Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles S A : Toyota Motor Europe liefert als Mitglied des Konsortiums, an dem CAF beteiligt ist, Brennstoffzellenmodule für das Eisenbahnprojekt FCH2RAIL

2021/04/09

·Die Hybridmodule (Brennstoffzelle + Batterien) ermöglichen einen emissionsfreien und oberleitungsfreien Schienenverkehr.
· Toyota kündigte kürzlich seine kompakten Brennstoffzellenmodule an, um den Einsatz von Wasserstoff auf dem Weg zur Klimaneutralität und den Wandel zu einer Wasserstoffgesellschaft voranzutreiben.
·Die Division von Toyota Motor Europe (TME) für Brennstoffzellen liefert ihre Brennstoffzellenmodule, um diese in den emissionsfreien Prototypenzug zu integrieren.

Auf dem richtigen Weg für die Entwicklung eines Doppelmodus-Zuges mit Brennstoffzelle

Nahezu die Hälfte der Bahnstrecken in der Europäischen Union ist elektrifiziert, um einen emissionsfreien Schienenverkehr zu ermöglichen. Auf dem restlichen Netz werden Dieselzüge eingesetzt. Im Rahmen des EU-Projekts FCH2RAIL entwickelt das Konsortium, bestehend aus Mitgliedern aus Belgien, Deutschland, Spanien und Portugal, einen neuen Prototyp für einen NullEmissions-Zug. Das Herzstück des Projekts ist ein hybrides Doppelmodus-Antriebssystem, das die elektrische Energieversorgung aus der Oberleitung mit der Energieversorgung aus einem autonomen Modul abwechselt. Dieses Modul hybridisiert die Energie aus den Wasserstoffzellen und Batterien und funktioniert unabhängig von der Oberleitung.

Das Projekt FCH2RAIL startete im Januar und hat bereits erste Ergebnisse geliefert, nachdem die Referenzstrecken und Betriebsszenarien für den Prototyp definiert wurden.

Oberleitung und Hybridsystem: Doppelmodus-Transport ohne Emissionen

Der Zug nutzt die Energie der Oberleitung, wenn sie verfügbar ist. Wenn der Zug auf Gleisen ohne Oberleitung unterwegs ist, wird er aus dem Hybridmodul aus Brennstoffzellen und Batterien gespeist. 'Wir wollen zeigen, dass diese Art von Doppelmodus-Zug eine wettbewerbsfähige und umweltfreundliche Alternative zum Dieselzug ist', sagt Projektkoordinator und Forscher Holger Dittus vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt - Institut für Fahrzeugkonzepte (DLR).

Derzeit werden viele Bahnstrecken in Europa mit Oberleitungen elektrifiziert, ein sehr kostspieliges und langfristiges Unterfangen, das von den lokalen geografischen Bedingungen abhängt. Als Alternative gibt es Züge, die ausschließlich mit Batterien betrieben werden, deren Reichweite jedoch begrenzt ist (zwischen 30 und 70 km), abhängig vom Streckenprofil und den Außentemperaturen. Die derzeitigen Dieselzüge bieten eine geringere Leistung in Bezug auf Höchstgeschwindigkeit und Beschleunigung als Züge, die durch eine Oberleitung von Elektromotoren angetrieben werden.

Unser Doppelmodus-Hybridsystem mit Brennstoffzellen und Batterien kombiniert die Vorteile beider Technologien, indem es sowohl Oberleitungsstrom als auch Bordstrom nutzen kann. Damit erreichen wir einen noch nachhaltigeren und energieeffizienteren Schienentransport', fasst der technische Leiter des Projekts, Sergio Gascon von Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF), das Hauptziel des Projekts zusammen.

Das Bordnetz ist so konzipiert, dass seine Leistung und Autonomie nach einem Baukastenprinzip erweitert werden kann: Die Anzahl der Brennstoffzellen und Batterien beeinflusst die Antriebsleistung, während die Anzahl der Wasserstofftanks die Betriebsreichweite auf nicht elektrifizierten Strecken bestimmt. Daher kann die Kapazität des Systems sowohl für den Einsatz im Personen- als auch im Güterverkehr angepasst werden.

Mit einem Budget von 14 Millionen Euro soll das System in den nächsten vier Jahren entwickelt, getestet und zugelassen werden. Das Projekt wird mit 10 Millionen Euro durch das FCH 2 JU, European Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, gefördert. 'Unsere Studie über Wasserstoff und Brennstoffzellen im Schienenverkehr hat gezeigt, dass es ein erhebliches Potenzial für Brennstofffzellen- und Wasserstoff-Technologien im Schienenverkehr gibt und dass wasserstoffbetriebene Züge ein wichtiger Bestandteil beim Aufbau eines nachhaltigen europäischen Verkehrssystems sind', so Bart Biebuyck, geschäftsführender Direktor des FCH 2 JU. 'Die Europäische Kommission hat in ihrer Wasserstoffstrategie deutlich gemacht, dass Wasserstoff eine vielversprechende Option darstellt, wenn die Elektrifizierung schwierig ist, wie dies in einigen Teilen des Schienennetzes der Fall ist. Das FCH2RAIL-Projekt wird zeigen, dass diese Technologie eine flexible, emissionsfreie Lösung für den Ersatz von Dieselzügen in diesen Gebieten bietet, und ich bin gespannt auf die Ergebnisse.'

Streckentests: Funktionstests mit einem umgebauten Nahverkehrszug

To understand the environmental impacts of such a system, from its production, to its use, up to its disposal and to evaluate the performance under real conditions, it is planned to convert a CIVIA electric commuter train (manufactured by the Spanish manufacturer CAF) and to integrate a fuel cell hybrid power pack in this train. The Spanish state railway operator Renfe is providing the train. One of the central components of the on board energy system are the packaged fuel cell system modules from Toyota Motor Europe (TME), while the batteries and power converters will be provided by CAF. Initial functional tests and trial runs for approval will take place on Spanish and Portuguese tracks with the support of the infrastructure managers Administrador de Infrastructuras Ferroviarias (ADIF) and Infraestruturas de Portugal (IP). The Spanish hydrogen research centre Centro National de Hidrogeno (CNH2) has been entrusted with the construction of a hydrogen fuelling station to refuel the prototype and in FCHPP testing before train integration.

We embrace this opportunity of working within the consortium to bring our fuel cell technology to another type of hydrogen application. Hydrogen has an important role to play in helping decarbonise Europe's railways, and we are excited to integrate Toyota fuel cell modules into the 'Fuel Cell Hybrid Power Pack', said Thiebault Paquet, Director of the Fuel Cell Business Group at Toyota Motor Europe.

Designing and controlling the system, energy management and homologation

Um die Auswirkungen dieses Systems auf die Umwelt zu verstehen - von der Fertigung bis zum Ende der Lebensdauer -, und seine Leistung unter realen Bedingungen zu bewerten, ist geplant, einen elektrischen Nahverkehrszug CIVIA (hergestellt vom spanischen Hersteller CAF) mit HybridBrennstoffzellen- und Batteriemodulen auszustatten. Der spanische Bahnbetreiber Renfe liefert hierzu die Schienenfahrzeuge. Eine der Grundkomponenten des autonomen Energiesystems sind die Brennstoffzellenmodule von Toyota Motor Europe (TME), während die Batterien und Stromrichter von CAF geliefert werden. Die ersten Funktions- und Streckentests werden mit Unterstützung der Infrastrukturbetreiber Administrador de Infraestructuras Ferroviarias (ADIF) und Infraestructuras de Portugal (IP) im spanischen und portugiesischen Netz durchgeführt. Das spanische Forschungszentrum Centro Nacional de Hidrogeno (CNH2) wurde mit der Konstruktion der Wasserstofftankstelle und den Tests des Hybrid-Brennstoffzellen- und Batteriemoduls betraut, bevor es in den Zug integriert wird.

Wir nutzen die Gelegenheit, im Konsortium mitzuarbeiten, um unsere Brennstoffzellen-Technologie auf eine andere Art der Wasserstoffanwendung anzuwenden. Wasserstoff spielt eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung der europäischen Eisenbahn, und wir sind begeistert von der Integration der Brennstoffzellenmodule von Toyota in das Hybridmodul', sagt Thiebault Paquet, Leiter der Fuel Cell Business Group von Toyota Motor Europe.

Systemauslegung und -steuerung, Energiemanagement und Zulassung

Vor den ersten Testläufen muss das internationale Projektteam noch eine Reihe von technologischen Herausforderungen lösen: Die Konstruktion muss die Steuerung und Kombination der Brennstoffzellen- und Batteriemodule ermöglichen, damit das System alle Anforderungen erfüllt und effizient umgesetzt werden kann. Außerdem soll der Wirkungsgrad gesteigert werden, indem die Abwärme der Brennstoffzellenmodule effizient für die Heizung und Klimatisierung des Zuges genutzt wird. Im Rahmen des Projekts untersuchen der Klimaanlagenhersteller Faiveley/Stemmann Technik (STT) und das DLR innovative Lösungen zur Reduzierung des Energiebedarfs in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK).

Darüber hinaus analysiert das Projekt die Vorschriften und Bestimmungen in den Bereichen Wasserstoff und Schienenverkehr, mit dem Ziel, jederzeit eine sichere Integration zwischen Wasserstofftechnologie und Oberleitung zu gewährleisten. Vor diesem Hintergrund entwickelt das Projektteam Vorschläge, die es den zuständigen Behörden erleichtern sollen, diesen Zugtyp in naher Zukunft in der gesamten EU zuzulassen.

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