Bahntechnik Hy2Rail: Ältere Triebfahrzeuge mit Wasserstoff-Batterie-Hybridantrieb modernisieren

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Das österreichische Projekt Hy2Rail untersucht, ob bestehende Schienentriebfahrzeuge mit einem Wasserstoff-Batterie-Hybridantrieb als Ersatz für den Dieselmotor umweltfreundlicher werden können. Ein Demonstrator wurde jetzt in Betrieb genommen.

Nachhaltigkeit und Emissionsfreiheit sind auch im Bahnverkehr aktuelle Themen. Aber was macht man mit dieselbetriebenen Bestandsfahrzeugen, wenn der Dieselmotor zur Wartung oder zum Austausch ansteht? Die Fahrzeuge einfach zu verschrotten ist aufgrund der langen Lebensdauer keine Lösung; den Dieselmotor durch einen neuen zu ersetzen, oft erst recht nicht. In Österreich untersuchte das Projekt Hy2Rail im Rahmen des Programms „Mobilität der Zukunft“, ob sich Dieseltriebfahrzeuge auf einen Hybridantrieb aus Brennstoffzellen und Batterien umstellen lassen.

Projektziele waren dabei eine Machbarkeitsstudie zur Umrüstung von dieselhydraulischen Universallokomotiven der Baureihe 2068 der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) und die Entwicklung und Aufbau eines Technologiedemonstrators auf Basis eines dieselelektrischen Motorturmwagens der Baureihe X534. Dies beinhaltete auch die Konstruktion eines Wasserstoffsystems für den Bahnbetrieb und einen externen Wasserstoffbetankungsbehälter. Zusätzliche Aufgaben umfassten die Herstellung eines mobilen emissionsfreien Vor-Ort-Generators und eine Simulationssuite für das Batterie- und Brennstoffzellen-Hybridsystem. Die technologische Entwicklung der Umrüstung führte das österreichische Ingenieurbüro m.ZERO durch, das auch die technische Leitung des Gesamtprojekts innehatte. Den Umbau des Fahrzeuges realisierte der Projektpartner ÖBB Technical Services (TS).

Die Reichweite beträgt 450 km

Für das zentrale Brennstoffzellensystem entwickelte m.ZERO das H120. Es besteht aus drei seriell verschalteten, bahntauglichen H2-Stacks vom Typ PEM FC HD40 von Accelera, einem Geschäftsbereich von Cummings und beinhaltet die Balance-of-Point-Komponenten.

Gespeist wird das 120 kW leistende System aus vier Typ-4-Wasserstofftanks mit 35 MPa Druck, die zusammen eine Kapazität von 22 kg Wasserstoff bieten. Damit besitzt der X534 eine Reichweite von ungefähr 450 km. Weiterhin vorhanden sind zwei in einem ternären Batteriesystem zusammengefassten Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Batterien mit jeweils 35 kWh, die in einem speziellen Feuerschutzgehäuse untergebracht sind. Sowohl das Brennstoffzellen- als auch das Batteriesystem speisen in den 620 V bis 750 V Gleichstromzwischenkreis ein. Hinzu kommt für den H120 ein DC/DC-Wandler mit einer Leistung von 120 kW.

Für den Betrieb des aus dem Ursprungsfahrzeug beibehaltenen Gleichstrommotors mit 95 kW ist ein aus dem Zwischenkreis gespeister DC/AC-Traktionsinverter und ein AC/DC-Gleichrichter mit 3x 530 A bei 500 V vorgesehen. Zusätzlich sind ein DC/DC-Wandler zur Speisung der 24-V-Verbraucher und ein DC/AC-Umrichter für die Hilfsbetriebe wie dem neu eingebauten elektrischen Bremsluftkompressor, der Kühlpumpe und den Lüftern vorhanden.

Ebenfalls neu zu entwickeln waren der Führertisch und die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMI) sowie die gesamte Fahrzeugsteuerung, an die die Systeme über einen CAN-Bus angebunden sind. Ausführender Projektpartner war hier das Technische Büro Wiener zusammen mit m.ZERO und den ÖBB-TS.

Der Demonstrator ist ein echtes Hybridfahrzeug. Das bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem und die Batterie zur Traktion verwendbar sind, im Bedarfsfall auch gemeinsam. Das Betriebsprogramm sieht dabei beim Anfahren eine Speisung aus beiden Energiequellen vor. Während der Fahrt zum Einsatzort kommt die Batterie zum Einsatz und das Brennstoffzellensystem lädt die Batterie nach. Am Arbeitsort ist das H2-System im Falle einer vollgeladenen Batterie abgeschaltet, da dort meist nur kurze Fahrbewegungen im Bereich weniger Meter stattfinden.

Vollständiges Ökosystem

Der ebenfalls im Rahmen des Projekts entwickelte mobile, emissionsfreie und modular aufgebaute Vor-Ort-Generator auf Brennstoffzellentechnik leistet zwischen 8 kW und 40 kW bei einer 3-Phasen-Wechselspannung mit 400 V und einer im Bereich von 600 V und 800 V programmierbaren Gleichspannung. Die verwendeten Tanks besitzen eine Kapazität von 1,5 bis 8 kg Wasserstoff bei Drücken von 20 MPa bis 35 MPa und 17 kg bei 70 MPa.

Worthington Industries konstruierte das zugehörige Wasserstoff-Betankungssystem und war auch für das On-Board Wasserstoffsystem zuständig. Das Tanksystem erlaubt einen Fülldruck von bis zu 40 MPa und wird mit Druckluft, also nicht elektrisch, betrieben. Die Zapfpistole und der 15 m lange Schlauch besitzen einen Abreißschutz.

Die Universität Rom, Tor Vergata programmierte die ebenfalls zum Projekt gehörende Simulationssuite für das Batterie- und Brennstoffzellen-Hybridsystem. Das MATLAB und SimScape basierende System beinhaltet Simulationen für eine vorgegebene Strecke, ein Geschwindigkeitsprofil oder einen Fahrplan und gibt die Werte für Zugkraft, Leistung und Energie aus. Zusätzlich berechnet die Suite Modelle des Antriebsstrangs wie die Strategie für den Einsatz von Batterie und Brennstoffzelle (oder beidem) oder auch der Balance-of-Plant-Komponenten.

Weitere Projektbeteiligte waren RCC Railway Competence and Certification als Projektkoordinator sowie die PJ Messtechnik, TEMO und die Montanuniversität Leoben als unterstützende Partner. Der Demonstrator wird nach Abschluss der Versuche wieder in die Ursprungsausführung zurückgebaut.  (se)

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* Richard Oed ist freier Mitarbeiter der ELEKTRONIKPRAXIS.

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