Wabtec: Wasserstoff ist der Lokomotivtreibstoff der Zukunft

Eisenbahnen können Dieselmotoren auf die direkte Verbrennung von Wasserstoff umstellen und dann emissionsfreie Brennstoffzellentechnologie einführen, sagt der Lokomotivhersteller

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Während die Eisenbahnindustrie nach Möglichkeiten sucht, ihre Treibhausgasemissionen zu reduzieren und letztendlich zu beseitigen, sieht Wabtec Wasserstoff als den Lokomotivtreibstoff der Zukunft, unabhängig davon, ob er in Verbrennungsmotoren verbrannt oder zum Antrieb von Brennstoffzellen verwendet wird.

„Wir glauben, dass dies eine wirkungsvolle Technologie sein wird. Wir sehen das nicht als Randsache. „Das wird in Zukunft der Dieselmotor sein“, sagt Philip Moslener, Corporate Vice President für fortschrittliche Technologien bei Wabtec.

Wasserstoff verursacht bei der Verbrennung als Kraftstoff keine Treibhausgasemissionen. „Das ist heute wirtschaftlich nicht tragbar“, sagt Moslener und weist darauf hin, dass Wasserstoff derzeit deutlich mehr kostet als Dieselkraftstoff.

Es wird jedoch mit einem Anstieg der Wasserstoffproduktion gerechnet, wodurch die Kosten bereits im Jahr 2030 gegenüber dem konkurrierenden Dieselkraftstoff sinken dürften. In den USA sieht das überparteiliche Infrastrukturgesetz 7 Milliarden US-Dollar an Fördermitteln für die Entwicklung von sechs bis zehn Wasserstoffproduktions- und -speicherzentren vor, obwohl es solche gibt Ähnliche Bemühungen gibt es auch in Kanada. Unterdessen investieren Energieunternehmen in Wasserstoffproduktionsanlagen.

Daher möchte Wabtec seine Forschungs- und Entwicklungsbemühungen für Wasserstofflokomotiven an das geplante Tempo der Wasserstoffproduktion in Nordamerika anpassen. Wabtec hofft, seinen ersten Wasserstoffprototyp im Jahr 2027 auf den Markt bringen zu können.

Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen wären in Kombination mit Batterien zur Stromspeicherung eine emissionsfreie Lösung, um die dieselelektrische Lokomotive zu ersetzen, sagt Moslener.

Doch Brennstoffzellen verfügen noch nicht über die Energiedichte, die für eine Schienenlokomotive erforderlich ist. Eine Straßenlokomotive würde 3.300 Kilowatt Leistung benötigen – oder das Zehnfache dessen, was Brennstoffzellen bieten, die heute in eine Lokomotive passen, sagt Moslener.

Die Entwicklung immer leistungsstärkerer Brennstoffzellen wird jedoch voraussichtlich weiter voranschreiten, ebenso wie Batterien in den letzten Jahren an mehr Speicherkapazität gewonnen und die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöht haben.

„Wir werden es schaffen“, sagt Moslener.

Wenn eine Brennstoffzellen-Lokomotive letztendlich mehr Batteriekapazität benötigt, könnten die Eisenbahnen dem Zug jederzeit eine der batterieelektrischen FLXdrive-Lokomotiven von Wabtec hinzufügen, sagt er.

Aufgrund ihres geringeren Leistungsbedarfs könnten sich Brennstoffzellen-Umschaltlokomotiven schneller als Straßenlokomotiven durchsetzen.

Straßenlokomotiven und Rangierlokomotiven erfordern aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Dienstarten unterschiedliche Energiemanagementsysteme. Brennstoffzellen erzeugen lieber eine konstante Energiemenge, sagt Moslener, daher müssten Umsteiger Strom aus Batterien beziehen, anstatt die Brennstoffzelle anzuzapfen. Umgekehrt arbeiten Straßenlokomotiven oft mit relativ konstantem Strombedarf und könnten eine Kombination aus Brennstoffzellen und Batterien nutzen, um ihre Fahrmotoren anzutreiben.

Der andere Weg ist die Verbrennung von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren. „Wir sehen darin auch eine praktikable Lösung, insbesondere wenn es sich um eine Übergangstechnologie handelt“, sagt Moslener. „Das Schöne an Verbrennungsmotoren sind ihre Motoren. Wir kennen Motoren. Kunden fühlen sich mit Motoren wohl. Sie wissen, wie man sie pflegt. Sie wissen, wie man sie bedient.“

Ein weiteres Plus: Die Lokomotiven der Evolution-Serie von Wabtec können mit geringen Modifikationen mit Wasserstoff betrieben werden. „Das Schöne an unserer EVO-Motorenfamilie ist, dass sie über die Fähigkeit und die Genetik verfügt, auf Wasserstoff umgestellt zu werden“, sagt Moslener.

Die größte technische Hürde besteht darin, den Wasserstoffbrennstoff in die Brennkammer zu bringen. Wasserstoff benötigt wie Flüssigerdgas einen Funken, um sich zu entzünden. Die LNG-betriebenen Lokomotiven von Wabtec, die bei der Florida East Coast Railway im Einsatz sind, basieren auf einer Hafeneinspritzung mit Dieselkraftstoff, der als Pilot verwendet wird. Diese Technologie muss für die Wasserstoffnutzung angepasst werden, sagt Moslener.

Wasserstoff macht Metall mit der Zeit spröde, was zu mechanischem Versagen führen kann. Um dieses Problem zu lösen, arbeitet Wabtec mit den nationalen Laboratorien Oak Ridge und Argonne des US-Energieministeriums zusammen. In einem durch einen Zuschuss des Energieministeriums finanzierten Projekt führt Argonne Computersimulationen durch, während Oak Ridge einen wasserstoffbetriebenen Einzylindermotor mit Kanaleinspritzung testet.

Sobald die Verbrennungseigenschaften und das ideale Kraftstoffgemisch mit dem Einzylindermotor ermittelt wurden, werden die Tests auf einen Mehrzylindermotor umgestellt. Die nächste Forschungs- und Entwicklungsstufe wäre die Einführung eines Prototyps einer wasserstoffbetriebenen Lokomotive.

Mit der Niederdruck-Direkteinspritzung könnte eine Lokomotive eine 50/50-Mischung aus Wasserstoff und Dieselkraftstoff verbrennen. Es wäre mehr Forschung und Entwicklung erforderlich, um den Kraftstoffmix mithilfe eines Niederdruck-Einspritzsystems auf 70 % Wasserstoff zu bringen.

„Natürlich wollen wir es in Richtung 100 % Wasserstoff vorantreiben“, sagt Moslener. Dazu wäre ein Übergang zur Hochdruck-Direkteinspritzung erforderlich, die eine 90/10-Mischung aus Wasserstoff und Dieselkraftstoff ermöglichen könnte.

Um den Wasserstoff zu zünden, ist etwas Diesel erforderlich, sodass ein Verbrennungsmotor immer zumindest etwas Kohlendioxid produzieren würde. „Wenn wir null Emissionen erreichen wollen, müssen wir auf Brennstoffzellen umsteigen“, sagt Moslener.

Ein Nachteil der Verbrennung von Wasserstoff in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor besteht darin, dass die Stickoxidemissionen nicht reduziert werden, da sie während des Verbrennungsvorgangs entstehen, sagt Moslener. Allerdings würden die Partikelemissionen entsprechend der Reduzierung des Dieselanteils im Kraftstoffmix sinken.

Die Umrüstung von Lokomotiven würde es den Eisenbahnen ermöglichen, sofort mit der Reduzierung ihres CO2-Fußabdrucks durch die Mischung von Wasserstoff und Diesel zu beginnen, sagt Moslener.

Wasserstoffbetriebene Lokomotiven müssten mit Treibstoff-Tendern gekoppelt werden, um eine mit heutigen dieselelektrischen Lokomotiven vergleichbare Reichweite zu erreichen. Wie bei den LNG-Lokomotiven von FEC würde ein Wasserstoffzug aus zwei Lokomotiven bestehen, die einen Tender einklemmen. Wabtec nennt diese Lok-Tender-Lok-Kombination „Drillinge“.

Selbst wenn die Wasserstoffproduktion zunimmt, wird sie nicht sofort auf allen 140.000 Meilen des Schienennetzes verfügbar sein. Und das wird zunächst zu Interoperabilitätsproblemen sowohl bei den Eisenbahnen als auch beim Umsteigedienst führen.

Der Einsatz von Verbrennungsmotoren, die mit Wasserstoff oder Diesel betrieben werden können, ist eine Möglichkeit, das Interoperabilitätsproblem anzugehen. Ein ES44AC oder ET44AC mit einem Wasserstoff-Port-Einspritzsystem könnte mit 100 % Dieselkraftstoff betrieben werden. Obwohl weniger effizient, sagt Moslener, dass diese Kraftstoffflexibilität dazu beitragen würde, den Übergang von Diesel zu Wasserstoff zu erleichtern.

Die andere Übergangslösung besteht darin, Wasserstoffkorridore zwischen Terminals zu schaffen, die über Wasserstoffspeicher- und Betankungssysteme verfügen. „Kunden denken ungern über eigene Korridore nach – aber ich denke, wir werden es tun müssen“, sagt Moslener.

Eine weitere Änderung der Denkweise: Denken Sie über die Interaktion zwischen Drillingen, Nachlauftonnage und Topographie nach und nicht nur über die Lokomotivenleistung.

„Wir müssen anfangen, diese Mentalität zu ändern und über Züge zu sprechen“, erklärt Moslener und weist darauf hin, dass ein Wasserstoff-Triplett und eine batterieelektrische Lokomotive in Kombination mit der Energie, die die Lokomotiven beim dynamischen Bremsen auf bestimmten Strecken aus dem Zug gewinnen können, alles notwendig sein werden in die Gleichung einbezogen.

Ein Vorteil der direkten Verbrennung von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren als Brücke zu Brennstoffzellen besteht darin, dass die Eisenbahnen dadurch Erfahrungen mit Betankung, Sicherheit, Schulung sowie der Infrastruktur für Wasserstoffproduktion, -speicherung und -verteilung erhalten, sagt Moslener.

Eine Umstellung auf Wasserstoffantrieb wird kompliziert sein. Es ist ein bisschen so, als würde man versuchen, ein Puzzle zusammenzusetzen, ohne genau zu wissen, wie die Teile aussehen, weil dabei mehrere Probleme gelöst werden müssen.

Erstens gibt es fünf mögliche Formen von Wasserstoff als Brennstoff. Dazu gehört das Komprimieren des Gases bei einem von drei verschiedenen Drücken; Kryokompression; und flüssiger Wasserstoff. Jede Form erfordert einen anderen Typ von Lagertank.

Wabtec glaubt, dass flüssiger Wasserstoff die logischste Wahl für Eisenbahnen sei, da er die doppelte Energiedichte von komprimiertem Wasserstoff habe, sagt Moslener.

Auch die Tankzeiten verschaffen flüssigem Wasserstoff einen Vorteil. Laut Moslener würde es heute fünf bis sechs Stunden dauern, einen Tender mit flüssigem Wasserstoff zu füllen, verglichen mit bis zu 30 Stunden für komprimierten Wasserstoff. Die NASA verfüge über deutlich schnellere Durchflussraten, sagt er, und weitere Forschung und Entwicklung könnten das Betanken mit flüssigem Wasserstoff wahrscheinlich so schnell machen wie das Betanken eines Diesels.

„Wir gehen davon aus, dass die Branche langfristig liquide werden muss, deshalb konzentrieren wir unsere Forschungs- und Entwicklungsbemühungen darauf“, sagt Moslener.

Aber Wabtec kann es nicht alleine schaffen, und es werden Investitionen von Eisenbahnen und Regierungen erforderlich sein.

„Es gibt eine Menge Dinge, die wir herausfinden müssen. Wabtec kann das nicht alleine schaffen“, sagt Moslener. „Wenn die Industrie davon überzeugt ist, dass Wasserstoff der Treibstoff der Zukunft ist, dann müssen wir in diesen Bereich investieren, um eine Vielzahl von Problemen zu klären, bevor er ein sicherer, nutzbarer Treibstoff sein kann.“

ProgressRail, Chevron und BNSF Railway gaben im Dezember 2021 bekannt, dass sie Partner in einem Wasserstofflokomotive-Projekt sind. ProgressRail wird eine leistungsstarke Brennstoffzellenlokomotive bauen, Chevron wird die Betankungsinfrastruktur entwickeln und BNSF wird die Lokomotive im Rahmen eines Testprogramms betreiben.

Die unterstützende Infrastruktur wird nächstes Jahr installiert, die Lieferung der Einheit ist für 2025 geplant, sagt BNSF. ProgressRail und Chevron antworteten nicht auf E-Mails mit der Bitte um weitere Einzelheiten.

Wabtec verfolgt aufmerksam das Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lokomotivprojekt von Canadian Pacific Kansas City. Die Wasserstoff-Community sei klein, insbesondere im Schienenverkehr, und alle ihre Akteure ermutigen und unterstützen sich gegenseitig, sagt Moslener.

Auch die Eisenbahnen müssen den Entwicklungen folgen und mit anderen Branchen zusammenarbeiten. „Der Schienenverkehr ist eine kleine Industrie“, sagt Moslener. „Wir werden bei der Entwicklung von Wasserstoff nicht führend sein. Andere Branchen werden die großen Investitionen vorantreiben.“

In der Lkw-Branche sind bereits einige Wasserstoff-Brennstoffzellen-Anlagen im Einsatz. JB Hunt beispielsweise gab im Juli den Kauf von 13 emissionsfreien Lastkraftwagen der Klasse 8 von Nikola bekannt, von denen drei mit Wasserstoff-Brennstoffzellen angetrieben werden. Nikolas Wasserstofftochter HYLA stellt die Wasserstoff- und Betankungsinfrastruktur bereit. Die Brennstoffzellen-Lkw haben eine Reichweite von 500 Meilen.

Wasserstoff muss auch den Ruf überwinden, unsicher zu sein. Die Bilder der Hindenburg-Luftschiffkatastrophe von 1937 sind noch immer im öffentlichen Bewusstsein verankert. Aber Wasserstoff wird heute in ganz Nordamerika sicher in industriellen Prozessen eingesetzt, stellt Moslener fest, und wird jeden Tag ohne Zwischenfälle über die Autobahn transportiert.

Die Eisenbahnindustrie muss jedoch Standards für die Wasserstoffproduktion, -speicherung und -betankung sowie für die Erkennung und Handhabung von Lecks entwickeln. Wenn es ein Leck gibt, so Moslener, steigt Wasserstoff auf und verflüchtigt sich schnell.

Dank eines Bundeszuschusses arbeitet Wabtec mit dem Sandia National Laboratory an der Entwicklung potenzieller Wasserstoffstandards und -vorschriften für die Bahnindustrie.

Die Federal Railroad Administration hat der Bahnindustrie eine Herausforderung „Netto-Null-Treibhausgasemissionen bis 2050“ herausgegeben. Obwohl die Agentur offiziell keine bestimmte Technologie zur Erreichung von Nullemissionen unterstützt, ist die FRA direkt an einigen Wasserstoffbemühungen der Industrie beteiligt.

FRA ist Mitglied der technischen Beratungsgruppe für Ausschreibungen für alternative Kraftstoffe der Association of American Railroads und nahm an der Forschung des Sandia National Lab zu Sicherheits- und Designanforderungen für eine Wasserstoffausschreibung teil.

Die Agentur ist außerdem an den Bemühungen der American Public Transportation Association beteiligt, ein Weißbuch über Wasserstoff- und Batteriespeichersysteme zu entwickeln. Dieses Papier könnte langfristig zu einem Standard und der Entwicklung von FRA-Vorschriften führen.

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, kommt aber als Gas auf der Erde selten vor. Es wird also aus wasserstoffhaltigen Verbindungen hergestellt. Der meiste Wasserstoff wird durch Dampf-Methan-Reformierung erzeugt, bei der Wasserstoff aus Erdgas entfernt wird. Es wird auch durch Elektrolyse hergestellt, bei der Wassermoleküle in zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom gespalten werden.

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse mit Strom hergestellt, der aus erneuerbaren Quellen wie Wasser-, Wind- und Solarenergie stammt. Ein Ableger ist rosa Wasserstoff, der mithilfe von Kernkraft hergestellt wird.

Fast der gesamte heute in Nordamerika produzierte Wasserstoff ist sogenannter grauer Wasserstoff, der aus der Dampfreformierung von Methan oder der Kohlevergasung stammt. Dieser Wasserstoff gilt als „schmutzig“, da er aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird und im Produktionsprozess gleichzeitig fossile Brennstoffe als Energiequelle verwendet.

Eine Variante ist blauer Wasserstoff, der den durch Dampfreformierung von Methan oder Kohlevergasung erzeugten Kohlenstoff einfängt und speichert.

Warum ist das alles wichtig? Denn der tatsächliche CO2-Fußabdruck jedes Kraftstoffs muss von der Quelle bis zum Rad gemessen werden – mit anderen Worten, der gesamte Produktionszyklus von der Quelle über die Raffinierung und Verteilung bis zu seiner Verwendung als Kraftstoff in einer Lokomotive.

„Unsere Einstellung ist, dass wir nicht auf die Ankunft von grünem Wasserstoff warten müssen“, sagt Moslener. „Wir können jetzt beginnen und im Laufe der Zeit von der natürlichen Ökologisierung von Wasserstoff profitieren.“

Dieser Fortschritt, sagt er, würde dem ähneln, was in den letzten Jahren bei batterieelektrischen Fahrzeugen passiert ist. Da das Stromnetz durch den Rückgang der Kohleverstromung und die Zunahme der Wind- und Solarenergie umweltfreundlicher geworden ist, hat sich der ökologische Fußabdruck batterieelektrischer Autos insgesamt verbessert.

Moslener sagt, wenn man den Schienenverkehr dekarbonisieren will, muss man die Emissionen von Lokomotiven reduzieren und letztendlich eliminieren. Wenn Sie den Transport wirklich dekarbonisieren wollen, verlagern Sie LKW-Ladungen auf die Schiene. „Der eigentliche Dekarbonisierungsschritt nach alternativen Kraftstoffen ist die Verkehrsverlagerung“, sagt er. „So werden wir Nordamerika dekarbonisieren.“

Der Übergang vom Diesel- zum Elektroantrieb dürfte Hunderte Millionen Dollar kosten, wenn man die erforderliche Infrastruktur mit einbezieht. „Es wird sehr teuer“, sagt Moslener.

„Wir haben es jetzt mit einer globalen Krise zu tun. Für mich geht es nicht um die Kosten“, sagt Moslener und weist darauf hin, dass die erste Generation, die die Auswirkungen des Klimawandels spürt, die letzte Generation ist, die etwas dagegen tun kann.

„Wir haben eine moralische Verpflichtung, jetzt in diesen Bereich zu investieren. Morgen wird es zu spät sein. Ja, es wird kostspielig sein, aber wir müssen in den sauren Apfel beißen und es jetzt tun“, sagt Moslener.