure e.V. (VDI) und Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE). Ihnen zufolge könnte der Schienenverkehr in Deutschland mit Hilfe von grünem Wasserstoff einen weiteren Schritt in Richtung Klimaneutralität machen. Die Organisationen zeigen in einem gemeinsamen Impulspapier, wie der Bahnverkehr vor allem mit Wasserstoffzügen auf den Einsatz von fossilen Energieträgern verzichten könnte. Ergänzend empfehlen die Ingenieure, Züge mit batteriebasierten Antriebssystemen einzusetzen.

Bereits 2017 wurde auf einer internationalen Investorenkonferenz in Valletta (Malta) eine Entwicklung von Wissenschaftlern u.a. der Universität Rostock mit der Bezeichnung „Wasserstoff-Ei“ vorgestellt, welches die in dem Impulspapier konstatierten Probleme der Bereitstellung und Nutzung von Grünem Wasserstoff beheben könnte. Näheres dazu in dem Beitrag „Das Wasserstoff-Ei des Kolumbus: Revolution in der Energieversorgung?“.

Ausbau Oberleitung der Bahn über 1,5 Millionen Euro/km

Im Kampf gegen den Klimawandel will die Politik den Schienenverkehr in Deutschland weiter ausbauen. Die Züge sollen möglichst mit grünem Strom fahren. Bis 2030 – also bereits in acht Jahren – will die Regierung 75 Prozent des Schienennetzes elektrifizieren. In Deutschland sind derzeit 61 Prozent des Schienennetzes elektrifiziert. Laut „Allianz pro Schiene“ erbrachte sie 2021:

  • 90 Prozent der Verkehrsleistung im Schienenverkehr elektrisch,
  • zehn Prozent im Dieselbetrieb.

Den Bahnverkehr auf einem vollständig elektrifizierten Netz zu betreiben wäre laut VDI/VDE-Pressemitteilung nur mit hohem Aufwand und Kosten möglich. Er würde zudem bei den aktuellen Planungs- und Ausbaukapazitäten zu lange dauern. Die Kosten für die Errichtung der Oberleitungsanlagen sowie notwendige Begleitmaßnahmen liegen laut „DB Netz“ durchschnittlich bei mehr als 1,5 Millionen Euro pro Kilometer.

Bei Elektrifizierungslücken Batteriefahrzeuge und Wasserstoff

Rüdiger Wendt, Mitglied im VDI-Fachbeirat Bahntechnik: „Antriebe mit Oberleitung sind im Bahnverkehr das Mittel der Wahl, weil sie am effizientesten sind.“ Doch überall da, wo es Lücken bei der Elektrifizierung gibt, biete sich der Einsatz an von

  • Brennstoffzellenfahrzeuge oder Wasserstoffzüge: verfügen über einem elektrischen Antriebsstrang, nutzen aber für die Energiespeicherung Wasserstoff. Für die Stromerzeugung aus Wasserstoff kommen Brennstoffzellen, heute üblicherweise Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEM-FC), zum Einsatz. Wasserstoff kann in größeren Mengen an Bord von Fahrzeugen gespeichert werden. Diese Technologie eignet sich damit auch für den Betrieb auf langen Strecken und potenziell für Anwendungen im Lokomotivbereich. Die auf dem Markt verfügbaren Brennstoffzellen-/Batterie-Hybridfahrzeuge (FCMU) bieten eine Reichweite von bis zu 1.000 km. Die Speicherung von Wasserstoff kann in flüssiger oder gasförmiger Form erfolgen. Der höhere Energiebedarf zur Verflüssigung des Wasserstoffs und gegebenenfalls bei der Lagerung anfallende Boil-off-Verluste sprechen eher für eine gasförmige Bevorratung. Speicherdrücke von 350 bar gelten bei Schienenfahrzeugen als Stand der Technik.
  • Batteriefahrzeugen oder Oberleitungs-/Batterie- Hybridfahrzeuge (BEMU): Erweiterung des bestehenden Systems, da die Traktionsbatterie während der Fahrt in elektrifizierten Bereichen aufgeladen werden kann. Im fahrleitungsfreien Betrieb erfolgt die Stromversorgung aller elektrischen Verbraucher aus der Traktionsbatterie, wobei in der Regel Lithium-Ionen- Batterien zum Einsatz kommen. Der nutzbare Energieinhalt der Batterie ist entscheidend für die erzielbare Reichweite. Aktuelle Fahrzeuge besitzen mit einer Batterieladung eine Reichweite bis ca. 120 km. Die Reichweite ist stark von dem Einsatzprofil bestehend aus Fahrgeschwindigkeiten, Geländeprofil und Fahrzeiten abhängig. Bei Batteriefahrzeugen wird der Fahrdraht direkt für die Versorgung des Antriebs verwendet. Gleichzeitig wird die Batterie während der Fahrt und im Stillstand darüber geladen. Falls keine Oberleitung verfügbar ist, können auch Ladestationen verwendet werden.

Bei Batteriefahrzeugen Reichweite begrenzt

Wendt sieht bei Batteriefahrzeugen den Nachteil, dass ihre ist und die erforderliche Ladezeit betrieblich sinnvoll und zuverlässig realisiert werden muss. Bestenfalls erfolgt die Ladung in Fahrt. Bei längeren fahrleitungsfreien Abschnitten seien daher Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge vorteilhafter.

Tobias Bregulla, Mitglied im VDE/VDI-Fachausschuss Wasserstoff und Brennstoffzellen: „Bei dieser Technologie wird Wasserstoff mit Luftsauerstoff in elektrische Energie umgewandelt und diese dann für den Antrieb genutzt. Neben Wasser entsteht als Nebenprodukt Wärme, die energiesparend sogar zum Heizen des Fahrgastraums bei kühlen Temperaturen genutzt werden kann. Derzeit setzen die am Markt verfügbaren Fahrzeugmodelle auf komprimierten gasförmigen Wasserstoff und erzielen Reichweiten von bis zu 1.000 Kilometern.“

Wasserstoff als begehrter Energieträger

Allerdings gibt Bregulla zu bedenken, dass „grüner Wasserstoff“ wegen des wachsenden Interesses anderer Sektoren ein sehr begehrter Energieträger sei. Dies spräche dafür, dass der Schienenverkehr langfristig seinen Bedarf mit eigenen Erzeugungseinheiten decken sollte. Der Einsatz eigener Elektrolyseure könnte hierfür die Basis bieten. Hierdurch würde sich die Wettbewerbsfähigkeit von grünem Wasserstoff im Schienenverkehr deutlich verbessern. Insgesamt sehen VDI und VDE angesichts der politischen Zielvorgaben große Potenziale für die innovativen Antriebstechnologien auf nicht- oder teilelektrifizierten Strecken. Wenn bei einer Erweiterung des Streckennetzes im Regionalverkehr durch Neubau oder Reaktivierung wirtschaftliche oder technische Gründe gegen den Bau einer Oberleitung sprechen, könnten die neuen Technologien mit Blick auf den Lebenszyklus eine emissionsfreie und wirtschaftliche Alternative darstellen.

Parallel zur Entwicklung von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen nennt das Impulspapier Übergangslösungen vor:

  • Der Einsatz von SYN oder E-Fuels bietet die Möglichkeit, bestehende Infrastrukturen weiter zu nutzen, bei gleichzeitiger Verwendung von grünem Wasserstoff. Da bei der Verbrennung dieser Energieträger die gleiche Menge CO2 freigesetzt wie bei ihrer Herstellung gebunden wird, gelten sie als CO2-neutal.
  • Hybridantriebe mit einem Diesel-Powerpack plus Speicherbatterie sind eine weitere Option, auch wenn für diese derzeit aus technischen und genehmigungstechnischen Gründen nur in wenigen Ländern eine Nachfrage zu beobachten ist.
  • Auch mit Wasserstoff betriebene Verbrennungsmotore (Wasserstoffmotore) nennen die Ingenieure als Option für CO2-freie Antriebsysteme. Problematisch sei jedoch die mit dem Betrieb dieser Antriebssysteme verbundene Freisetzung von Stickoxiden. Ihre Beseitigung erfordert eine Nachbehandlung der Abgase. Als vorteilhaft werten sie die Migrationsfähigkeit dieser Systeme. Allerdings sei der Einsatz dieser Systeme verbunden mit
    • höheren Lebenszykluskosten und
    • geringenm Wirkungsgrad im Vergleich zu Brennstoffzellenfahrzeugen.

Vergleich der Systemeffizienz

Der einfache Vergleich der Systemeffizienz lässt auf Vorteile batteriebasierter Lösungen gegenüber den anderen alternativen Antrieben schließen, vernachlässige jedoch die Nutzungsanforderungen. Die Entscheidung über alternative Antriebssysteme setze eine Abwägung voraus zwischen:

  • Betriebskosten einschließlich Energiekosten,
  • Reichweite und
  • einmalige oder wiederkehrende Investitionen für Verwertung von Strom aus erneuerbaren Energien (EE-Strom).

Von Bedeutung sei hierbei, dass die Vorteile oberleitungsgebundener Fahrzeuge möglichst erhalten bleiben. Dies betrifft, so die Ingenieure, insbesondere:

  • die vergleichsweise geringen Anschaffungskosten,
  • die hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit sowie
  • der geringe Wartungsaufwand.

Brennstoffzellen böten das Potenzial, EE-Strom über den Energieträger Wasserstoff besser nutzen zu können. Bei Batteriefahrzeugen könnte dies den Einsatz zusätzlicher Speicher erforderlich machen, was zu einer Verschlechterung des Systemwirkungsgrads führen kann.

Synthetische Energieträger

Synthetische Energieträger für Verbrennungsmotoren haben zwar das Potenzial, bestehende Infrastrukturen und Fahrzeuge weiter nutzen zu können, mit ihrem Einsatz sei aber eine noch geringere Energieeffizienz als bei Brennstoffzellenfahrzeugen verbunden. Sie sollten daher nur unter besonderen Bedingungen Verwendung finden.

Eine Verbesserung der Energieeffizienz von Brennstoffzellensystemen unterstütze die breite Einführung dieser Technologie. Aus heutiger Sicht empfehlen die Experten der Ingenieursverbände:

  • Verringerung der Investitions- und Betriebskosten mithilfe einer Kompensation der Bezugskosten für Wasserstoff sowie einer hohen Effizienz des Antriebssystems, das heißt von Brennstoffzelle und zugehöriger Batterie (Dynamikbatterie).
  • Verlängerung der Lebensdauer der Hochtechnologiekomponenten.

Technik, Reichweite, Capex, Opex

Eine nutzungsorientierte Bewertung der technischen Lösungen erfordere mehr als einen Fokus auf den Effizienzvergleich. Es sei eine Abwägung nötig zumindest zwischen:

  • Reichweite,
  • Energie- und Betriebskosten
  • einmalige (Capex)
  • wiederkehrende (Opex) Aufwendungen für
    • Fahrzeuge wie auch
    • Infrastruktur.

Studien hierzu zeigten, dass BEMU wie FCMU bereits eine wirtschaftliche Alternative zu Dieselfahrzeugen darstellen. Reichweite gilt als weiterer relevanter Faktor für eine nutzerorientierte Bewertung. Hierzu sehen die Forscher ein probates Mittel im Vergleich der Speicherfähigkeit von

  • Diesel,
  • Erdgas,
  • flüssigem und
  • gasförmigem Wasserstoff sowie
  • Batterien.

Er verdeutliche, dass sich konventionelle Dieselantriebe durch eine hohe volumetrische und gravimetrische Energiedichte auszeichnen. Zum Vergleich hierzu sind die entsprechenden Werte bei Batterieantrieben um den Faktor zehn kleiner. Wasserstoff könne zwar auch nicht mit Diesel konkurrieren, der Energieträger weise aber gegenüber Batterien deutliche Vorteile in Bezug auf die volumetrische und gravimetrische Energiedichte auf. Die Beschaffung von grünem Wasserstoff könne durch Bezug aus dem Ausland oder Eigenproduktion im Inland erfolgen. Für die Erzeugung im Inland böten sich zentrale Einrichtungen an. In Einzelfällen könnten Vor-Ort-Elektrolyseure im Nahbereich von Tankeinrichtungen zur Anwendung kommen.

Autor*in: Friedrich Oehlerking (Freier Journalist und Experte für Einkauf, Logistik und Transport)