Wenn es um den Wasserstoffantrieb geht, richtet sich die Aufmerksamkeit in der Regel auf den Zug selbst. Für Bahnbetreiber sind jedoch die Tankstelle, ihre technische Architektur und ihr täglicher Betrieb ebenso entscheidend. Um besser zu verstehen, was der Betrieb mit Wasserstoff mit sich bringt – nicht nur für die Fahrzeuge, sondern auch für die dazugehörige Infrastruktur –, haben wir mit Experten des „Výzkumný ústav železniční, a.s.“ (VUZ) gesprochen. Über Tests und Zertifizierungen hinaus ist das VUZ auf technische Beratung und die Bewertung neuer Eisenbahntechnologien spezialisiert.
Aus technischer Sicht ist ein Wasserstoffzug einfach ein herkömmlicher Elektrozug, der mit einer kleineren Antriebsbatterie ausgestattet ist; der einzige Unterschied besteht in der Energiequelle. Anstatt Strom über einen Stromabnehmer aus der Oberleitung zu beziehen, speichert sie Wasserstoff in Drucktanks an Bord und wandelt ihn über eine bordeigene Brennstoffzelle in Strom um, wobei lediglich Wärme und Wasserdampf als Nebenprodukte entstehen. Alles, was der Brennstoffzelle nachgeschaltet ist, basiert auf konventionellen elektrotechnischen Prinzipien, die seit Jahrzehnten zum Einsatz kommen. Die wichtigste Variable bleibt das Wasserstoff- Teilsystem, das Auswirkungen auf den Zug, die Betankungsinfrastruktur und die Wartungseinrichtungen hat.
Die Rolle der Tankstelle
Wasserstoff wird in der Regel in Rohrtrailern oder Lagertanks bei Drücken von bis zu 400 bar (40 MPa) zum Standort transportiert, während die Bordtanks eines Zuges in der Regel bei einem Nenndruck von 350 bar (35 MPa) betrieben werden.
Die einfachste Art des Betankens besteht darin, die beiden Systeme miteinander zu verbinden und die Physik wirken zu lassen: Das Gas strömt spontan vom Bereich mit höherem Druck in den Bereich mit niedrigerem Druck. Diese Methode ist jedoch nur zu Beginn wirksam. Sobald sich der Druck zwischen dem Transportbehälter und dem Bordtank ausgleicht, sinkt die Durchflussrate stark ab und das Betanken kommt zum Stillstand. Der Vorgang lässt sich nur durch eine Kaskadierung zu einem anderen, volleren Behälter mit höherem Druck beschleunigen.
Dieses passive Verfahren ist äußerst ineffizient, da nach dem Druckausgleich eine beträchtliche Menge Wasserstoff im Transportbehälter zurückbleibt – in Extremfällen bis zur Hälfte der gelieferten Menge.
Genau diese Ineffizienz ist der Grund, warum eine aktive Betankungsstation erforderlich ist. Sie kombiniert den grundlegenden Druckausgleich mit einer aktiven mechanischen Kompression während des Betankungsvorgangs. Dadurch wird sichergestellt, dass die Betankung zügig verläuft und das Versorgungsschiff nahezu vollständig entleert wird. Diese entscheidende Funktion hinter den Kulissen bestimmt unmittelbar die Kennzahlen, auf die Betreiber besonderen Wert legen:
- Stillstandszeit: Wie lange der Zug während des Betankens stillstehen muss.
- Auslastung: Wie viel Prozent jeder Wasserstofflieferung werden tatsächlich verbraucht?
Warum das Betanken mit Wasserstoff nicht mit dem Betanken mit Diesel vergleichbar ist
Vergleiche mit dem herkömmlichen Betanken mit Dieselkraftstoff sind größtenteils unzutreffend. Beim Abpumpen von Dieselkraftstoff reichen die üblichen Vorsichtsmaßnahmen in der Industrie aus, und die größte Gefahr für die Umwelt besteht in einem lokal begrenzten Austritt, der zu einer Bodenverunreinigung führt.
Wasserstoff hingegen ist ungiftig, aber äußerst flüchtig. Er bildet mit Luft ein brennbares Gemisch über einen außergewöhnlich breiten Konzentrationsbereich hinweg – von etwa 4 % bis 75 % nach Volumen. Dieser breite Entflammbarkeitsbereich bestimmt sowohl die strengen technischen Anforderungen an die Konstruktion der Tankstelle als auch die präzisen Betriebsabläufe, die während des Betankens erforderlich sind.
Die industrielle Nutzung von Wasserstoff ist nicht völlig neu. Wasserstoff wird bereits seit fast einem Jahrhundert als komprimiertes Industriegas in Anwendungen eingesetzt, die von der Metallurgie bis hin zur chemischen Industrie reichen, sodass seine physikalischen Eigenschaften, die mit seiner Handhabung verbundenen Risiken und seine Merkmale umfassend dokumentiert sind.
Völlig neu sind dabei der Einsatz in einem Eisenbahnbetrieb mit hohem Durchsatz, das Ausmaß des Verbrauchs sowie die Anforderungen an eine dezentrale Speicherung vor Ort. Folglich entwickeln sich die Sicherheitsvorschriften und technischen Normen für die Wasserstoffbetankung kontinuierlich weiter, parallel zu ihrer wachsenden Bedeutung im Verkehrssektor.
Tatsächliche CO₂-Einsparungen durch Wasserstoffantriebe
Das wichtigste Marketingargument für den Einsatz von Wasserstoff als Antriebsenergie ist, dass der Zug am Einsatzort nichts als Wasser ausstößt. Die Daten, die diese Behauptung stützen, müssen jedoch genauer unter die Lupe genommen werden, da die Gesamtbilanz weniger eindeutig ist, als es zunächst den Anschein hat.
Betrachten wir ein Basisszenario mit einem Zug, dessen Bordtank bei einem Nenndruck von 350 bar. Bei einer Temperatur von 15 °C fasst dieser Tank etwa 576 kg Wasserstoff. Bei einem unteren Heizwert (LHV) von 33,3 kWh pro Kilogramm enthält ein voll betankter Tank etwa 19,2 MWh Energie.
Die entscheidende Variable ist der Wirkungsgrad : Eine typische Brennstoffzelle wandelt nur etwa die Hälfte dieser gespeicherten Energie in Strom um, sodass etwa 9,6 MWh für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung stehen. Aus Sicht des Fahrzeugs entspricht dies den 9,6 MWh, die ein vergleichbarer Elektrozug direkt aus der Oberleitung beziehen würde. Der wesentliche Vorteil des Wasserstoffantriebs soll in der vollständigen Vermeidung von betrieblichen Kohlendioxid-Emissionen (CO₂) liegen.
Um die Netto-CO₂-Einsparungen des Wasserstoffantriebs im Vergleich zu den Diesel-Schienenfahrzeugen, die er ersetzen soll, genau zu beziffern, müssen identische Nutzlasten auf identischen Strecken verglichen werden. Da es schwierig sein kann, Felddaten unter identischen Bedingungen zu erheben, veranschaulicht das folgende theoretische Modell den Zusammenhang.
Wenn wir einen Wasserstoffzug mit einem kontinuierlichen Leistungsbedarf von 1.000 kW analysieren und ihn mit einem entsprechenden Dieselzug vergleichen, können wir den entsprechenden Dieselverbrauch auf der Grundlage eines Standard-Antriebswirkungsgrads von 20 % und eines Heizwerts von 12 kWh/kg berechnen:
(9600 kWh / 20 % / 12 kWh) = 4000 kg.
Da bei der Verbrennung von 1 kg Dieselkraftstoff 2,64 kg CO₂ entstehen, belaufen sich die durch den Wasserstoffantrieb unter diesen Bedingungen erzielten Brutto-Betriebseinsparungen auf insgesamt 2,64 × 4.000 kg = 10,56 Tonnen CO₂!
Die Herkunft des Wasserstoffs ist entscheidend
Zwar trifft die Behauptung, dass ein Wasserstofffahrzeug im Betrieb lediglich Wasser ausstößt, zwar zu, doch berücksichtigt sie nicht den Lebenszyklus des Kraftstoffs selbst. Ob das gesamte System als emissionsarm gilt, hängt ausschließlich vom Herstellungsverfahren des Wasserstoffs ab.
Derzeit ist der überwiegende Teil des weltweit produzierten Wasserstoffs nicht sauber. Der überwiegende Teil wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen, beispielsweise durch folgende Verfahren:
- Dampf-Methan-Reformierung (SMR) von Erdgas
- Teilweise Oxidation von Schwerölen
- Kohlevergasung
Die Wasserelektrolyse macht derzeit nur einen geringen Anteil an der weltweiten Versorgung aus. Wasserstoff, der auf diese nicht erneuerbare, fossilintensive Weise gewonnen wird, wird als „grauer Wasserstoff“ bezeichnet.
Die inländische Wasserstoffproduktion in der Tschechischen Republik spiegelt diesen globalen Trend wider. Sie ist eng in bestehende Prozesse der chemischen Industrie eingebunden – vor allem in die Ammoniaksynthese und die Petrochemie – und beläuft sich auf über 100.000 Tonnen pro Jahr, wobei es sich fast ausschließlich um „grauen“ Wasserstoff handelt.
Nur grüner Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse unter Einsatz von überschüssiger erneuerbarer Energie erzeugt wird, macht einen Wasserstoffzug wirklich emissionsarm. Diese Energiequelle ist natürlich am kostengünstigsten in Regionen, die durch strukturelle Stromüberschüsse gekennzeichnet sind, wie beispielsweise Küstenstaaten, die tagsüber Solarenergie und nachts Windenergie nutzen.
Mitteleuropa sieht sich mit einer schwierigeren Energiesituation konfrontiert; eine kontinuierliche, zuverlässige Versorgung mit günstigem, überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien kann hier nicht als selbstverständlich angesehen werden.
Eine umfassende Bewertung
Die wesentlichen Argumente für Wasserstoff sind nach wie vor stichhaltig. Er ist ungiftig, außergewöhnlich leicht und lässt sich nachhaltig aus überschüssigem Strom gewinnen. Entscheidend ist, dass er den Elektroantrieb auf Bahnstrecken ermöglicht, die über keine Oberleitung verfügen und auf denen die Installation einer vollständigen Oberleitung wirtschaftlich nicht realisierbar ist.
Die Durchführung dieser Art von Lebenszyklusanalysen und wirtschaftlichen Bewertungen war ein Kernziel des Eisenbahnforschungsinstituts (VUZ, a.s.) im Rahmen seines Engagements bei regionalen Initiativen zum Wasserstoffbetrieb im Schienenverkehr, bei denen es dabei half, tschechische Strecken zu identifizieren, die für den Wasserstoffbetrieb geeignet sind.
Diese Art der Bewertung geht über die technischen Spezifikationen der Schienenfahrzeuge hinaus. Sie ist ein integraler Bestandteil des umfassenderen Beratungsrahmens von VUZ, der ESG-Bewertungen (Environmental, Social, and Governance) sowie Audits zur betrieblichen Nachhaltigkeit umfasst. Bei Technologien, die als emissionsarm eingestuft werden, ist die Gesamtbilanz über den gesamten Lebenszyklus hinweg der entscheidende Maßstab für die Rentabilität. Diese Bilanz muss Folgendes umfassen:
- Die Herkunft des Wasserstoffs
- Transportlogistik und Lagerverfahren
- Effizienz der Tankstelleninfrastruktur
- Sicherheitsvorschriften und operatives Risikomanagement
Letztendlich ist der Wasserstoffantrieb kein universeller Ersatz für Diesel, sondern vielmehr eine gezielte Ergänzung auf Strecken, auf denen eine konventionelle Elektrifizierung nicht realisierbar ist. Sein tatsächlicher ökologischer und wirtschaftlicher Nutzen wird stets vom Fahrzeug selbst, der vor Ort verfügbaren Menge an grünem Wasserstoff und der Effizienz der gesamten vorgelagerten Energieversorgungskette abhängen.
