Wasserstoffzüge mit LOHC-Technologie: Aus dem Labor auf die Schiene

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. Das Forschungszentrum Jülich stellt ein innovatives Projekt für den Schienenverkehr vor. Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg (HI ERN), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, 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 etwa 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.

http://www.fz-juelich.de/

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:
Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Energie und Technologie
Pressemitteilung des Bayerischen Staatsministeriums des Innern, für Bau und Verkehr
Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung, Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (IEK-11)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für chemische Reaktionstechnik
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Peter Wasserscheid
Forschungszentrum Jülich
Direktor Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg
Tel. 49 9131 85-20843
E-Mail: p.wasserscheid@fz-juelich.de
Dr.-Ing. Patrick Preuster
Forschungszentrum Jülich
Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg
Tel.: 09131 85-67421
E-Mail: p.preuster@fz-juelich.de

 


 

Energiewende: So wird der Umstieg auf Wasserstoff konkret

Durch den Umstieg auf Brennstoffzellenautos lässt sich der CO2-Ausstoß maßgeblich verringern. Die benötigte Wasserstoff-Infrastruktur könnte sich als Schlüssel erweisen, um fossile Energieträger künftig stärker durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Für den Aufbau der kompletten Infrastruktur für den deutschen Pkw-Straßenverkehr wären Investitionen in der Höhe von 61 Milliarden Euro erforderlich, schätzen Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich.

Zum Vergleich: Über den relevanten Zeitraum von 40 Jahren verteilt lägen die jährlichen Ausgaben damit unter den derzeitigen jährlichen Investitionen in das deutsche Erdgasnetz.

Wind und Sonne liefern weder gleichmäßig Energie, noch zu dem Zeitpunkt, zu dem diese gerade benötigt wird. Der massive Ausbau erneuerbarer Energien erfordert daher Lösungen, um zeitweilige Überschüsse zu verwerten und zu speichern. »Mithilfe von Elektrolyseuren kann man Lastspitzen nutzen, um aus Wasser Wasserstoff herzustellen, der sich ähnlich wie Erdgas unproblematisch und günstig in unterirdischen Salzkavernen lagern lässt«, erläutert Professor Detlef Stolten vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3).

Pipelines in der Länge von 42.000 Kilometer und rund 10.000 neue Wasserstoff-Tankstellen wären nötig, um 75 Prozent der Pkw-Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen. Insgesamt müssten für Elektrolyseure, Pipelines, Wasserstoff-Tankstellen und die Erschließung von Kavernen rund 61 Milliarden Euro aufgebracht werden. Verteilt über die gesamte Aufbauphase von 40 Jahren wären die jährlichen Ausgaben damit im Schnitt niedriger als die heutigen Investitionen in das Erdgasnetz: Die 633 Verteilnetzbetreiber in Deutschland haben alleine im Jahr 2013 rund 2 Milliarden Euro für den Erhalt und Ausbau des Erdgasnetzes ausgegeben.

Die Kosten für den Wasserstoff wären vergleichbar mit heutigen Kraftstoffkosten. Sie lägen – abhängig von der Vergütung des genutzten Stroms – umgerechnet nur wenige Cent pro Kilowattstunde unter oder über den heutigen Benzinpreisen. Auch in Sachen Komfort müssten Autofahrer keine Abstriche machen. Innerhalb von drei Minuten ist ein Brennstoffzellen-Pkw vollgetankt. Die Reichweite beträgt bis zu 700 Kilometer.

Investitionsbedarf für Wasserstoff-Infrastruktur
Copyright: Forschungszentrum Jülich

 

Wegbereiter für Fortschritte beim Klimaschutz

»Mithilfe von Wasserstoff als Speicher könnte man einen großen Teil der fossilen Kraftwerke durch Windkraft ersetzen«, erklärt Detlef Stolten. In ihrem Szenario gehen die Forscher von insgesamt 170 Gigawatt elektrischer Leistung onshore und 59 Gigawatt offshore im Jahr 2050 aus.

Zusammen ist das etwa die fünffache Gesamtleistung der Windkraft von 2016, was einer Verringerung der CO2-Emissionen um insgesamt 20 Prozent entspricht. Weitere 6 Prozentpunkte lassen sich durch den Ersatz konventioneller Pkw einsparen. Zugleich könnten auch die aktuell in der Diskussion stehenden Stickoxide und Feinstäube in Städten deutlich reduziert werden. Denn die Abgase von Wasserstoffautos bestehen lediglich aus Wasserdampf. Zusätzliche Einsparungen wären durch die Einführung entsprechender Busse und Kleintransporter möglich.

Niedrigere Anfangskosten

Der Investitionsbedarf für die Infrastruktur hängt in hohem Maße von den kostenintensiven Elektrolyse-Kapazitäten ab. »Für eine anfängliche Flotte von 10.000 Brennstoffzellenfahrzeugen wären zwar schon ein flächendeckendes Tankstellennetz, aber zunächst nur relativ geringe Elektrolysekapazitäten von etwa 23 MW im Jahr 2025 erforderlich«, erläutert Stolten. Denn zunächst würde nur relativ wenig Wasserstoff benötigt.

Potenzielles Wasserstoff-Pipelinenetz
Copyright: Forschungszentrum Jülich

 

Um langfristig 75 Prozent der deutschen Pkw – oder geschätzte 33 Millionen Brennstoffzellenautos – zu versorgen, wäre dagegen ungefähr die tausendfache Elektrolysekapazität mit einer elektrischen Gesamtleistung von 28 Gigawatt erforderlich. Das entspricht in etwa der Leistung von 50 Kohlekraftwerken. Die Forscher haben die Kosten im Rahmen einer technoökonomischen Studie erarbeitet und gemeinsam mit Wissenschaftlern beteiligter Institute als Beitrag für das Virtuelle Institut »Strom zu Gas und Wärme« veröffentlicht, das vom Land Nordrhein-Westfalen gefördert wird.

Fachmesse IRES 2017: Pfandflasche für Wasserstoff

Auf der Fachmesse IRES 2017 präsentieren die Jülicher Forscher laufende Forschungsarbeiten zu einem neuartigen Typ von Elektrolyseur, der perfekt zu den fluktuierenden, erneuerbaren Quellen passt. Sogenannte PEM-Elektrolyseure können sich in Sekundenschnelle an abrupte Stromschwankungen anpassen. Der Gehalt an Edelmetallen ist allerdings noch relativ hoch und soll durch die Verwendung innovativer Elektrodenstrukturen reduziert werden.

Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg (IEK-11) sind ebenfalls vertreten und stellen Arbeiten zu einer Art »Pfandflasche für Wasserstoff« vor: eine organische Trägerflüssigkeit (»liquid organic hydrogen carrier«, kurz LOHC), die mehr als 650 Liter Wasserstoff pro Liter aufnehmen kann und mit der sich Wasserstoff sicher lagern und transportieren lässt.

Szenario mit regenerativem Wasserstoff für den Straßenverkehr
Copyright: Forschungszentrum Jülich

 

Originalpublikationen:
Re-energizing energy supply: Electrolytically-produced hydrogen as a flexible energy storage medium and fuel for road transport
Emonts, B.; Schiebahn, S.; Görner, K.; Lindenberger, D.; Markewitz, P.; Merten, F.; Stolten, D.
Journal of power sources 342, 320 – 326 (2017); DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.12.073
Emonts, B.; Grube, T.; Otto, A.; Robinius, M.; Stolten, D.: Mit Wasserstoff zur bedarfsgerechten und sauberen Energieversorgung; in: Broschüre der EnergieAgentur.NRW, Flexibilität: Eine wichtige Säule der Energiewende, 10/2016, S. 11-13
Robinius, M.: Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff, in RWTH Aachen University. 2015: Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag

Video: Umwandlungstechnologien für eine nachhaltige Energiezukunft

Länge: 2:37 min.

 


 

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