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Brennstoffzellen für Wasserstoff-Züge

09. April 2021, 07:09 Uhr   |  Heinz Arnold

Brennstoffzellen für Wasserstoff-Züge
© Toyota

Das modulare Antriebssystem nach dem Baukastenprinzip lässt sich beliebig anpassen, so dass ein Zug auf seinen Einsatzzweck zugeschnitten werden kann.

Das hybride Antriebssystem soll zeigen, dass die so ausgestatten klimaneutralen Züge zu Dieselzügen wettbewerbsfähig sind.

Gerade einmal die Hälfte aller Bahnstrecken in Europa ist elektrifiziert, auf den übrigen kommen vor allem dieselbetriebene Züge zum Einsatz. Das zu Jahresbeginn gestartete EU-Projekt FCH2RAIL (Fuel Cell Hybrid Power Pack for Rail Applications) will dies ändern: Ein Konsortium, dem neben Toyota auch weitere Partner aus Deutschland, Belgien, Spanien und Portugal angehören, entwickelt einen emissionsfreien Zug-Prototypen. Sein Herzstück ist ein hybrides, bimodales Antriebssystem, das die elektrische Energieversorgung aus der Oberleitung mit einem wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen- und Batteriesystem kombiniert. Sind Oberleitungen verfügbar, entnimmt der Zug den dortigen Strom. Ansonsten kommt die Energie aus dem sogenannten »Fuel Cell Hybrid Power Pack«.

»Wir wollen zeigen, dass ein solcher Bimodus-Zug eine wettbewerbsfähige und umweltfreundliche Alternative zum Dieselzug ist«, erklärt Projektleiter und Forscher Holger Dittus vom Institut für Fahrzeugkonzepte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Das modulare Antriebssystem nach dem Baukastenprinzip lässt sich beliebig anpassen. Mehr Wasserstofftanks erhöhen beispielsweise die Reichweite, während die Zahl der Brennstoffzellen- und Batteriemodule die Antriebsleistung beeinflusst. Durch diese Flexibilität kann ein Zug ganz nach den individuellen Bedürfnissen gestaltet werden – sowohl für den Personen- als auch für den Güterverkehr.

Innerhalb von vier Jahren soll mit einem Budget von 14 Mio. Euro ein entsprechendes Antriebssystem entwickelt, getestet und zugelassen werden. Gefördert wird das Projekt dabei mit zehn Mio. Euro von der Technologie-Initiative »Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking« (FCH 2 JU).

»Unsere Studie zu Wasserstoff und Brennstoffzellen auf der Schiene hat gezeigt, dass es ein erhebliches Potenzial für solche Technologien gibt und dass wasserstoffbetriebene Züge ein wichtiger Bestandteil beim Aufbau eines nachhaltigen europäischen Verkehrssystems sind«, sagt Bart Biebuyck, Executive Director des FCH 2 JU.

Toyota Brennstoffzelle in umgebauten Nahverkehrszug

Im Rahmen des Projekts wird ein elektrischer Nahverkehrszug des spanischen Herstellers CAF umgebaut, der von der spanischen Staatsbahn Renfe zur Verfügung gestellt wird. Eine der zentralen Komponenten des Energiesystems an Bord sind die verpackten Brennstoffzellen-Systemmodule von Toyota Motor Europe (TME), während CAF die Batterien und Stromrichter liefert.

Toyota macht sich hier seine Erfahrungen mit der inzwischen in zweiter Modellgeneration erhältlichen Brennstoffzellenlimousine Mirai zunutze. »Als Teil des Konsortiums ergreifen wir die Gelegenheit, unsere Brennstoffzellentechnologie in eine andere Art der Anwendung zu bringen«, erklärt Thiebault Paquet, Direktor der Fuel Cell Business Group von Toyota Motor Europe. Ende Februar hatte der japanische Automobilhersteller auch den kommerziellen Vertrieb von kompakten Brennstoffzellen-Systemmodulen angekündigt, die sich für unterschiedliche Anwendungen eignen – auf der Straße, der Schiene und auf dem Wasser.

Erste Funktionstests mit dem Zug-Prototypen und Probeläufe für die Zulassung finden auf spanischen und portugiesischen Bahnstrecken mit Unterstützung der dortigen Infrastrukturbetreiber Administrador de Infrastructuras Ferroviarias (ADIF) und Infraestruturas de Portugal (IP) statt. Das spanische Wasserstoff-Forschungszentrum Centro National de Hidrogeno (CNH2) wurde unter anderem mit dem Bau einer Wasserstoff-Tankstelle zur Betankung des Prototyps betraut.

Herausforderungen und Ziele

Wichtig ist, dass die kompletten Umweltauswirkungen des Antriebssystems überprüft und unter realen Bedingungen bewertet werden – von der Herstellung über die Nutzung bis hin zur Entsorgung. Bis zu den ersten Testfahrten muss das internationale Projektteam verschiedene technologische Herausforderungen lösen: Die Brennstoffzellen- und Batteriemodule beispielsweise müssen so kombiniert und gesteuert werden, dass das System alle Anforderungen erfüllt und gleichzeitig kostengünstig realisiert werden kann.

Die Abwärme der Brennstoffzellenmodule soll darüber hinaus effizient zum Heizen und Klimatisieren des Zuges genutzt werden. Der Klimaanlagenhersteller Faiveley/Stemmann Technik (STT) und das DLR suchen im Rahmen des Projekts zudem nach Methoden, um den Energiebedarf für Heizung, Lüftung und Klimatisierung zu reduzieren.

Neben den technischen Herausforderungen werden auch Normen und Standards in den Bereichen Wasserstoff und Schienenverkehr überprüft. Das Ziel: ein sicheres Zusammenspiel zwischen der Wasserstofftechnologie und der Oberleitung jederzeit zu gewährleisten. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen, entwickelt das Projektteam Vorschläge für die zuständigen Behörden, um in naher Zukunft die EU-weite Zulassung solcher Züge zu erleichtern.

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