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Die Züge der Zukunft: Weg von der Diesellok
Lang ist’s her: Seit vor über 120 Jahren die preußische Militär-Eisenbahn Marienfelde-Zossen-Jüterborg auf 33 Kilometern mit einem Drehstrom-Fahrdraht elektrifiziert wurde, kommt der Strom bei der Bahn aus der Oberleitung. Die damals auf der Strecke für Schnellfahrversuche eingesetzten E-Loks fuhren mit bis zu 210 Kilometern pro Stunde fast genauso schnell wie heutige ICEs. Seinerzeit revolutionierte die Elektrifizierung durch eine Oberleitung den Schienenverkehr. Doch seither hat sich nicht mehr viel getan in Deutschland.
Anders als in der Schweiz, wo heute fast das gesamte Netz am Fahrdraht hängt, sind hierzulande nur etwa 60 Prozent der knapp 40.000 Schienen-Kilometer elektrifiziert. Vor zehn Jahren waren es 59 Prozent. Auf den Nebenstrecken, meist auf dem Land, verkehren ausschließlich dieselbetriebene Güterloks und Personen-Triebwagen – teils über 20 Jahre im Dienst, mit veralteter Abgastechnik.
Eine Studie des Branchenverbandes der Elektro-Industrie VDE aus dem Jahr 2020 empfiehlt, spätestens ab 2025 keine Dieselzüge mehr in Betrieb zu nehmen. Da Dieselloks und Dieseltriebwagen Laufzeiten von 25 bis 30 Jahren haben, würden die letzten 2050 außer Dienst gestellt – also in dem Jahr, indem die Bundesrepublik klimaneutral sein möchte.
Testlauf im Ländle
Bis dahin soll grüner Wasserstoff den Diesel ersetzen. Gemeinsam mit dem Siemens-Konzern will die Deutsche Bahn ab 2024 einen solchen Zug in Baden-Württemberg auf der Strecke Tübingen-Horb-Pforzheim testen, in einer Landschaft, die geprägt ist von Ebenen, Steigungen, Gefällen und einem Tunnel. 330 Tonnen Klimagase möchte man dort einsparen.
Den grünen Wasserstoff erzeugt die Bahn direkt in Tübingen per Elektrolyse und mit Ökostrom aus der Oberleitung, er wird auf 300 bar komprimiert und in Tanks zwischengelagert. Eine mobile Zapfstelle tankt den Wasserstoffzug binnen 15 Minuten wieder voll – genauso schnell wie einen Dieselzug. So die Pläne.
Der zweiteilige Wasserstoff-Triebzug wird ein 400 Kilowatt starkes Brennstoffzellen-System haben, das den in Drucktanks auf dem Dach untergebrachten Wasserstoff mit Luftsauerstoff in Strom umwandelt. Damit wird eine Lithium-Ionen-Batterie geladen, die zudem zurückgewonnene Bremsenergie speichert und den Elektromotor des Zuges antreibt.
Wettlauf zwischen Großkonzernen
Der Umweg über die Batterie ist nötig, weil Brennstoffzellen für die schnelle Beschleunigung noch zu träge sind. Mit einer Reichweite von bis zu 800 Kilometern und einer Höchstgeschwindigkeit von Tempo 160 soll der Wasserstoffzug „Mireo Plus H“ laut Siemens genauso leistungsfähig sein wie die E-Triebzüge.
Siemens-Rivale Alstom ist allerdings schon deutlich weiter. Sein Wasserstoffzug „Coradia iLint“ ist mit Tempo 140 zwar etwas langsamer, hat jedoch den Probebetrieb bereits hinter sich, wird mittlerweile in Serie gefertigt und verkehrt seit 2018 im Linienverkehr auf der Strecke Buxtehude-Bremerhaven-Cuxhaven.
Der im Alstom-Werk im niedersächsischen Salzgitter hergestellte, zweiteilige Triebwagen ist der weltweit erste Zug mit Brennstoffzellen-Antrieb. Damit hat der französische Konzern, der auch den TGV baut, in Sachen Wasserstoff einen mehrjährigen Vorsprung gegenüber Siemens – und entsprechend Aufträge.
Doch die Dekarbonisierung der Schiene ist nicht nur ein Wettlauf zwischen Großkonzernen, sondern auch das Rennen zweier Technologien. Denn um den Zugverkehr auf Strecken ohne Oberleitung klimaneutral bewältigen zu können, kommen genauso Akku-Hybrid-Züge in Frage.
224 Kilometer mit einer Batterie-Ladung
Sie funktionieren so: Auf elektrifizierten Gleisen kommt der Strom für den Elektromotor aus dem Fahrdraht. Gleichzeitig wird eine Lithium-Ionen-Batterie geladen, die auf Streckenabschnitten ohne Oberleitung einspringt. Zudem wird zurückgewonnene Bremsenergie eingespeist. Die Technologie ist bereits in der Serienfertigung. Sowohl Alstom als auch Siemens liefern ab 2023 ihre ersten Akku-Hybrid-Triebwagen aus.
Neben Alstom und Siemens hat sich Stadler Rail als Dritter im Bunde etabliert. Der Schienenfahrzeug-Hersteller aus der Schweiz kann mit seinem „Flirt Akku“ locker neben den beiden Großen bestehen. Der Aluminiumzug erreicht in der Spitze 160 Kilometer pro Stunde und bietet Platz für 310 Passagiere. Im Dezember 2021 schaffte der „Flirt Akku“ mit einer einzigen Batterie-Ladung eine Strecke von 224 Kilometern und einen Eintrag ins Guinness-Buch.
Derart große Reichweiten brauche es im deutschen Gleisnetz gar nicht, sagt Benjamin Ebrecht, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität Berlin: „Im Nahverkehr sind die Hälfte aller im Dieselbetrieb befahrenen Linien nicht länger als 40 Kilometer oder kürzer.“ Oberleitungslose Strecken mit 100 und mehr Kilometern seien die Ausnahme.
Wasserstoff bleibt teuer
„Allerdings hängt die mit Batterien erzielbare Reichweite auch vom Wetter, dem Fahrstil, der Strecken-Topografie und der gefahrenen Geschwindigkeit ab“, meint der Wissenschaftler.
Akku-Hybrid-Züge haben den Vorteil, dass der Wirkungsgrad von Batterien besser ist als der von Brennstoffzellen und dass sie unter Fahrt aufladen können. Hinzu kommt: Wasserstoff bleibt teuer und grüner Wasserstoff dürfte in absehbarer Zeit kaum zu haben sein. Bei ersten Ausschreibungen haben sich die für den Nahverkehr zuständigen Bundesländer deshalb fast immer für Batterie-Züge entschieden – etwa in Berlin, Brandenburg, Rheinland-Pfalz und Nordrhein-Westfalen.
Auch das Gleisnetz der USA ist in weiten Teilen ohne Oberleitung – ein mögliches Einsatzgebiet für Brennstoffzellenzüge, die dort ihre Stärke, nämlich die deutlich größere Reichweite, voll ausspielen könnten.
Was Oberleitungen kosten
Stellt sich die Frage, warum man nicht einfach alle Schienenstrecken mit Oberleitungen nachrüstet. „Das ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit“, argumentiert TU-Wissenschaftler Ebrecht. Ein Kilometer Oberleitungsstrecke schlage mit mindestens einer Million Euro zu Buche: „Müssen Tunnel und Brücken erweitert werden, können die Kosten schnell auf 25 Millionen Euro pro Kilometer steigen.“ Für wenig befahrene Strecken sei das schlicht unwirtschaftlich.
Allerdings würde es helfen, auch den Güterverkehr klimaneutral zu stellen, denn vollelektrische Lokomotiven mit großer Zugkraft, wie sie für schwere Güterwaggons benötigt werden, sind auf Fahrdrähte angewiesen. „Eine schwere Güterlok mit Batterie-Antrieb ist unmöglich“, erläutert der Wissenschaftler: „Die Batterie wäre viel zu groß und zu schwer.“
Zweikraft-Loks für den Güterverkehr
Laut DB-Cargo fahren auf deutschen Schienen noch rund 900 Dieselloks älterer Bauart. Sie müssen in zehn bis 20 Jahren durch Loks mit alternativem Antrieb ersetzt werden. Dabei sollen Zweikraft-Loks eine wichtige Rolle spielen. So werden E-Lokomotiven genannt, die den Fahrstrom aus der Oberleitung holen, und auf Strecken ohne Strom auf einen Diesel umschalten, der einen Generator antreibt.
Zweikraft-Loks sind im Güterverkehr flexibel einsetzbar, denn für Strecken ohne Oberleitung entfällt der Lokwechsel, während auf elektrifizierten Abschnitten der Diesel abgeschaltet werden kann. Einige 100 solcher Loks hat die Bahn bereits 2020 bei Siemens bestellt. Die ersten 150 sollen bald ausgeliefert werden.
Zweikraft-Loks verringern den Klimagas-Ausstoß zwar deutlich, drücken ihn aber nicht auf Null und sind damit eine Übergangstechnologie, die nur mithilfe synthetischer Kraftstoffe klimaneutral werden könnte. Eines Tages werden sie allerdings womöglich von weiterentwickelten Brennstoffzellen-Loks abgelöst, die den Wasserstoff nicht mehr in Drucktanks mitführen, sondern chemisch gebunden in einer Flüssigkeit, die sich genauso leicht beherrschen lässt wie der Diesel.
Träger-Öl als Wasserstoff-Speicher
Diese sogenannte LOHC-Technologie wird am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien erforscht. Dabei bindet Benzyltoluol, ein Träger-Öl, Wasserstoff und gibt ihn bei Bedarf wieder frei. Ein Liter Träger-Öl kann über 650 Liter gebundenen Wasserstoff speichern. Das Träger-Öl lässt sich mehrere 100 Mal beladen, bevor es wieder aufbereitet werden muss.
Das Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg hat eine Art Zapfsäule entwickelt, die sich stationär und mobil einsetzen lässt. Sie besteht aus zwei Tanks – einer für beladenes, der andere für entladenes Träger-Öl – und einem Wandler, der den Wasserstoff aus dem Öl herauslöst.
Das eigentliche Ziel der Forscher ist jedoch, Züge direkt mit der Flüssigkeit zu befüllen. Der Wasserstoff würde dann im Fahrbetrieb freigesetzt und in der Brennstoffzelle verstromt. Damit ließe sich auch eine Schwäche der Technik beheben: Um den Wasserstoff abzugeben, muss das Träger-Öl stark erhitzt werden, was seinen Energiegehalt um ein Drittel schmälert. Im Zug ließe sich dafür die Abwärme der Brennstoffzelle nutzen.
LOHC könnte zudem den Transport von grünem Wasserstoff vereinfachen. Denn anders als Wasserstoff, der auf 300 bar komprimiert oder bei Temperaturen von unter -250 Grad verflüssigt werden muss, ist im Träger-Öl gelöster Wasserstoff weder explosiv noch leicht entflammbar.
Ein Kreislauf, wie bei der Pfandflasche
„Für die weltweite Betankung mit Druck- oder Flüssig-Wasserstoff müsste eine völlig neue Infrastruktur aufgebaut werden“, argumentiert Peter Wasserscheid, Verfahrenstechniker und Leiter des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg. Die LOHC-Technologie ermögliche es dagegen, das bestehende Netz weitgehend beizubehalten und zugleich grünen Wasserstoff für große und schwere Fahrzeuge verfügbar zu machen, bei denen reine Batterie-Antriebe wenig Sinn machen.
„Man muss sich LOHC wie eine Art flüssige, mit Wasserstoff gefüllte Pfandflasche vorstellen, deren energiereicher Inhalt für den Zugantrieb abgezapft wird“, erklärt der Verfahrenstechniker. Danach geht die entladene Trägerflüssigkeit wie die Pfandflasche zurück an den Versorger. Dort wird sie wieder befüllt und der Kreislauf beginnt von Neuem.
So erschließt LOHC der globalen Wasserstoffwirtschaft neue Transport-Möglichkeiten. Allein Deutschland benötigt für die Dekarbonisierung seiner Wirtschaft laut Nationaler Wasserstoffstrategie im Jahr 2030 zwischen 90 und 110 Terawattstunden aus grünem Wasserstoff. Davon können nur ungefähr 14 Terawattstunden mit Solarmodulen, Windrädern und Elektrolyseuren im Inland erzeugt werden.
Was bedeutet, dass vor allem Bereiche, die nicht zu elektrifizieren sind, wie der Luft- und Schiffsverkehr oder die Stahl-, Chemie- und Zementbranche, auf Wasserstoff-Importe aus dünn besiedelten, sonnen- und windreichen Regionen angewiesen sind. In Ländern wie Spanien, Marokko, Namibia, Chile oder Neuseeland könnte grüner Wasserstoff erzeugt und – verpackt in LOHC – per Pipeline oder Tankschiff nach Deutschland geschafft werden.