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Wasserstoff in der Mobilität

Wasserstoff in der Mobilität

Wasserstoff im Mobilitätssektor

Obwohl die öffentliche Diskussion rund um konventionelle Verbrennungsmotoren und alternative Antriebsformen seit Jahren geführt wird, verzeichnet der Mobilitätssektor keinen nennenswerten Fortschritt in der Emissionsreduktion. So lagen die CO2-Emissionen des Verkehrssektors laut Umweltbundesamt im Jahr 2010 bei 153 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten – und im Jahr 2020 bei 149 Millionen Tonnen, was einen Anteil von 20 % an Deutschlands Treibhausgasemissionen bedeutet.

Vor dem Hintergrund der am 10. Juni 2020 verabschiedeten Nationalen Wasserstoffstrategie gilt es, Technologie- und Infrastrukturlösungen zu entwickeln sowie Rahmenbedingungen zu schaffen, die einen wirtschaftlichen Weg zu einer Elektrifizierung der Massenmobilität ermöglichen. Welche Rolle brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge einnehmen, ist derzeit noch offen, wobei zu erkennen ist, dass Wasserstoff das Potenzial hat, sich bei Fahrzeugkonzepten zu etablieren, die auf lange Distanzen und hohe Kilometerleistungen ausgelegt sind. Dem Ausbau der Wasserstoffmobilität kommt dabei in besonderem Maß der geplante Aufbau von Produktions- und Transportkapazitäten in der Wasserstoffwirtschaft zugute.

Sicherheit von Wasserstoffautos

Während des regulären Betriebs eines Wasserstoffautos können Sauerstoff und Wasserstoff nicht in Berührung kommen, da der Wasserstoff getrennt vom Sauerstoff in Tanks gespeichert wird. Diese müssen deutlich druckfester sein als herkömmliche Benzintanks. Damit überhaupt bei einem Unfall größere Mengen Wasserstoff freigesetzt werden können, müsste es sich um einen Vorfall wie einen Totalschaden handeln. Selbst bei Crashtests kam es weder zu einer Beschädigung der Tanks noch zu einem Austreten des Wasserstoffs. Eine höhere Explosionsgefahr besteht bei Wasserstoff, wenn es zu einer Freisetzung in einem geschlossenen Raum kommt.

Dazu zählen eben auch Tunnel oder Garagen, die es hinsichtlich der Gefahren von Wasserstoff etwa durch zusätzliche Belüftung und weitere sicherheitstechnische Maßnahmen abzusichern gilt. Wasserstoffautos sind allerdings so gesichert, dass bei einem Brand explosionsfähige Mischungen verhindert werden: Bevor ein explosionsfähiges Gemisch entstehen kann, wird der angeheizte Wasserstoff abgeleitet und im Feuer verbrannt. Aufgrund der bestehenden Sicherheitsmaßnahmen können Wasserstoffautos auch in Garagen und Parkhäusern geparkt werden.

Wasserstoff im Bahnbereich

Wasserstoff ersetzt Dieselantrieb im Bahnnetz

Rund 40 % des deutschen Schienennetzes sind nicht elektrifiziert. Für den Personenverkehr auf diesen oberleitungsfreien Bahnstrecken kommen bisher fast ausschließlich Diesel-Triebwagen zum Einsatz. Hier stellt die Umrüstung von Diesel- auf Wasserstoff-technologie eine besonders wirtschaftliche, umweltfreundliche und nachhaltige Lösung dar. So können beispielsweise Regionalverkehrszüge unter Beibehaltung der Zugarchitektur sowie ohne signifikante Schwerpunktveränderungen mit grünem Wasserstoff betrieben werden.

Erfolgreiche Testphase von Wasserstoffzügen in Niedersachsen

Zur Erprobung solch einer Plattformlösung nahmen im Jahr 2018 zwei wasserstoffgetriebene Coradia iLint des Herstellers Alstom im Weser-Ems-Netz ihren Betrieb auf. Die Züge verfügen über eine Reichweite von 600–800 Kilometern und besitzen dachseitig installierte Tanks, die unter einem Druck von 350 bar mit gasförmigem Wasserstoff gefüllt werden. Unter Zugabe von Sauerstoff aus der Umgebung wird der Wasserstoff in den ebenfalls auf dem Dach befindlichen Brennstoffzellenstacks in Strom umgewandelt und Batterien zugeführt, die den Strom zwischenspeichern und je nach Bedarf abgeben.

Neben der Bereitstellung der Antriebsenergie übernehmen die Batterien auch die Speicherung der Bremsenergie und tragen so zu einer hohen Energieeffizienz des Gesamtsystems bei. Versorgt werden die Züge über eine mobile Wasserstofftankstelle. Aufgrund des Erfolgs der 18-monatigen Testphase plant die Niedersächsische Landesnahverkehrsgesellschaft evb die Anzahl der wasserstoffgetriebenen Regionalzüge zu erhöhen und in Bremervörde eine stationäre Wasserstofftankstelle mit einer Kapazität von rund 1.600 kg Wasserstoff pro Tag zu errichten.

Ausbau der Wasserstoffmobilität auf der Schiene

Nach dem Vorbild Niedersachsens zieht der Rhein-Main-Verkehrsverbund mit der bislang weltgrößten Flotte an brennstoffzellengetriebenen Regionalzügen des Typs Coradia iLint sowie einer eigenen Wasserstofftankstelle für Passagierzüge nach. Auch in Baden-Württemberg sind der Ersatz von Dieseltriebzügen durch brennstoffzellengetriebene Züge sowie die Errichtung von entsprechenden Tankstellen geplant – zum Einsatz kommt dort im Raum Tübingen ein Regionalzug, den die Deutsche Bahn zusammen mit Siemens auf Basis des Regionaltriebzugs Mireo Plus entwickelt.

Von der normenkonformen Integration von Tanksystemen in vorhandene Infrastrukturen bis hin zur spezifischen Überwachung von Wasserstoffsystemen und zur Überprüfung von Tankanlagen – mit umfassenden Dienstleistungen in den Bereichen Testing, Inspection und Certification begleiten wir Sie von der Konzeptphase, über die Herstellung, bis zum Betrieb Ihrer Anlage.

Wasserstofftankstellen und Füllstationen

Wasserstofftankstelle Wasserstofftankstelle Wasserstofftankstelle Wasserstofftankstelle
Wasserstofftankstelle

Die Wasserstoffbetankung von Straßen- und Schienenfahrzeugen erfolgt über Füllstationen, die eine Versorgung auf verschiedenen Druckniveaus ermöglichen. Neben stationären H2-Tankstellen existieren auch mobile Betankungsstationen für Wasserstoffautos. Von Bedeutung ist die Technologie für die Wasserstoffspeicherung und -verdichtung, die in Abhängigkeit vom Ausgangszustand des Wasserstoffs (flüssig oder gasförmig) sowie von Anzahl und Typ der zu betankenden Fahrzeuge gewählt wird. Eine besondere Herausforderung stellen die hohen Druckniveaus zudem an die Dichtungstechnik von Tanksystemen.

Im Rahmen des Aufbaus einer Infrastruktur für Wasserstoff entsteht in Deutschland ein Netz stationärer Wasserstofftankstellen, die eine Betankung von Straßenfahrzeugen mit gasförmigem Wasserstoff ermöglichen. Hinzu kommen Kleinanlagen, etwa für die Betankung von Brennstoffzellen-Gabelstaplern, mobile Wasserstofftankstellen für eine spezifische lokale Bedarfsdeckung sowie Füllstationen für brennstoffzellenbetriebene Züge. Die meisten Füllstationen werden von Wasserstoff-Trailern mit Wasserstoff beliefert, manche verfügen über einen Elektrolyseur, in dem vor Ort Wasserstoff produziert wird.

Gasförmiger Wasserstoff an der H2-Tankstelle

Gasförmiger Wasserstoff wird in Füllstationen an H2-Tankstellen in Druckbehälterbündeln, Hochtanks oder unterirdischen zylindrischen Stahltanks. gelagert. Zur Betankung reduzieren Kompressoren das Volumen des Wasserstoffs und verdichten ihn auf die erforderlichen Druckniveaus. Aktuell sind die meisten Wasserstofftankstellen darauf ausgelegt, Pkw innerhalb von etwa drei Minuten mit 700 bar zu betanken. Füllstationen mit entsprechend großen Kompressoren können auch Nutzfahrzeuge mit 700 bar versorgen.

Um Wasserstoffbusse und Wasserstoff-Lkw zu betanken, benötigen Füllstationen einen 350-bar-Zapfpunkt, während die Druckbehälter von Zügen mit 250 bar gefüllt werden. Eine wichtige Rolle im Prozessablauf einer Füllstation übernimmt auch das Thermomanagement. Wasserstoff wird für die gasförmige Betankung auf eine Temperatur von -40 °C gebracht. Bei der Lagerung im Gaszustand geschieht dies durch Kühlgeräte, bei Lagerung im Flüssigzustand kommt eine Kryopumpe zum Einsatz, die den -253 °C kalten Wasserstoff erwärmt.

Flüssiger Wasserstoff an Wasserstofftankstellen

Während die Speicherung und der Transport von flüssigem Wasserstoff längst gängige Praxis ist, wird sein Einsatz als Energieträger in Fahrzeugen immer noch erforscht. Nach ersten Versuchen mit flüssigwasserstoffbetriebenen Pkw stehen nun vor allem Lkw im Fokus der Fahrzeugentwicklung und der Anpassung von Füllstationen. Hierbei werden Betankungsverfahren getestet, die den Boil-off-Effekt der gasförmigen Betankung vermeiden und auch die komplexe Datenkommunikation zwischen H2-Tankstelle und Fahrzeug überflüssig machen. Mit „Boil-off“ wird das kontinuierliche Abdampfen bezeichnet, das entsteht, wenn Wärme in Tanks mit flüssigem Wasserstoff eindringt.

Der im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff deutlich kältere Flüssigwasserstoff (Temperatur: -253 °C) erfordert eine erheblich verbesserte Isolierung von Druckbehältern und Rohrleitungen. Dafür ermöglicht er aufgrund seiner höheren Energiedichte aber auch die Betankung auf niedrigerem Druckniveau sowie die Verwendung kleinerer und leichterer Tanks bei gleichzeitig größerer Fahrzeugreichweite. Nach Errichtung erster Pilotstationen für die Betankung mit Flüssigwasserstoff und erfolgreicher Testphase könnte somit die Flüssigwasserstofftechnologie zusätzlich zur Dekarbonisierung des Straßenverkehrs beitragen, insbesondere im Bereich des Fernlastverkehrs.

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