Mit LOHC emissionsfrei auf die Schiene

Forschende am HI ERN arbeiten an einem innovativen Projekt für den Schienenverkehr. Ziel ist es, Züge mit der schadstofffreien LOHC-Technologie auszustatten.

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Energiewende und Stickoxid-Problematik machen auch vor der Eisenbahn nicht Halt. Viele Strecken in Deutschland sind nicht elektrifiziert, vor allem im Nahverkehr. Dieselloks können daher auf diesen Strecken nicht ohne Weiteres von Elektroloks ersetzt werden.

Das Zugprojekt
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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 z.B. 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. Batterieelektrische Lokomotiven hingegen erreichen nicht die geforderte Reichweite. Für diese Strecken bieten sich Züge an, die mit Wasserstoff betrieben werden. Diese fahren vollkommen schadstofffrei – und sogar CO2-neutral, wenn der Wasserstoff aus regenerativen Quellen stammt.

Aber für die Betankung der Züge mit Druckwasserstoff oder tiefkalt verflüssigtem Wasserstoff müsste an den Versorgungshöfen eine völlig neue Infrastruktur aufgebaut werden. An dieser Stelle kommt der Vorteil der LOHC-Technologie zum Tragen.

Vorteile der LOHC-Technologie

LOHC steht für „Liquid Organic Hydrogen Carrier“, einen flüssigen organischen Wasserstoffträger. Ein LOHC ist eine ölartige Flüssigkeit, die mit Wasserstoff beladen und auch wieder entladen werden kann. Der bei der Entladung freigesetzte Wasserstoff kann dann mit einer Brennstoffzelle verstromt werden. Mit dieser organischen Trägerflüssigkeit ist es möglich, die bestehende Infrastruktur aus Dieseltankbehältern 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.

Wie funktioniert die LOHC-Technologie?

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Die organische Trägerflüssigkeit („Liquid Organic Hydrogen Carrier“) dient den Forschenden 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 betankt werden können wie beispielsweise der für den Passagierverkehr im öffentlichen Net in Deutschland zugelassene Coradia iLint der Firma Alstom.

HI ERN Forschende gehen in diesem Projekt noch einen entscheidenden Schritt weiter

"Während die LOHC-Technologie in Laboraufbauten schon ausführlich untersucht und wissenschaftlich publiziert wurde, soll nun der Betrieb auf der mobilen Plattform demonstriert werden", erläutert Teilprojektleiter Julian Kadar. "Hierfür wird eine LOHC-Anlage in ISO-Containerbauweise entwickelt, welcher die Freisetzung von Wasserstoff und dessen Verstromung in einer Brennstoffzelle während dem Fahrbetrieb in Verbund mit einer handelsüblichen Elektro-Lokomotive erreicht." Dabei gelte es nicht nur, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen. 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.

Das Zugprojekt
Mögliche mobile Anwendung während des Fahrbetriebes eines Zuges
HI ERN

Direkt-LOHC-Brennstoffzelle im Fokus

Das Zugprojekt
Testaufbau für einzellige Direkt-LOHC-Brennstoffzelle
R. Menon/HI ERN

Neben der katalytischen On-Board Dehydrierung verfolgen die Forschenden 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.

Projekthintergrund

Das Forschungsprojekt hat die Weiterentwicklung der Direkt-LOHC-Brennstoffzelle, die Entwicklung eines fahrbaren Zugdemonstrators auf Basis der LOHC-Technologie sowie die Entwicklung eines Pfades für die Herstellung des Kraftstoffzusatzes OME (Oxymethylenether) aus biogenen Rohstoffen zum Ziel.

Das große Entwicklungsprojekt soll die wissenschaftlich-technologischen Grundlagen für neue Technologien wie die Direkt-LOHC-Brennstoffzelle vertiefen sowie alle wesentlichen Prozessschritte für einen fahrbaren Zugdemonstrator entwickeln. Dieser Zugdemonstrator soll technologische Optionen für einen emissionsfreien Bahnverkehr in Bayern auf Basis von Wasserstoff als Brennstoff aufzeigen, ohne jedoch Wasserstoff in elementarer Form unter hohem Druck oder bei sehr tiefen Temperaturen und in teuren Spezialinfrastrukturen an bayerischen Bahnhöfen lagern und handhaben zu müssen.

Das Projekt baut auf den Erkenntnissen eines kleinen Forschungsprojekts („Neue Optionen für eine wirtschaftlichen Betrieb von Wasserstoffzügen durch Nutzung der LOHC Technologie“, 2017) und eines separaten Vorprojekts („Betrieb von Wasserstoffzügen im Bayerischen Oberland mit Hilfe der on-board Nutzung der LOHC-Technologie“, 2018-2020) auf. Es vertieft die dort durchgeführten, erfolgreichen Vorarbeiten und überführt die erhaltenen, grundlegenden Erkenntnisse in eine gezielte technologische Entwicklung für den geplanten Zugdemonstrator. Das Demonstratorprojekt startete im Januar 2019 mit einer Laufzeit von 5 Jahren. Im Zugprojekt 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.

Das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Energie und Technologie hat für das Vorhaben Fördermittel in Höhe von 28,6 Millionen Euro bereitgestellt.

Kontakt

Prof. Dr. Peter Wasserscheid

Director and Head of Research Department Chemical Hydrogen Storage

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    Raum T3.94
    +49 2461/61-4499
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    Gebäude HIERN-Cauerstr /
    Raum 3026
    +49 9131-12576115
    E-Mail

    Letzte Änderung: 03.11.2022