Der Weg ist bereitet für den Mireo Plus H

Wenn wir Peter Eckert und Nikolaos Papaiordanidis im Gespräch beobachten, dann spürt man förmlich die Begeisterung, mit der sie ihre gemeinsame Aufgabe angehen, den Mireo Plus H, den ersten Wasserstoffzug von Siemens Mobility auf die Schiene zu setzen. Die Arbeit am Prototyp für die Erprobung unter realen Einsatzbedingungen ist dabei so etwas wie die Krönung einer Jahre dauernden Entwicklung, die unsere Gesprächspartner an unterschiedlichen Stellen entscheidend mitgeprägt haben. Wir sprechen mit ihnen darüber, worauf es bei modernen Triebzügen wirklich ankommt, was diesen Prototyp so interessant macht, und warum auch er letztlich ein wichtiger Teil einer größeren Entwicklung ist.

Herr Eckert, alle Prototypen sind unterschiedlich, warum ist der Mireo Plus H besonders?

Peter Eckert: Nun, unser Mireo Plus H ist der Prototyp, auf dem die neueste Hybridtechnik aus Brennstoffzelle und Batterie erstmals zusammen mit unserer Antriebstechnik in ein Fahrzeug eingebaut und auch im Fahrgastbetrieb erprobt wird. Anstelle eines Pantographen hat er zur Energieversorgung eine Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff aus Tanks auf dem Dach gespeist wird. Er hat eine Batterie, die die Traktionsleistung liefert und die Bremsleistung rekuperativ aufnimmt. Das alles mit der modernsten Technik – integriert auf einem der modernsten und leichtesten Züge. Diese Kombination aus innovativer Konzeption und neuester, nachhaltiger Technik macht ihn so besonders.

 

Nikolaos Papaiordanidis: Gleichzeitig ist er der Triebzug selbst aber auch eine Innovation, völlig neu konzipiert, mit einem starken Fokus auf Nachhaltigkeit, mit hohem Nutzen für den Betreiber und mit hohem Komfort für die Fahrgäste.

Mit diesem Prototypen prüfen wir nicht nur das Zusammenwirken der technischen Komponenten – uns geht es um das optimierte Gesamtkonzept eines Wasserstoffzugs im Zusammenhang mit einer H2-Infrastruktur. Wir wollen wissen, wie er sich im Regionalvehrkersbereich verhält. Welche Möglichkeiten hat der Betreiber, mit ihm auf Verkehrsanforderungen schnell und flexibel zu reagieren? Wie passt die geplante Wasserstoffinfrastruktur zu diesen Szenarien. Und natürlich wollen wir auch wissen, wie unsere neu entwickelte Technologie sich in der Praxis schlägt. 

 

 

Mit diesem Prototypen prüfen wir nicht nur das Zusammenwirken der technischen Komponenten – uns geht es um das optimierte Gesamtkonzept eines Wasserstoffzugs.“
Dipl.-Ing. Peter Eckert, Teamleiter für die Entwicklung des Wasserstoff-Hybridsystems bei Siemens Mobility GmbH 

Alternative Antriebstechnologien werden im Regionalzugbereich immer wichtiger. Welche Rolle trauen Sie dem Mireo Plus H dabei zu?

Nikolaos Papaiordanidis: Als mitverantwortlicher Mitarbeiter natürlich eine sehr große. Schließlich haben wir ihm für die aktuellen Herausforderungen im Regionalverkehr auf nicht elektrifizierten Strecken vieles in die Wiege gelegt – auch für das, was wir heute schon an zukünftigen Entwicklungen absehen können. Das ist in erster Linie mal die CO2-neutrale Mobilität – aber eben auch viel mehr. Die Klassiker sind geringe Lebenszykluskosten, aber auch die hohe Fahrzeugperformance. Dadurch wird es dem Kunden ermöglicht, seinen Fahrtakt zu verdichten oder Fahrplangestaltungen vorzunehmen, wo man die Fahrzeuge flügeln oder durchbinden lässt. Die Regionalzüge von morgen müssen über diese genannten Lösungen verfügen – und zwar modular kombinierbar, wenn sie den optimalen Nutzen für Umwelt, Betreiber und Fahrgäste anbieten sollen. Das Plattformkonzept des Mireo Plus H ist genau darauf vorbereitet und der Betrieb des Prototyps wird uns wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie wir die unterschiedlichen Ziele unserer Kunden am besten unterstützen können.

Peter Eckert: Nehmen wir mal das Thema Reichweite, da gilt auf der Schiene wie auf der Straße: Sobald Sie die Traktionsenergie an Bord mitführen müssen, haben Sie eine limitierte Reichweite, bedingt durch die einbaubare Tankkapazität und dem Gewicht sowie Größe der Batterien. Die Optimierung des Systems für eine größtmögliche Reichweite setzt ein geschicktes Zusammenspiel des Wasserstoff- und des Batteriesystems voraus. Was aber meist vergessen wird, ist der Einfluss des Grundfahrzeugs auf diese Auslegung und Optimierung. Und das ist bei der Mireo Familie von Grund auf neu auf Energieeinsparung hin entwickelt worden, als zweiteiliger und als dreiteiliger Triebzug. Das beginnt bei vielen leichten Rohbaukomponenten und setzt sich über eine verbesserte Aerodynamik bis zu einem neu entwickelten Traktionsbaukasten fort. Auf Basis dieser energiesparenden modularen Plattform haben wir einen Batteriezug (Mireo Plus B) für Strecken bis 120 km optimiert – und den Mireo Plus H als Wasserstoffzug für Reichweiten bis zu 1.000 km –  abhängig natürlich von Fahrweise und Streckentopologie.

Nikolaos Papaiordanidis: Und für die eben angesprochene Taktverdichtung haben beide Fahrzeugtypen die richtige Fahrdynamik: Mit Fahrzeugleistungen von mehr als 1 MW und Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 160 km/h fahren sie problemlos auf Hauptstrecken, ohne den übrigen Verkehr zu beeinträchtigen. 

Was macht den Mireo Plus H denn jetzt technologisch so besonders?

Peter Eckert: Um es kurz zu sagen: Der H2-Antrieb der nächsten Generation. Seine Räder werden direkt, also ohne Kardanwellen, von umrichtergespeisten Asynchronmaschinen angetrieben. Der Strom dazu kommt aus der Hochleistungs-Traktionsbatterie, die in neuester und sicherster Li-Ion-Technologie ausgeführt und auch die für die Aufnahme der rekuperierten Bremsenergie ausgelegt ist. So werden die Beschleunigungsvorgänge des Mireo Plus H aus der Traktionsbatterie gespeist, während bei gleichmäßiger Fahrt auf der Strecke das Wasserstoffsystem die Batterie nachlädt und das Bordnetz versorgt. Das Bild zeigt die wesentlichen Komponenten des Traktionssystems eines zweiteiligen Mireo Plus H.

 

 

 

Nikolaos Papaiordanidis: Der Traktionsbaukasten ist dabei ein Schlüsselelement für das modulare Mireo Plus-Konzept. Wasserstoff- und Batteriezug bedienen sich aus dem gleichen Baukasten, mit jeweils optimierten Modulen. Wesentlicher Unterschied ist die Energieversorgung, die beim Mireo Plus H aus der Brennstoffzelle gespeist wird, beim Mireo Plus B durch Speisung aus der Oberleitung. Die Grafik zeigt die Komponenten des Traktionsbaukastens am Beispiel eines Mireo Plus H Fahrzeugs im Überblick.

Was dürfen Sie uns denn schon über die Innovationen des Traktionsbaukastens verraten?

Nikolaos Papaiordanidis: Vielleicht beginnen wir mit einer Kuriosität? Wasserstoff hat eine besondere Eigenschaft: Beim Entspannen von hohem Druck (z. B. an der Tankstelle) zu niedrigem Druck (z. B. im leeren Tank) kühlt er nicht wie jedes andere Gas ab, sondern erwärmt sich; dies umso mehr, je schneller betankt wird. Daher muss hierbei die zulässige Erwärmung des Tanksystems beachtet werden. Um die Tankzeiten möglichst kurz zu gestalten (vergleichbar mit dem Tanken eines Dieselzuges), wird der Betankungsvorgang des Fahrzeugs mit der Infrastruktur über verschiedene Parameter wie etwa Vorkühlung von Wasserstoff abgestimmt. Dabei orientieren wir uns an den gebräuchlichen Standards für Betankungsvorgänge, müssen jedoch im Hinblick auf das Gesamtsystem Fahrzeug und Infrastruktur neue Überlegungen für einen OPEX-optimierten Betankungsvorgang anstellen. Und genau dies ist eine von mehreren Innovationen für unser System. Die Bilder zeigen ein Tank-Rack und dessen Typ-IV-Tanks als Einzelkomponenten. 

Peter Eckert: Aufgrund der Dachmontage und des limitierten Platzangebots bzw. Gewichts wurde eine Brennstoffzelle mit deutlich erhöhter Leistungsdichte (im Vergleich zu herkömmlichen Systemen) entwickelt. Das Konzept beinhaltet die Integration der kompletten Hilfsbetriebe, ein spezifisches Brennstoffzellen-Stack-Design sowie die Steuerung für das Brennstoffzellen-System. Das Stack-Design und eine auf das Fahrverhalten des Zugs abgestimmte Betriebsweise minimieren die Alterung der Brennstoffzelle, sodass wir heute von einer Lebensdauer des Stacks von ca. 30.000 Betriebsstunden ausgehen können.

 

Nikolaos Papaiordanidis: Auch beim Tanksystem und der H2-Verrohrung mussten wir neue Wege gehen. Die Drucktanks sind für den Betrieb auf dem Fahrzeug für den ganzen Lebenszyklus ausgelegt und optimiert. Die Leichtbauweise der Tanks als Typ IV Druckbehälter bringt uns zumal Vorteile in der Gesamtgewichtsbilanz des Fahrzeugs. Die Prozessdaten wie etwa Druck und Temperatur des Tanksystems werden über die Gas-Regel-Einheit (Gas-Handling-Unit/GHU) erfasst. Über die Daten der GHU können wir den Tankvorrat ersehen ähnlich wie beim Dieselfahrzeug die Tanknadel den Füllstand des Dieseltanks anzeigt.

Betanken kann man den Mireo Plus H übrigens von beiden Seiten, damit der Zug dazu nicht gewendet werden muss. Die Tankstutzen sind in bequem erreichbarer Höhe im Wagenübergang in der Nähe des Jakobsdrehgestells platziert. Das Rohrleitungssystem wurde speziell für die Anforderungen von Wasserstoffanwendungen an Dichtheit, Reinheit und Handhabung entwickelt.

Der Traktionsbaukasten ist dabei ein Schlüsselelement für das modulare Mireo Plus-Konzept.
Dipl.-Ing. (FH) Nikolaos Papaiordanidis, Teilprojektleiter für Hybridantriebstechnologien der Mireo Plus Plattform bei Siemens Mobility GmbH

Apropos Tank: Gibt es da Vorbehalte hinsichtlich der Sicherheit?

Peter Eckert: Dem Wasserstofftank haben wir ganz besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Wir verwenden unterschiedlich große Druckflaschen vom bereits erwähnten Typ IV. Die drucktragende Außenschicht der Tanks bilden mehrere Lagen Kohlefaser, die als Laminat einen wasserstoffdichten, nichtmetallischen Liner umgeben. Die Endkappen (genannt BOSS) sind aus Edelstahl gefertigt. Das Ergebnis sind Typ-IV-Tanks, die wir in unterschiedlichen Größen zu Racks aufbauen lassen, die mit ihren Abmessungen die Dachkontur möglichst gut ausnutzen. Die Verrohrung, die Gasregelstrecke und die elektrische Schnittstelle bilden stirnseitig den Abschluss eines Tankmoduls.

Dank der hohen Energiedichte und hohen Füllgeschwindigkeiten sind die Wasserstoffbetankungszeiten vergleichbar mit denen eines konventionellen Dieseltriebzugs mit vergleichbarer Reichweite. Für besonders kurze Betankungszeiten kann der Wasserstoff in der Tankstelle vorgekühlt werden, um unzulässige Erwärmung zu vermeiden. Der Tankvorgang wir durch die Tankstelle und das Fahrzeug überwacht. Die Tanks sind vor UV-Strahlen und mechanischer Beschädigung durch eine geschlossene Abdeckung geschützt.

 

Die Energieeffizienz wird ja auch durch die Leistungselektronik an Bord beeinflusst. Welche Innovationen bringt der Prototyp des Mireo Plus H auf die Strecke?

Nikolaos Papaiordanidis: Bordnetz und Traktionskomponenten des Mireo Plus H werden über den Unterflur-Traktionscontainer versorgt: Mehr als 1 MW Leistung auf so engem Einbauraum zu führen, ist an sich schon eine Herausforderung, dabei auch noch Energie zu sparen eine besondere. Möglich wurde das durch den Einsatz innovativer Siliziumcarbid-Halbleiter, die einerseits den limitierten Bauraum ausnutzen und anderseits durch die geringen Verluste das Traktionssystem effizienter gestalten was den Gesamtwirkungsgrad der Fahrzeuge optimiert.

 

Und wie sieht jetzt die praktische Erprobung aus? Fährt der Mireo Plus H gleich los?

Peter Eckert: Nein, wir haben zunächst einmal mit Systemtests begonnen. Dabei prüften wir mit unseren Partnern wie der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen das Zusammenwirken zusammengehöriger Komponenten in Betriebssimulationen. Die installierte Leistung des Prüfstands entsprach etwa 900 Kilowatt. So konnten wir realistische Fahrdynamikparameter ermitteln und für die Ableitung unterschiedlicher Betriebsstrategien des Brennstoffzellensystems im Sinne einer ganzheitlichen Betriebsführung des Zugs nutzen. Alle Systeme wurden in Aachen über mehrere Wochen einzeln und im Verbund systematisch bis an die Leistungsgrenzen betrieben und analysiert. Dabei wurde auch das Sicherheitssystem durch Mehrfachmessung der Parameter der Brennstoffzelle getestet und optimiert.

 

Nikolaos Papaiordanidis: Mit diesen Erkenntnissen wurde auch das Zusammenspiel mit der Hochvolttraktionsbatterie verbessert. So wird die Brennstoffzelle in ihrer Leistung gemäß den Fahrphasen des Fahrzeugs und dessen Batteriezustand geregelt. Das wiederum ermöglicht einen optimalen Fahrzeugwirkungsgrad über alle Fahrphasen.

Und der Prototyp profitiert schon davon?

Peter Eckert: Ja, und das zeigt er schon bald in der praktischen Erprobung im Rahmen des neuen Verbundfördervorhabens H2goesRail von Siemens Mobility, der Deutschen Bahn AG, DB Regio und DB Energie. Dazu wird Siemens Mobility den neuen Traktionsbaukasten in den ersten Mireo Plus H Prototypen integrieren. Ziel des Vorhabens sind Entwicklung, Bau, Validierung und Zulassung eines Wasserstoff-EMUs mit anschließendem einjährigem Fahrgasteinsatz. Außerdem soll die notwendige Wasserstoff-Infrastruktur als schnellbetankungsfähiges H2-Bahngesamtsystem entwickelt, erprobt und optimiert werden.