Wasserstoff im ICE, das ist in Ordnung!
Der Einsatz von Wasserstoff im Tier-3-NextFuel™ -Motor unterstreicht Wabtec als führenden Anbieter alternativer Kraftstoffe
„Erster Brand“ mit Wasserstoff
Merken Sie sich dieses Datum: 15. Mai 2024.
An diesem Mittwochnachmittag lösten die Forschungsingenieure von Wabtec in einer Testanlage auf dem Hauptcampus des Southwest Research Institute (SwRI) in San Antonio, Texas, das „erste Feuer“ (d. h. die Verbrennung) eines Zweistoff-Wasserstoffdieselmotors aus.
Sie führten Wasserstoff in einen 4.500 PS starken Wabtec Evolution Series Tier 3-Motor ein, der ein fester Bestandteil der Eisenbahnlokomotivenflotten auf der ganzen Welt ist (mehrere tausend Lokomotiven mit Motoren der Evolution-Serie sind heute in Betrieb), und er funktionierte... innerhalb der erwarteten Parameter.
Nur um das klarzustellen: Ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor (H₂-ICE) ist noch Jahre entfernt. Aber das Erreichen des ersten Brandes ist ein wichtiger erster Schritt auf diesem Weg, und an diesem Punkt zu sein, unterstreicht den Innovationsgeist — und den praktischen Geschäftsansatz — von Wabtec, da das Unternehmen in einer bereits treibstoffeffizienten Bahnbranche auf dem Weg in eine Netto-Null-Zukunft führend ist.
Ein „vielfältiger“ Ansatz: Zweistoffmotoren
Wasserstoff als (nicht fossile) Brennstoffquelle hat die Fantasie des Schienengüterverkehrs und der Wirtschaft im Allgemeinen beflügelt, da er kohlenstofffrei verbrennt. Das Element selbst ist im Universum in großer Menge vorhanden, große Vorräte an „grünem“, kostengünstigen Wasserstoff und die für seine Verteilung erforderliche Infrastruktur jedoch nicht. Es ist auch das leichteste Element und extrem entzündlich, was die Konstrukteure von Lokomotivmotoren vor besondere Herausforderungen stellt.
Trotz der vielen einzigartigen Eigenschaften von Wasserstoff ist Wabtec der Ansicht, dass die Antwort darauf, ihn zu einem produktiven, kohlenstofffreien Kraftstoff für bestehende Güterlokomotivflotten zu machen, in seinen Gemeinsamkeiten mit anderen Energiequellen liegt. Anders ausgedrückt: H₂ ist ein Gas, und Wabtec weiß, wie man Gas in einem Hochleistungs-Verbrennungsmotor verbrennt. Besser noch, Wabtec weiß, wie man Erdgas in einem Zweistoffmotor verbrennt, der bei Bedarf nahtlos wieder auf Diesel umschalten kann. Dies tut das Unternehmen bereits in einem kommerziellen Umfeld mit seiner NextFuel™ -Lokomotive für die Florida East Coast Railway.
Diese Unterscheidung ist wichtig, weil Wabtec wieder einmal effizient innoviert und der Branche zeigt, dass sie das Rad nicht neu erfinden muss, um einer neuen alternativen Kraftstoffquelle Rechnung zu tragen. Stattdessen will Wabtec dafür sorgen, dass dieser alternative Kraftstoff, in diesem Fall Wasserstoff, innerhalb einer bestehenden Motorplattform, die speziell für (Kraftstoff-) Flexibilität entwickelt wurde, effektiv funktioniert, sodass Kunden von neuen Kraftstoffen profitieren können, sobald sie rentabel werden.
„Die Versuchung, Wasserstoff und die Entwicklung eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors als eine Herausforderung zu betrachten, die einen radikal neuen Ansatz erfordert, ist groß, aber einer, der wir durch gute Planung und noch bessere Ausführung erfolgreich widerstanden haben“, sagt Jim Gamble, Vice President, Engine and Power Solutions, Wabtec. „Mit unseren NextFuel™ -Zweistoffmotoren hat Wabtec unsere beliebten bestehenden Dieselmotoren so modifiziert, dass sie a) alternative Kraftstoffe aufnehmen und b) bei Bedarf nahtlos — und automatisch — wieder auf Diesel umschalten.“
Dieser Innovationsansatz stellt sicher, dass die Bedürfnisse der Bahnkunden in emissionsreduzierende Technologien einfließen, insbesondere ihre Bedenken hinsichtlich der Infrastruktur und Verfügbarkeit alternativer Kraftstoffe. So ermöglichen beispielsweise die Erfolge von Wabtec bei der Verwendung alternativer Kraftstoffe in bestehenden Motoren mit seinen NextFuel-Kits, seien es LNG, Biodiesel oder erneuerbarer Diesel, den Fluggesellschaften, je nach Situation vor Ort zwischen den Kraftstoffarten zu wechseln. Das heißt, wenn ein alternativer Kraftstoff in einem bestimmten Gebiet nicht verfügbar ist oder die Infrastruktur, um ihn bereitzustellen, zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht bereit ist, kann und wird Diesel die Arbeit trotzdem erledigen — automatisch und alles mit einem leistungsstarken Motor.
Dies ist besonders wichtig bei der Entwicklung von Wasserstoffmotoren, bei denen sich der Aufbau einer Infrastruktur für Wasserstoffkraftstoffe in einem ebenso frühen Stadium befindet wie die Entwicklung des H₂-ICE selbst.
„Wir haben aus Erfahrung gelernt, dass es keine gute Idee ist, Innovationen zu weit vor dem zu führen, was unsere Bahnkunden praktisch nutzen können“, fügt Gamble hinzu. „Durch Fortschritte bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff in unserer funktionierenden NextFuel-Plattform stellen wir sicher, dass die Fortschritte, die wir erzielen, innerhalb eines Liefermodells erfolgen, das die Branche bereits angenommen hat und das problemlos umgesetzt werden kann.“
Wir bringen Wasserstoff näher zum Kunden
Seit Wabtec groß angelegte Forschungsverträge mit den Oak Ridge und Argonne National Laboratories des Energieministeriums angekündigt hat, hat Wabtec auf dem Gebiet der wasserstoffbetriebenen Züge Wellen geschlagen. Diese Arbeit konzentrierte sich auf die Erprobung einer Vielzahl alternativer Kraftstoffe, einschließlich Wasserstoff, an einer Wabtec-Einzylinder-Zweistofflokomotive im Oak Ridge Lab.
Parallel zur Einrichtung dieses wichtigen Testumfelds forderte die Geschäftsleitung von Wabtec das Team für Motor- und Energielösungen auf, die Wasserstoffforschung „näher an den Kunden“ und seine täglichen Erfahrungen heranzuführen, sodass sie weniger theoretisch und zum Anfassen und Fühlen konzipiert wurden.
Das Ergebnis war eine neue Partnerschaft mit SwRI und ein Wasserstoffsystem, das an einem Tier 3-Motor der NextFuel Evolution Series, ähnlich dem von der Florida East Coast Railway, durchgeführt wurde, mit Modifikationen für den Einsatz von Wasserstoff. Dieser Zweistoffmotor erwies sich als „natürlich“ für die ersten Wasserstofftests, da auch er neben Diesel auch ein Gas, d. h. Erdgas, verbrannte.
Abgesehen von den Gemeinsamkeiten ist Wasserstoff jedoch kein Erdgas. Zunächst einmal ist Wasserstoff viel leichter. Tatsächlich will es als leichtestes Element im Periodensystem um drei Stockwerke pro Sekunde aufsteigen. Es wäre abzuwarten, wie sich das auf die Konstruktion des Kraftstoffversorgungssystems des Motors auswirken würde. Darüber hinaus ist die Zündenergie von Wasserstoff sehr niedrig — viel niedriger als bei Erdgas — und sein Entflammbarkeitsbereich ist extrem groß.
Die Verbrennung ist wichtig
Allerdings hat Wabtec diese Tests aus einer Position der Stärke heraus begonnen. Das Unternehmen hatte seinen Tier 3-Motor der Evolution-Serie bereits für die Verbrennung von Erdgas modifiziert und dabei Änderungen sowohl am Motor als auch an der Lokomotivausrüstung vorgenommen.
Das Ziel von Wabtec ist es, auf diesen Fortschritten aufzubauen und sie in einigen Fällen zu überspringen und die Optimierungen und größeren Änderungen vorzunehmen, die erforderlich sind, um Wasserstoff als nachhaltige Kraftstoffquelle zu nutzen und dann zu optimieren. Reicht beispielsweise die aktuelle Rohrleitungs- und Motorarchitektur aus, um Wasserstoff, der sechsmal leichter ist als Erdgas, vom Tender in die Brennkammer zu leiten? Wäre es besser, Wasserstoff direkt in die Brennkammer (Direkteinspritzung) als in das Ansaugrohr (Kanaleinspritzung) einzuspritzen?
Diese und Hunderte anderer Fragen und Variablen sind und werden auch weiterhin Gegenstand umfangreicher Tests sowohl an der Einzylinderanlage im Oak Ridge National Laboratory als auch am Tier 3 NextFuel-Motor bei SwRI sein.
„Ein verdammt großer Vorsprung“
„Wir befinden uns an einem spannenden Wendepunkt in unserem Denken über Wasserstoff, an dem wir von der Theorie zur tatsächlichen Prüfung unserer Annahmen an echten, leistungsstarken Motoren übergehen können, die unsere Kunden gut kennen und auf die sie sich verlassen“, schließt Gamble. „Wabtec hat seinen Kunden zugehört und sich auf Möglichkeiten konzentriert, emissionssparende Technologien schnell, schrittweise und so reibungslos wie möglich bereitzustellen, und hat es der Güterbahnbranche ermöglicht, ihre heutigen Ziele zur CO2-Reduzierung erheblich zu erreichen.“