Herausforderung

Knapp 13.000 Kilometer Bahnstrecken in Deutschland sind noch nicht elektrifiziert und daher nur von Zügen zu befahren, die von einem Dieselmotor angetrieben werden. Der Batterieantrieb, der beim PKW als emissionsfreie Alternative gilt, ist für Lokomotiven eher ungeeignet. Vielversprechender ist hier die Brennstoffzelle auf Wasserstoffbasis: Dass die Technik für Züge funktioniert, zeigen die ersten Regionalbahnen, die seit einigen Jahren mit Wasserstoffantrieb durch Deutschland fahren. Allerdings sind entsprechende Neuanschaffungen mit hohen Investitionen verbunden und können daher nur sukzessive erfolgen. Stattdessen könnten vorhandene Diesellokomotiven auf Wasserstoffantrieb umgerüstet werden. Die Lok bleibt in Ihrem Aufbau dabei weitestgehend unverändert und muss nicht ausrangiert werden. Die technische Herausforderung liegt jedoch in der Realisierung eines robusten und effizienten Brennverfahrens für einen vergleichsweise großen Motor.

Ziele und Vorgehen

Im Projekt HydroLoc soll ein solches Brennverfahren für die Umrüstung von Lokomotiven entwickelt und getestet werden. Um herauszufinden, ob das Betriebsverhalten einer Diesellok mit einem Wasserstoffmotor erreicht oder sogar verbessert werden kann, wird ein moderner, hocheffizienter Dieselmotor des Partners Deutz umgerüstet. Eingesetzt in eine Versuchslokomotive, wird er direkt auf der Schiene getestet. Um das Projektziel zu erreichen, müssen zwei wesentliche Hürden überwunden werden: die Entstehung von schädlichem Stickoxid bei der Verbrennung und die hohe Neigung des Wasserstoffs zu unkontrollierter Selbstentzündung. Daher wird ein Wasserstoff-Magerbrennverfahren verwendet, bei dem die Verbrennungstemperaturen so niedrig gehalten sind, dass kein Stickoxid entsteht. Um eine unkontrollierte Verbrennung des Wasserstoffs zu vermeiden, wird in der Erprobungsphase der Lok ein mobiles Motorüberwachungssystem entwickelt, das die Zylinderdruckverläufe auswertet und rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten kann.

Innovationen und Perspektiven

Damit eine herkömmliche Diesellokomotive zuverlässig auch mit Wasserstoff betrieben werden kann, sind in diesem Projekt einige Innovationen geplant. Dazu gehört die Entwicklung eines neuartigen Wasserstoffeinblasesystems für vergleichsweise große Einzelzylinderhubräume. Das System beruht auf einer pneumatischen Vorsteuerung und kann auf unterschiedliche Anforderungen ausgelegt werden. Ein weiteres technisches Highlight ist der Einsatz einer variabel einstellbaren Verdichtung mittels eines längenvariablen Pleuels, was in diesem Projekt erstmalig erforscht wird. Die Technik ermöglicht hohe Wirkungsgrade sowohl bei hoher Last als auch bei Teillast. Das Projekt kann maßgeblich zur Dekarbonisierung des Schienenverkehrs beitragen, denn die Kosten für eine Umrüstung sind im Vergleich zur Neuanschaffung wesentlich geringer und damit für Bahnbetreiber wesentlich attraktiver.