Transeuropäische H2-Verfügbarkeit für den Schienengüterverkehr

Abstract

Ausgehend vom Ziel der Klimaneutralität bis zur Mitte dieses Jahrhunderts steht der Schienengüterverkehr vor der Herausforderung, die Verkehrsleistung auf nicht elektrifizierten Streckenabschnitten von aktuell dieselbetriebenen Lokomotiven auf klimaneutrale Antriebstechnologien umzustellen. Wasserstoff stellt hierfür einen vielversprechenden, klimaneutralen Energiespeicher zur Bereitstellung von Traktionsenergie dar. Eine Analyse der Transportketten und des aktuellen Schienennetzes verdeutlicht, dass der Einsatz von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen im europäischen Schienengüterverkehr vor allem auf der sogenannten ersten und letzten Meile eine Rolle spielen wird. Hintergrund ist, dass eine vollständige Elektrifizierung des Nebennetzes aus wirtschaftlichen, aber auch aus technischen Gründen nicht absehbar ist. Für den Langstreckenverkehr im Hauptlauf kann dagegen perspektivisch von einer vollständigen Elektrifizierung ausgegangen werden. So sind die europäischen Schienengüterverkehrskorridore, über die der größte Teil des internationalen Güterverkehrs abgewickelt wird, bereits heute fast vollständig elektrifiziert. Eine weitgehende Elektrifizierung des Trans-European Transport Network (TEN-T-Netz) wird bis 2050 angestrebt, ebenso der Ausbau einer flächendeckenden Versorgungsinfrastruktur für Fahrzeuge mit alternativen Antriebskonzepten. Ein wesentlicher Schlüsselfaktor für einen energieeffizienten Betrieb ist die Hybridisierung des Antriebsstranges. Die Analyse der aktuellen Markttrends zeigt, dass Eisenbahnverkehrsunternehmen zunehmend auf Triebfahrzeuge mit Speichermöglichkeit der Bremsenergie oder Zweikraftantriebe für die Überbrückung von Elektrifizierungslücken im Fahrtverlauf setzen. Daher bietet sich die Brennstoffzellentechnologie für wasserstoffbetriebene Schienenfahrzeuge besonders an. Die Marktanalyse bestätigt weiterhin, dass der Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen realistisch ist. Die Entwicklung und Praxiserprobung von Pilotlösungen für den Schienengüterverkehr haben bereits begonnen. Die Lösungen zur Speicherung des Wasserstoffs auf dem Fahrzeug und zur Brennstoffversorgung der Fahrzeuge können dabei vom Straßen- bzw. Schienenpersonenverkehr weitgehend übernommen werden. Das TEN-T-Netz besteht aus elf Rail Freight Corridors (RFC), die übergeordnete Transportachsen darstellen und zur Verbesserung der EU-Binnenwirtschaft ausgebaut werden, inklusive der bereits erwähnten vollständigen Elektrifizierung. Der potenzielle Wasserstoffbedarf resultiert daher vorrangig aus Zubringerverkehren (sogenannten Feedern) an den Netzknoten des Ten-T-Netzes. Der hier zugrundeliegende Traktionsenergiebedarf variiert dabei abhängig davon, ob zu substituierende Dieseltraktion unter Fahrdraht erfolgt oder Hybridloks auf teilelektrifizierten Streckenabschnitten im Wasserstoffbetrieb zur Effizienzsteigerung beitragen. Als Entwicklungsgrundlage für die Szenarienentwicklung und -beurteilung ist ein Überblick über die Technologien einer europäischen Wasserstoffinfrastruktur notwendig. Der Überblick beinhaltet technische Hintergründe zur Wasserstofferzeugung, zur Wasserstoffspeicherung und zum Wasserstofftransport. Darüber hinaus werden regionale Wasserstoffbereitstellungskosten für das Jahr 2050 eingeführt, die anhand von prognostizierten spezifischen Kosten validiert wurden. Regionale Wasserstoffbedarfe bilden die Basis der Entwicklung der Gütertransportleistung der europäischen Länder und der streckenspezifischen Traktionsenergiebedarfe, die in zwei Szenarien herausgearbeitet sind. Das Effizienz- und das Referenzszenario basieren dabei auf unterschiedlichen Annahmen zum zukünftigen Elektrifizierungsgrad der Feederstrecken sowie der wasserstoffbasierten Antriebstechnologie. Auf Basis der Entwicklung der Gütertransportleistung werden Wasserstoffbedarfe auf Statistische Verwaltungsgrenzen der EU (NUTS)1-Ebene ausgewiesen. Kartographische Darstellungen sowie die separate Betrachtung von Bedarfen und Wasserstoffbereitstellungen bilden die Grundlage für Handlungsempfehlungen und Schlussfolgerungen. Als Kernerkenntnis ist festzuhalten, dass der Schienengüterverkehr lediglich einen geringen Anteil des zukünftigen europäischen Wasserstoffbedarfs benötigt, um das Ziel der Klimaneutralität im Schienengüterverkehr bis zum Jahr 2050 zu erfüllen. Daher sollte der Ausbau der Wasserstoffanwendungen im Schienengüterverkehr sich an der bis dahin entstehenden systemexternen Wasserstoffinfrastruktur orientieren. Für einen frühzeitigen Beginn der Integration von Wasserstoff in den Schienengüterverkehr kann in Regionen mit geringen Wasserstoffbereitstellungskosten mit der Umsetzung begonnen werden, da dort zu erwarten ist, dass die Wasserstoffinfrastruktur frühzeitig zur Verfügung steht. Dies gilt vor allem für Länder wie Spanien und die Niederlande oder Regionen wie Nordrhein-Westfalen. In einem späteren bedarfsorientierten Vorgehen kann mit der Integration von Wasserstoff in den NUTS1-Regionen mit den zehn größten Wasserstoffbedarfen des Schienengüterverkehrs bereits rund die Hälfte des gesamteuropäischen Wasserstoffbedarfs des Schienengüterverkehrs aus dem Jahr 2050 gedeckt werden. Datei-Upload durch TIB

Based on the goal of climate neutrality by the middle of this century, rail freight transport faces the challenge of converting transport performance on non-electrified line sections from currently dieselpowered locomotives to climate-neutral drive technologies. Hydrogen represents a promising, climate-neutral energy storage for the provision of traction energy. An analysis of the transport chains and the current rail network shows that the use of hydrogenpowered vehicles in European rail freight transport will play a role primarily on the first and last mile. This is due to the fact that complete electrification of the secondary network is not likely for economic as well as technical reasons. For long-distance traffic on the main route, on the other hand, full electrification can be assumed in the long term. The European rail freight corridors, which are used for the majority of international freight traffic, are already almost completely electrified. The comprehensive electrification of the Trans-European Transport Network (TEN-T network) is planned for 2050, as well as the expansion of supply infrastructure for vehicles with alternative drive technologies. A key factor for energy-efficient operation is the hybridization of the powertrain. Analysis of current market trends shows that rail transport companies are increasingly opting for traction units with the ability to recuperate braking energy or dual-power drives in order to bridge gaps in electrification on the track. Fuel cell technology is therefore particularly suitable for hydrogen-powered rail vehicles. The market analysis further confirms that the use of fuel cell vehicles is realistic. The development and practical testing of pilots for rail freight transport have already begun. Solutions for storing hydrogen on the vehicle and for supplying fuel to the vehicles can largely be adopted from road or rail passenger transport. The TEN-T network consists of eleven Rail Freight Corridors (RFC), which represent superordinate transport axes and are being expanded to improve the EU's internal economy, including the complete electrification mentioned above. The potential hydrogen demand therefore results primarily from feeder traffic at the nodes of the TEN-T network. The underlying traction energy demand varies depending on whether the diesel traction to be substituted is under contact wire or whether hybrid locomotives on partially electrified line sections contribute to increasing efficiency in hydrogen operation. An overview of the European hydrogen infrastructureand hydrogen technology is fundamental for a scenario development and assessment. The overview includes technical information on hydrogen production, hydrogen storage and hydrogen transport. In addition, regional hydrogen supply costs for the year 2050 are introduced and validated based on projected specific costs. Regional hydrogen demand forms the basis of the development of freight transport performance of European countries and the route-specific traction energy requirements, which are elaborated in two scenarios. The efficiency scenario and the reference scenario are based on different assumptions regarding the future degree of electrification of feeder lines and hydrogen-based drive technology. Based on the development of freight transport performance, hydrogen demands are shown at NUTS1 level. Cartographic representations as well as the separate consideration of demand and hydrogen supply form the basis for recommendations and conclusions. The key finding is that rail freight transport will only have a small share in future European hydrogen demand to meet the goal of climate neutrality in rail freight transport by 2050. Therefore, the expansion of hydrogen applications in rail freight transport should conform to the rail external hydrogen infrastructure that will be developed by then. For an early start of the integration of hydrogen in rail freight transport, implementation can be started in regions with low hydrogen supply costs, since there it can be expected that the hydrogen infrastructure will be available at an early stage. This is especially true for countries like Spain and the Netherlands or regions like North Rhine-Westphalia. In a later demand-oriented approach, half of the European hydrogen demand in rail freight transport in 2050 can be covered by integrating hydrogen in the NUTS1 regions with the ten largest hydrogen demands in rail freight transport.