Untersuchung der Eignung von Wasserstoff zur Unterstützung der Dekarbonisierung des Schienenverkehrs

Auf den letztgenannten Abschnitten des Netzes mag die Vorstellung eines emissionsfreien Betriebs in weiter Ferne liegen - doch in einem kürzlich durchgeführten Joint-Venture-Projekt haben wir Wasserstoff als Ersatzkraftstoff untersucht. Im Rahmen unserer Arbeit wird untersucht, ob die Umrüstung bestehender dieselgetriebener Züge auf emissionsfreien, umweltfreundlichen Wasserstoffantrieb eine realistische, wirtschaftlich tragfähige und sichere Lösung sein kann.

Wasserstoffbetriebene Züge sind keine neue Technologie - einige Länder und Netze haben bereits mit Prototypen experimentiert, und in Deutschland sind bereits Züge im Einsatz. In den meisten Kontexten sind wasserstoffbetriebene Züge jedoch nach wie vor ein neues Konzept, das zwar die Aussicht auf einen nachhaltigen Verkehr bietet, aber auch erhebliche Anpassungen an die Struktur und den Betrieb des bestehenden Netzes erfordert.

Arup Explains

Was ist grüner Wasserstoff?

Antworten auf neue Fragen mit einer neuen Energiequelle

Im Rahmen eines von Arcola Energy geleiteten Projekts sind wir Teil eines Lieferkettenkonsortiums, das über den schottischen Hydrogen Accelerator an der Universität St. Andrews einen serienreifen und sicherheitszertifizierten wasserstoffbetriebenen Zug für Transport Scotland liefern soll. Ziel ist es, festzustellen, dass Wasserstoff sicher und effektiv als nachhaltige Alternative zu Dieselzügen in Gebieten eingesetzt werden kann, in denen eine Elektrifizierung schwieriger wäre (z. B. dort, wo die Elektrifizierungsdistanz die Möglichkeiten von Batterien allein übersteigt) oder wirtschaftlich weniger rentabel ist. Transport Scotland hat sich in seinem Aktionsplan zur Dekarbonisierung des Schienenverkehrs bereits dazu verpflichtet, Dieselzüge bis 2035 aus seinem Netz zu entfernen. Unsere Spezialisten für Bahntechnik haben die Sicherheitsaspekte für den Wasserstoffzug sowie eine Marktanalyse für die Integration von Wasserstoffzügen in das schottische Personennetz entwickelt.

Warum Wasserstoff?

Es wurden bereits Wasserstoffmotoren für Lkw, Busse und sogar einige Pkw entwickelt - die Fähigkeit zur Entwicklung von Hochleistungsfahrzeugen, die mit diesem reichlich vorhandenen Kraftstoff betrieben werden, ist im Straßenverkehr bereits gut bekannt. Der vorgeschlagene Zug wäre ein Hybrid - angetrieben von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Hochleistungsbatterien, die die Energie an Bord transportieren, anstatt auf Oberleitungen angewiesen zu sein. Dies ist eine unmittelbare Antwort auf die Kostenproblematik bei der Elektrifizierung ländlicher Strecken, die in Schottland wie auch in vielen anderen Regionen der Welt seit langem ein Problem darstellt.

Publikation

Die Zukunft der Energie: grüner Wasserstofftransport

Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht als einziges Abfallprodukt Wasserdampf, der in Form von Tröpfchen oder Dampf freigesetzt wird. Das Ergebnis ist eine saubere, kohlenstofffreie Alternative zu den derzeit in Betrieb befindlichen Dieselzügen, mit der viele Langstreckenfahrten ohne Nachtanken durchgeführt werden können. Ein Teil unserer Aufgabe im Rahmen des Projekts besteht auch darin, die potenziellen Anforderungen für die Betankung zu bewerten und die effektivsten Standorte für die Betankung im Hinblick auf die Wasserstoffwirtschaft und -infrastruktur im weiteren Sinne vorzuschlagen.

Erforschung der Wasserstoffsicherheit

Da es sich um einen neuen Kraftstoff für den Schienenverkehr in Schottland handelt, war die Durchführung einer umfassenden Sicherheitsanalyse eine zentrale Priorität. Die Umrüstung bestehender, oft älterer Fahrzeuge von Diesel auf Wasserstoff wirft zusätzliche, spezifische Sicherheitsfragen auf. Fragen wie die veränderte Gewichtsverteilung müssen bewertet werden. Darüber hinaus unterstützen unsere Fachingenieure für Brandschutz und Bauwerke die Konstruktionsteams bei der Einhaltung der Normen der Eisenbahnindustrie und bereiten die Unterlagen für die Einreichung bei der Eisenbahnaufsichtsbehörde vor.

In Zusammenarbeit mit Arcola und Abbot Risk Consulting haben wir sicherheitstechnische Unterstützung bei allen Aspekten der Integration neuer Wasserstoffkomponenten in bestehendes Zugmaterial geleistet. Dazu gehörte die Identifizierung von Gefahren für die funktionalen, strukturellen und betrieblichen Aspekte des Zuges sowie für die Betankungs- und Speicherinfrastruktur am Demonstrationsstandort. Die in jedem Fall definierten Abhilfemaßnahmen wurden in die Konstruktion der zugseitigen Ausrüstung, das Betriebskonzept, die Wartungsanweisungen, die Kompatibilitätserklärung für die Strecke und das Standortlayout integriert.

Ein Übergangskraftstoff

Wasserstoff ist eine potenzielle Lösung für Strecken, die von Transport Scotland in ihrem Aktionsplan zur Dekarbonisierung des Schienenverkehrs als "alternative Traktion" eingestuft wurden, was bedeutet, dass sie zwar dekarbonisiert werden müssen, eine Elektrifizierung aber nicht möglich ist. Bei diesen Strecken handelt es sich in der Regel um langsamere Langstrecken oder ländliche Strecken. Die Netzstrategie für die Dekarbonisierung der Traktion von Network Rail befasst sich mit denselben Fragen auf britischer Ebene, und es ist klar, dass in der gesamten Branche eine Nachfrage nach Wasserstoffzuglösungen besteht.

Wasserstoff wird auch als Option für "elektrische Übergangsstrecken" in Betracht gezogen, die für eine Elektrifizierung zwischen jetzt und 2035 vorgesehen sind. Anstatt Dieselzüge auf diesen Strecken einzusetzen, bis sie elektrifiziert sind, wird Wasserstoff als eine Möglichkeit zur schnelleren Dekarbonisierung dieser Strecken untersucht.

Wir führen eine gründliche Streckenbewertung durch, um Strecken mit gutem Potenzial für den Einsatz von Wasserstoff hervorzuheben, und zwar auf der Grundlage von Betriebsmustern, Topografie, Streckengeschwindigkeit und der Nähe zu Wasserstoffproduktions- und Betankungsstandorten. Wir gehen davon aus, dass auf den betreffenden Strecken künftig eine Wasserstoffwirtschaft entstehen wird, die wertvolle Arbeitsplätze in abgelegenen schottischen Gemeinden von Aberdeen über die Highlands bis zu den Orkney-Inseln schaffen wird.

Eine Vision für die Zukunft

Die schottische Regierung hat sich verpflichtet, bis Ende 2025 den ersten Wasserstoff-Personenverkehr einzurichten. In unserer Studie "Der Weg zum Markt" haben wir analysiert, wie sich die Nachfrage nach einer Wasserstoffwirtschaft entwickeln könnte, und dabei die bevorzugten Wege für Wasserstoff sowie die Kosten und Vorteile aufgezeigt. Die Erkenntnisse aus diesem Demonstrationsprojekt helfen uns dabei, die effektivste Art und Weise zu definieren, wie weitere Züge zu einer eigenständigen, einkommensstarken Wasserstoff-Zugflotte in Schottland zusammengestellt werden können.

Nach dem Sicherheitsnachweis wird die nächste Phase darin bestehen, gemeinsam mit der Lieferkette, der Industrie und den Investoren eine Strategie zu entwickeln, um den Einsatz der Wasserstofftechnologie im Schienenverkehr und in anderen Sektoren weiter auszubauen.

Die schottische Regierung hat sich verpflichtet, bis Ende 2025 den ersten Wasserstoff-Personenverkehr einzurichten. In unserer Studie über den Weg zur Marktreife haben wir analysiert, wie sich die Nachfrage nach einer Wasserstoffwirtschaft entwickeln könnte, und die bevorzugten Wege für den Einsatz von Wasserstoff aufgezeigt sowie die Kosten und Vorteile erörtert. Die Erkenntnisse aus diesem Demonstrationsprojekt helfen uns dabei, die effektivste Art und Weise zu definieren, wie weitere Züge zu einer eigenständigen, einkommensstarken Wasserstoff-Zugflotte in Schottland zusammengestellt werden können.

Nach dem Sicherheitsnachweis wird die nächste Phase darin bestehen, gemeinsam mit der Lieferkette, der Industrie und den Investoren eine Strategie zu entwickeln, um den Einsatz der Wasserstofftechnologie auf den gesamten Eisenbahnsektor und andere Märkte auszuweiten.