Alles rund um den Wasserstoffzug

In einem Wasserstoffzug wird Strom aus Wasserstoff gewonnen. Der Strom wird von einer Brennstoffzelle erzeugt und anschließend in einer Batterie gespeichert. Der enorme Vorteil ist, dass ein, vom Elektromotor angetriebener, Wasserstoffzug vollkommen ohne Oberleitung fahren kann. Dies betrifft etwa 1/3 des deutschen Schienenverkehrs.  

Dieser emissionsfreie* Zug fährt geräuscharm und stößt lediglich Wasserstoff und Kondenswasser aus. Wasserstoffzüge spielen eine wichtige Rolle in der Dekarbonisierung unserer Wirtschaft.

Der erste Wasserstoff-Personenzug wurde bereits 2016 auf der InnoTrans in Berlin vorgestellt. Die Firma Alstom hat mit dem Modell Coradia iLint einen Meilenstein geschaffen. 2018 fuhren diese Wasserstoffzüge sogar schon im deutschen Schienenverkehr und es wird immer weiter ausgebaut.

Doch Alstom ist nicht das einzige Unternehmen, das Wasserstoffzüge bereitstellt. Siemens hat sich als starker Rivale etabliert und mit dem Modell Mireo Plus H, ihren Kontrahenten hinter sich gelassen. Sowohl der Wasserstoffzug von Alstom, als auch der von Siemens, können schon eine Strecke von 1000 km hinter sich legen, doch ist Siemens mit 160 km/h um 20 km/h schneller als Alstom.

*Falls Wasserstoff mit dem Elektrolyseverfahren hergestellt wurde

Welche Herausforderungen ergeben sich mit Wasserstoff?

Extreme Bedingungen sind gegeben bei der Herstellung, Lagerung, Verteilung und Verarbeitung von Wasserstoff. Temperaturen am Nullpunkt von -253°C werden erreicht bei flüssigem Wasserstoff. Gasförmiger Wasserstoff wird bei 700 bar gespeichert. Zudem kommen noch die Auswirkungen auf die Werkstoffe und Metalle.

Speziell bei Wasserstoffzügen ist auf den Druck im Tank zu achten. Der Tank selbst besteht aus einer Kohlefaserverbundtechnologie, die im Vergleich zu einem Metalltank, leichter ist und lässt keine Permeation zu. In diesen Tanks kommen Druckschalter mit SIL-3 Eignung zu Einsatz.

Die Druckschalter stell das Wasserstoffantriebssystem ab, sobald entweder der Tank fast leer ist oder der Druck beim Übergang des Wasserstoffs in den Antrieb zu groß wird.

Versprödung

Bei der Versprödung dringt der Wasserstoff in das Material ein und führt zu einer schlechteren Leistung mechanischer Abläufe. In manchen Fällen führt die Versprödung sogar bis zum kompletten mechanischen Versagen. Die Lösung dafür ist, dass die Stoffe, die im direkten Kontakt mit Wasserstoff stehen, aus Edelstahl 316L sind (auch möglich sind: Edelstahl 316Ti, Hastelloy C276, Inconel 718, 2.4711).

Permeation

Wasserstoff benötigt unfassbar wenig Energie um bei Kontakt mit Metall um in einzelne Atome, dann in H⁺-Ionen, zu dissoziieren. Diese dringen in die Metall- und Widerstandsstrukturen ein und führen auf Dauer zu einer Signaldrift des Sensorelements. Dieser Effekt wird verstärkt durch höhere vorkommende Energie. Eine Lösung hierfür ist eine Goldbeschichtung des Werkstoffes, das in Kontakt mit Wasserstoff steht. Das Gold dient als Barriere.

Leckage

Eine Leckage muss dringend vermieden werden, da Explosionsgefahr besteht. Verbindet sich Wasserstoff mit lediglich Luft, bildet sich eine explosionsfähige Atmosphäre. Eine Lösung sind metallische Dichtungen am Messgerät.

Extreme Bedingungen

Bei Wasserstoff unterscheiden sich die Bedingungen je nach Aggregatzustand. Im gasförmigen Zustand wird Wasserstoff bei bis zu 700 bar gespeichert. Um sicher diesen Druck messen zu können, da man Temperatureinflüsse und andere Sicherheitsrisiken einbeziehen muss, sind Drucksensoren notwendig die bis zu 1050 bar messen müssen. In flüssiger Form misst Wasserstoff eine Temperatur von -253 °C. Die Schwierigkeit hierbei ist die Temperatur akkurat messen zu können und gleichzeitig für eine gute Isolierung zu sorgen.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Die konventionelle Produktion von Wasserstoff liefert bis dato noch die größte Menge an Wasserstoff. Sie ist sehr energieintensiv und wird betrieben durch Strom aus Kohle und Erdgas. Bei diesen Prozessen kommen Drücke von 40 bar zu Stande und mehr als 750°C. Um den CO2-Ausstoß zu verringern werden Prozesse nachgelagert, wie Carbon Capture Storage und Carbon Capture Utilities. Dadurch wird das CO2 nicht direkt in die Atmosphäre gelassen. Stattdessen wird es gespeichert und anderweitig verwendet.

Um Wasserstoff grün herzustellen, wird die Wasserstoffelektrolyse eingesetzt. Dabei werden Wassermoleküle aufgespalten in Wasserstoff und Sauerstoff. Neben alkalischer Elektrolyseure gibt es die Protonenaustauschmembran- und die „Solid Oxide Electrolyser Cell“-Elektrolyseure. Die drei unterschiedlichen Arten der Elektrolyse werden mit erneuerbaren Energien betrieben.    

Klimaneutral auf dem Vormarsch

Wasserstoffantrieb gilt als die große Hoffnung für den Schienenverkehr. Die Alternative mit Elektrozügen, angetrieben durch Batterien, ist auf Grund der geringen Reichweite von 100 bis 150 km und der langen Ladezeiten weniger attraktiv.

Die deutsche Bahn möchte, mit der Hilfe von Wasserstoff, bis zum Jahr 2040 klimaneutral werden. Dies könnte erreicht werden, indem die 15.000 Dieselloks, die aktuell noch unterwegs sind, ersetzt werden durch Wasserstoffzüge. Momentan sind die Dieselloks notwendig, da 1/3 des deutschen Schienennetzes nicht über eine Oberleitung verfügt.

Doch nicht nur die deutsche Bahn setzt auf Wasserstoff. Weltweit wird stark in diese Dekarbonisierungsinitiative investiert.

Japan bemüht sich intensiv um eine wasserstoffbasierte Gesellschaft. Toyota hat das erste wasserstoffangetriebene, kommerziell erhältliche, Auto herausgebracht, den Mirai. Mit 130 Wasserstofftankstellen ausgestattet, steht Japan im globalen Vergleich an der Spitze.

China plant bis 2030 Japan zu überholen, mit geplanten 1000 Wasserstofftankstellen.

Frankreich hat eine nationale Wasserstoffstrategie mit einem Budget von 7,2 Milliarden Euro. Wobei 1,5 Milliarden Euro bereits in Elektrolyseanlagen gesteckt wurde.

Kanadas Plan ist es ihre gesamte Wirtschaft auf Wasserstoff umzustellen bis 2050, sodass das Land ihre Treibhausemmissionen auf Null setzen kann.