Abstract
(Deutsch)
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Heute werden auf Baustellen im Bahnumfeld meist dieselbetriebene Baudienstfahrzeuge und Dieselaggregate eingesetzt. Im Rahmen der Ambition «Netto Null 2040» der SBB ist der aktuelle Bedarf an fossilen Treibstoffen durch nachhaltige Energieträger wie Wasserstoff zu ersetzen. Die vorliegende Stu-die bietet eine umfassende Einordnung der Möglichkeiten für dessen Einsatz.
Die Umrüstung eines modernen Baudienstfahrzeugs auf einen elektrifizierten Antrieb wurde eingehend geprüft. Drei mögliche Antriebsvarianten wurden ausgearbeitet, wobei sich die batterieelektrische Ausführung mit einem Stromabnehmer, aufgrund der sich dadurch ergebenden flexiblen Lademöglichkeit, als favorisierte Variante gezeigt hat. Die wasserstoffbasierten Antriebe mit Brennstoffzelle oder Wasserstoffverbrennungsmotor sind technisch mit gewissen Einschränkungen realisierbar, sind jedoch komplexer in der Umsetzung und Zulassung und zudem abhängig von einer aktuell nicht vorhandenen Betankungsinfrastruktur. Ein Umbau von Bestandsfahrzeugen ist daher nicht geplant. Aufgrund der umfangreichen Umbau- und Zulassungsschritte werden die mit der Studie gewonnenen Erkenntnisse nur für Neuausschreibungen verwendet, wobei der Fokus in der Beschaffung auf Batteriefahrzeugen liegt. Wasserstoffantriebe können allenfalls für grosse Gleisbaumaschinen in Frage kommen, die nicht von der SBB betrieben werden.
Um Wasserstoff für ein breites Anwendungsfeld nutzbar zu machen, wäre eine Transformation der aktuellen Treibstofftankanlagen der SBB nötig. Es wurden Szenarien für eine mögliche Wasserstoff-Tankstellenverteilung erarbeitet und die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen abgeschätzt. Aufgrund der technisch aufwändigen Betankungsinfrastruktur ergeben sich im Vergleich zur direkten Verwendung von Bahnstrom oder fossilem Diesel deutlich erhöhte Kosten für Energie und Infrastruktur. Diese Mehrkosten können aktuell aus regulatorischen Gründen nicht durch Synergien mit Stakeholdern aus dem öffentlichen Verkehr oder der Industrie gesenkt werden. Der Aufbau einer SBB-eigenen Wasserstoff-Tankstelleninfrastruktur wird daher aktuell nicht angestrebt.
Auch die zukünftige Energieversorgung von Baustellen muss klimafreundlich erfolgen. Die Autarkieanforderung der jeweiligen Baustellenanwendung definiert, ob eine batteriegestützte oder wasserstoffbasierte Versorgung zu favorisieren ist. Die heute existierenden Batteriesysteme können bereits eine grosse Bandbreite an Bedarfsfällen abdecken. Der Einsatz einer wasserstoffbasierten Versorgung bietet hauptsächlich bei langen Bauphasen mit eingeschränktem Stromnetzzugang Vorteile hinsichtlich der speicherbaren Energiemenge. Aufgrund des begrenzten Tankstellennetzes ist eine effiziente lokale Versorgung einer Baustelle kaum gegeben. Der Einsatz von entsprechenden Stromerzeugern in Tunneln ist zudem aus Arbeitssicherheitsgründen aktuell ausgeschlossen.
Die SBB konnte nach umfangreicher Prüfung aktuell keine zielführenden Anwendungen für einen gross-flächigen Einsatz von Wasserstoff identifizieren, die den Aufbau eines eigenen Wasserstoffökosystems rechtfertigen. Die Entwicklung der Wasserstofftechnologie wird weiterverfolgt. Wichtige Grundlagen für den generellen Einsatz von Wasserstoff im Bahnbereich wurden geschaffen, um zukünftige Anwendungen bei sich ändernden Rahmenbedingungen – wie eine vorhandene Tankinfrastruktur, Sicherheitsvorgaben für den Einsatz von Wasserstoff im Tunnel, Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff – zu ermöglichen.
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Abstract
(Englisch)
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At present, diesel-powered track maintenance vehicles and diesel generator sets are used on most railwayrelated construction sites. As part of its "Net Zero 2040" ambition, SBB intends to fully replace fossil fuels with sustainable energy carriers such as hydrogen. The present study provides a compre-hensive review of the options for hydrogen power.
The feasibility of electrification of a modern track maintenance vehicle has been the subject of a detailed study. Three potential drive configurations were developed; the battery-electric version with a pantograph was the preferred option due to its flexible charging capability. Hydrogen drive systems based on fuel cells or combustion engines are technically feasible, albeit with certain limitations. However, imple-mentation and approval are more complex for such propulsion systems compared to battery-electric and conventional powertrains. They are also dependent on a fuelling infrastructure that does not currently exist. There are up to now no plans to convert existing vehicles for this reason. Given the extensive work involved in converting vehicles and obtaining certification, the findings of the study will only be used for new tenders, which will focus specifically on the procurement of battery-electric vehicles. Hydrogen-based propulsion might be an option for heavy railway construction machinery not operated by SBB.
SBB's existing fuelling facilities would have to be transformed to make hydrogen widely usable. Hydrogen fuelling facility distribution scenarios were developed and the cost efficiency of such facilities was estimated. Given the technical complexity of the fuelling infrastructure, the energy and infrastructure costs are significantly higher than the costs of making direct use of the catenary line or fossil diesel. At present, regulatory grounds prevent SBB from leveraging synergies with stakeholders in the public transport sector or the industry to set-off these additional costs. SBB does not, therefore, currently intend to set up its own hydrogen fuelling infrastructure.
The power supply to construction sites will also have to be climate-friendly in the future. The self-sufficiency requirements of the construction site application in question determine whether preference should be given to a battery-assisted or hydrogen-based supply. Battery systems that exist today are already capable of meeting a broad spectrum of needs. Due to its energy storage capability, a hydrogen-powered supply system is more advantageous primarily during long construction phases where access to the local energy grid or the catenary line is limited. Given the restricted network of fuelling facilities, an efficient local supply of railway construction sites is largely unfeasible. Furthermore, occupational safety considerations currently rule out the use of hydrogen-powered generators in tunnels.
After extensive investigation, SBB could not identify any useful applications that would be suitable for large-scale hydrogen deployment and justify the creation of its own hydrogen ecosystem. SBB will continue to follow developments in hydrogen technology. Significant progress has been made in laying the groundwork for the general use of hydrogen in the railway sector to enable future applications under changing conditions. These include the availability of an existing refuelling infrastructure, safety require-ments for the use of hydrogen in tunnels and the availability of green hydrogen.
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Abstract
(Französisch)
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Aujourd’hui, les véhicules utilisés sur les chantiers dans l’environnement ferroviaire sont généralement des modèles diesel du service des travaux et des groupes électrogènes diesel. Pour atteindre leur ob-jectif d‘émission nette nulle d’ici à 2040, les CFF doivent remplacer les carburants fossiles par des sources d’énergie durables comme l’hydrogène. La présente étude propose un aperçu complet des possibilités qu’offre l’hydrogène.
La conversion d’un véhicule moderne du service des travaux en un véhicule électrique a fait l’objet d’un examen approfondi. Trois variantes d’entraînement possibles ont été élaborées. La version ayant ob-tenu les meilleurs résultats combine une batterie électrique et un pantographe, et présente, de ce fait, une flexibilité de recharge. L‘entraînement à l‘hydrogène fonctionnant avec une pile à combustible ou un moteur à combustion interne à hydrogène est techniquement réalisable avec certaines restrictions, mais sa mise en oeuvre et son homologation est plus complexe. En outre, il dépend d’une infrastructure d’approvisionnement dont les CFF ne disposent pas actuellement. La transformation de véhicules existants n’est donc pas à l’ordre du jour. En raison des étapes complexes de transformation et d’homolo-gation, les enseignements tirés de l’étude seront uniquement appliqués aux nouveaux appels d’offres, la priorité étant donnée à l’acquisition de véhicules fonctionnant avec une batterie. L’entraînement à l’hydrogène est éventuellement envisageable pour des machines de chantier de grande taille. Les CFF n’exploitent toutefois pas ce type de machines.
Pour que l’hydrogène puisse être utilisé à grande échelle, il faudrait transformer les dépôts de combus-tibles ou de carburants des CFF. Des scénarios de répartition des stations à hydrogène ont été élaborés et la rentabilité de telles installations a fait l’objet d’une évaluation. L’infrastructure d’approvisionnement étant techniquement complexe, les coûts liés à l’énergie et à l’infrastructure sont nettement plus élevés que ceux induits par le recours direct au courant de traction ou au diesel fossile. Actuellement, la régle-mentation ne permet pas de réduire ces dépenses supplémentaires en créant des synergies avec des groupes d’intérêt des transports publics ou du secteur industriel. La mise en place d’une infrastructure d’approvisionnement en hydrogène propre aux CFF n’est donc pas souhaitable pour le moment.
À l’avenir, l’approvisionnement énergétique des chantiers devra aussi s’effectuer dans le respect de l’environnement. L’exigence d’autonomie de chaque application de chantier définit s’il faut privilégier un approvisionnement par batteries ou à base d’hydrogène. Les systèmes de batteries existants couvrent d’ores et déjà une grande partie des besoins. Du fait des quantités d’énergie que les systèmes à hydro-gène permettent de stocker, le recours à un approvisionnement à base d’hydrogène est particulièrement indiqué lorsque les phases de construction sont longues et que l’accès au réseau électrique est restreint. Le réseau de stations à hydrogène étant limité, il est pour ainsi dire impossible d’assurer un approvi-sionnement local efficace des chantiers. En outre, pour des raisons liées à la sécurité au travail, l’utili-sation de générateurs de courant dans les tunnels est actuellement exclue.
Après un examen approfondi, les CFF n’ont pas pu identifier d’applications axées sur les objectifs pour une utilisation à grande échelle de l’hydrogène qui justifieraient la mise en place de leur propre écosys-tème hydrogène. Nous allons toutefois continuer à suivre le développement de la technologie à l’hydro-gène. D’importantes bases ont été créées pour l’utilisation généralisée de l’hydrogène dans le milieu ferroviaire. Elles permettront de mettre en place des applications futures suivant l’évolution des condi-tions-cadres générales (existence d’une infrastructure d’approvisionnement, prescriptions de sécurité relatives à l’utilisation de l’hydrogène dans les tunnels, disponibilité d’hydrogène vert).
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