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Aus dem Labor auf die Schiene

Prof. Dr. Peter Wasserscheid vom FAU-Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik und Leiter des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN).
FAU/David Hartfiel

Forscher des HI-ERN planen Wasserstoffzüge mit LOHC-Technologie

Energiewende und Stickoxid-Problematik machen auch vor der Eisenbahn nicht Halt. Viele Strecken in Deutschland sind nicht elektrifiziert, vor allem im Nahverkehr. Mit Blick auf die heute gestartete Verkehrsministerkonferenz in Nürnberg stellt das Forschungszentrum Jülich nun ein innovatives Projekt für den Schienenverkehr vor. Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg (HI ERN), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich in Kooperation mit der FAU und dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), wollen Züge mit LOHC-Technologie ausstatten. Dabei wird gasförmiger Wasserstoff an eine ungefährliche Trägerflüssigkeit gebunden, die sich sicher lagern und transportieren lässt. Das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Energie und Technologie hat für das Vorhaben Fördermittel in Höhe von zunächst drei Millionen Euro bereitgestellt.

Franz Josef Pschierer, bayerischer Staatsminister für Wirtschaft, Energie und Technologie: „Innovative Speicher- und Antriebstechnologien sind wichtige Bausteine für eine umweltverträgliche Energieversorgung und nachhaltige Mobilität. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am HI ERN leisten ausgezeichnete Forschung – gemeinsam mit der Industrie wollen wir hier neue Lösungen in die Anwendung bringen.“

Über 40 Prozent des deutschen Bahnnetzes ist noch nicht elektrifiziert und selbst auf manchen elektrifizierten Abschnitten fahren aufgrund des Linienzuschnitts Dieselfahrzeuge. In vielen anderen europäischen Ländern wie z.B. Schweiz oder Österreich sind Dieselzüge dagegen beinahe ausgestorben oder die Ausnahme. Ein großer Teil des nicht-elektrifizierten Schienennetzes in Deutschland wird auch in Zukunft nicht von Elektroloks befahrbar sein, zumal eine kollektive Elektrifizierung sehr kosten- und zeitintensiv ist. Für diese Strecken bieten sich auch Züge an, die mit Wasserstoff betrieben werden. Diese fahren vollkommen schadstofffrei – und sogar CO2-neutral, wenn der Wasserstoff aus regenerativen Quellen stammt.

Doch woher beziehen die Bahnen den Wasserstoff? „Für die Betankung der Züge mit Druckwasserstoff oder tiefkalt verflüssigtem Wasserstoff müsste an den Versorgungshöfen eine völlig neue Infrastruktur aufgebaut werden“, erklärt Prof. Peter Wasserscheid, Leiter des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN). „Die LOHC-Technologie ermöglicht es dagegen, die bestehende Infrastruktur weitestgehend beizubehalten.“ Auch die Lagerung und Anlieferung größerer Kraftstoffmengen wäre mit der LOHC-Technologie unbeschränkt möglich, unabhängig von Sicherheitsaspekten, die es beim elementaren Wasserstoff zu beachten gilt. Denn LOHC ist nicht als Gefahrstoff eingestuft.

Die organische Trägerflüssigkeit („Liquid Organic Hydrogen Carrier“) dient den Forschern als eine Art flüssige Pfandflasche für Wasserstoff. Schon ein einziger Liter bindet über 650 Liter Wasserstoff. Von ihrer Handhabung und den physikalischen Eigenschaften her ist die ölige Substanz üblichen Kraftstoffen recht ähnlich und lässt sich mit Tanklastern und Zügen einfach transportieren. Im Prinzip lassen sich so auch Wasserstoff-Tankstellen mit Wasserstoff beliefern, an denen dann Wasserstoffzüge wie der kurz vor der Zulassung stehende Coradia iLint der Firma Alstom betankt werden können. Doch in ihrem Projekt gehen die Forscher des HI-ERN noch einen Schritt weiter:

„Unser Ziel ist es, den Wasserstoff-beladenen LOHC-Träger direkt auf den Zug zu vertanken. Der Wasserstoff wird dann anschließend im Fahrbetrieb an Bord des Zuges freigesetzt und in einer Brennstoffzelle verstromt“, erläutert Projektkoordinator Dr.-Ing. Patrick Preuster. „In unserem Projekt geht es unter anderem darum, die Apparate, die für die Freisetzung des Wasserstoffs benötigt werden, für mobile Anwendungen anzupassen.“ Dabei gelte es nicht nur, Größe und Gewicht zu verringern. Für den mobilen Einsatz werden Freisetzungsapparate benötigt, die gut auf dynamische Lastwechsel reagieren, etwa vor Anfahrten und Anstiegen, wenn besonders viel Leistung – und entsprechend viel Wasserstoff – benötigt wird.

Direkt-LOHC-Brennstoffzelle im Fokus
Neben der katalytischen On-Board Dehydrierung verfolgen die Forscher noch einen besonders innovativen Ansatz: die Entwicklung einer Direkt-LOHC-Brennstoffzelle für mobile Anwendungen. Die Direkt-Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie direkt aus beladenem LOHC. Ein zusätzlicher Apparat zur katalytischen Freisetzung des Wasserstoffgases an Bord des Zuges würde dann entfallen. In den Labors des HI ERN werden erste Prototypen von Direkt-LOHC-Brennstoffzellen bereits betrieben, deren Ergebnisse sehr vielversprechend sind.

Das Forschungsprojekt startete im Januar 2018 mit einem dreijährigen Vorprojekt zur Erarbeitung wichtiger Grundlagen. Läuft alles wie geplant, folgt ab 2019 ein deutlich größeres Demonstrationsprojekt, in dem unter Federführung der Forscher des HI-ERN innerhalb von fünf Jahren ein erster Zugdemonstrator entwickelt werden soll. Im Demonstrationsprojekt wird auch eine intensive Kooperation mit der Industrie angestrebt, die an den neuen Konzepten des HI ERN bereits großes Interesse zeigt. Die Bayerische Staatsregierung hat Anfang Januar 2018 die Bayerische Elektromobilitäts-Strategie Schiene – kurz BESS genannt – beschlossen, die vorsieht, bei erfolgreicher Zulassung die Praxistauglichkeit dieser Züge im Schienenpersonennahverkehr des Freistaats mit einem Pilotprojekt zu testen.

Weitere Informationen:

www.fz-juelich.de