Schulung vom 2. Juli 2026

Wasserstoff statt Diesel – Alternative Antriebe bei Zügen

Stadler Rail stellt für Nahverkehrsstrecken, die nicht elektrifiziert sind und bisher mit herkömmlichen Dieselloks bedient wurden, Züge mit Brennstoffzellen (Wasserstoff) her.

Im Vortrag von Dr. Stefan Bernsdorf von Stadler wurden die Chancen und Herausforderungen alternativer Antriebssysteme für Schienenfahrzeuge vorgestellt. Obwohl die Eisenbahn bereits heute das umweltfreundlichste Massenverkehrsmittel ist, sind viele Bahnstrecken insbesondere Nebenstrecken noch nicht elektrifiziert und werden weiterhin mit Dieselzügen betrieben. Für die Dekarbonisierung gelten Strecken mit Oberleitung als effizienteste Lösung, während Batterie- und Wasserstoffzüge vor allem dort eingesetzt werden, wo eine vollständige Elektrifizierung wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Batteriezüge überzeugen durch ihre hohe Energieeffizienz und Eignung für kurze bis mittlere Distanzen, während Wasserstoffzüge dank ihrer höheren Energiedichte deutlich grössere Reichweiten ermöglichen. Somit stellen Batterie- und Wasserstoffzüge ein Nischenprodukt mit Potential dar.

Vortrag

Dr. Stefan Bernsdorf, Product Category Manager für alternative Antriebe bei Stadler, hat uns die Möglichkeiten und Herausforderungen alternativer Antriebssysteme für Schienenfahrzeuge vorgestellt. Dabei betonte er zunächst, dass die Eisenbahn bereits heute das umweltfreundlichste Massenverkehrsmittel darstellt. Dies ist auf den geringen Rollwiderstand, den reduzierten Luftwiderstand durch gekoppelte Wagen sowie die seit über 100 Jahren etablierte Elektrifizierung zurückzuführen. Dennoch sind europaweit lediglich rund 46 Prozent der Bahnstrecken elektrifiziert (in den USA hingegen weniger als 1%). Besonders Nebenstrecken werden vielerorts noch immer mit Dieselzügen betrieben.
Die Dekarbonisierung des Schienenverkehrs erfolgt deshalb über verschiedene Ansätze. Die Elektrifizierung bleibt die effizienteste und nachhaltigste Lösung. Sie eignet sich besonders für stark frequentierte Hauptstrecken, S-Bahn-Netze, Regionalverkehr mit hoher Auslastung sowie für Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen wie Hochgeschwindigkeits- oder Güterzüge. Züge mit Oberleitung gelten als einfach, zuverlässig, kostengünstig und umweltfreundlich.

Auf Strecken, bei denen eine vollständige Elektrifizierung wirtschaftlich nicht sinnvoll ist, gewinnen Batteriezüge und Wasserstoffzüge an Bedeutung. Batteriefahrzeuge nutzen moderne Lithium-Ionen-Batterien. Entscheidend sind dabei nicht primär eine hohe Energiedichte, sondern vielmehr eine lange Lebensdauer, hohe Ladefähigkeit und Betriebssicherheit. Die Auslegung der Batteriesysteme erfolgt unter Berücksichtigung von Lebensdauer, Betriebsprofil, Umgebungsbedingungen und Sicherheitsanforderungen. Da Batterien während des Betriebs erhebliche Wärme entwickeln, sind ausgeklügelte Kühlsysteme erforderlich, um Sicherheit, Effizienz und Lebensdauer sicherzustellen.

Batteriezüge können sowohl während der Fahrt unter einer Oberleitung als auch an stationären Ladestationen geladen werden. Das Nachladen erfolgt vorzugsweise auf elektrifizierten Streckenabschnitten, wodurch die Reichweite deutlich erhöht werden kann. Typischerweise ermöglichen Batteriezüge Betriebszeiten von ein bis zwei Stunden beziehungsweise Reichweiten von rund 100 Kilometern. Für kurze und mittellange Strecken gelten sie deshalb als besonders geeignet. Ein herausragendes Beispiel ist der Stadler FLIRT AKKU, der mit einer Reichweite von 224 Kilometern ohne Nachladung einen Weltrekord für Batteriezüge aufstellte.

Eine Alternative stellt die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie dar. Dabei reagiert Wasserstoff in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff zu Wasser. Gleichzeitig entstehen elektrische Energie und Wärme. Die Brennstoffzelle arbeitet besonders effizient bei konstanter, niedriger Leistungsabgabe und wird deshalb in der Regel mit Batterien kombiniert. Diese übernehmen Leistungsspitzen beim Beschleunigen und Speichern die beim Bremsen zurückgewonnene Energie. Die Brennstoffzelle dient somit hauptsächlich als kontinuierlicher Energielieferant.

Ein entscheidender Vorteil von Wasserstoff liegt in der höheren Energiedichte gegenüber Batterien. Dadurch lassen sich deutlich grössere Reichweiten erzielen. Gleichzeitig sind jedoch grosse und schwere Tanks erforderlich, deren Gewicht ungefähr dem Zwölffachen des gespeicherten Wasserstoffs entspricht. Hinzu kommen hohe Investitionskosten sowie die begrenzte Lebensdauer der Brennstoffzellen. Zudem ist für den Betrieb ein Wasserstoff mit sehr hoher Reinheit von mindestens 99,995 Prozent erforderlich, da Verunreinigungen die empfindliche Membran der Brennstoffzelle schädigen können.

Auch die Herkunft des Wasserstoffs spielt eine zentrale Rolle. Als «grün» gilt ausschliesslich Wasserstoff, der mittels Elektrolyse aus erneuerbar erzeugtem Strom hergestellt wird.

Beim Vergleich der Gesamtsysteme zeigt sich, dass Batteriezüge hinsichtlich Energieeffizienz und CO₂-Bilanz meist besser abschneiden als Wasserstoffzüge. Dennoch besitzen Wasserstoffzüge dort Vorteile, wo lange nicht elektrifizierte Strecken ohne häufige Ladepausen bewältigt werden müssen. Ein Beispiel hierfür ist der FLIRT H₂ von Stadler, der in den USA als erster Wasserstoffzug des Landes eingesetzt wurde und mit einer Distanz von 2’803 Kilometern ohne Nachbetankung einen Reichweitenrekord aufstellte.

Stadler bietet heute sowohl Batterie- als auch Wasserstofffahrzeuge an. Beim FLIRT AKKU werden die Batterien entweder im Unterflurbereich, auf dem Dach oder in einem sogenannten PowerPack untergebracht. Die Fahrzeuge können während der Fahrt unter Oberleitung geladen werden und erreichen selbst unter anspruchsvollen Bedingungen Reichweiten von bis zu 100 Kilometern im Batteriebetrieb.

In den Wasserstoffzügen gibt es im Fahrgastbereich so viel Platz wie in normalen Zügen auch (links), zwischen den Wagen (wo die Tanks platziert sind) ist der Durchgang jedoch wesentlich schmaler (rechts). Quelle: Stadler Rail AG

Bei den Wasserstofffahrzeugen wie dem FLIRT H₂ sind sämtliche Wasserstoffkomponenten in einem separaten, belüfteten PowerPack integriert. Dadurch befinden sich weder die Wasserstofftanks noch Hochdruckleitungen im Fahrgastbereich, was die Sicherheit zusätzlich erhöht. Die Fahrzeuge ermöglichen einen ganztägigen Betrieb ohne Nachbetankung und nutzen Pufferbatterien zur Abdeckung von Leistungsspitzen und zur Energierückgewinnung beim Bremsen.

Die bisherigen Betriebserfahrungen fallen positiv aus. In Schleswig-Holstein sind bereits 55 FLIRT-AKKU-Fahrzeuge im Einsatz. Sie legen jährlich über zehn Millionen Zugkilometer zurück, absolvieren mehr als 400 Fahrten pro Tag und ersetzen grosse Mengen an Dieselkraftstoff. Für den Unterhalt solcher Fahrzeuge sind jedoch speziell ausgerüstete Werkstätten, Brandschutzsysteme, kontrollierte Batterielager sowie intelligente Batteriemanagementsysteme erforderlich.

Auch bei Wasserstoffzügen wurden bereits umfangreiche Erfahrungen gesammelt. Die Betankung kann innerhalb von etwa 30 Minuten erfolgen, erfordert jedoch eine zuverlässige und redundant ausgelegte Infrastruktur. Während die Wasserstofftanks vergleichsweise wenig Wartung benötigen, müssen Brennstoffzellen regelmässig überprüft und Luftfilter ausgetauscht werden. Besondere Aufmerksamkeit erfordert ausserdem die Entwässerung, da das einzige Abgas der Brennstoffzelle Wasser ist, das in beträchtlichen Mengen anfällt.

Abschliessend wurde festgehalten, dass alternative Antriebssysteme die Zukunft des nicht oder nur teilweise elektrifizierten Schienenverkehrs prägen werden. Die Elektrifizierung bleibt zwar die effizienteste Lösung, doch Batteriezüge und Wasserstoffzüge bieten für unterschiedliche Einsatzprofile wirtschaftliche und ökologische Alternativen zum klassischen Dieselbetrieb. Ihre erfolgreiche Einführung erfordert jedoch angepasste Infrastruktur, neue Wartungsprozesse sowie spezifische Schulungen für Betrieb und Instandhaltung.

Führung der Produktion

Die Halle, in der die Führung gestartet hat, diente früher als Parkplatz. Mittlerweile werden hier hochspezialisierte Schienenfahrzeuge gefertigt, wobei Stadler insbesondere für seine Einzelanfertigungen («Tailor made») bekannt ist. Im Gegensatz zu Herstellern wie Alstom oder Siemens, die hauptsächlich standardisierte Fahrzeugplattformen anbieten, entwickelt Stadler viele Fahrzeuge exakt nach den Anforderungen der jeweiligen Kundschaft.

Ein aktuelles Projekt ist der Bau eines ersten wasserstoffbetriebenen Schmalspurzuges. Bei solchen Fahrzeugen basiert der Antrieb auf einer Kombination aus Wasserstoff (H₂), Brennstoffzelle (BSZ), Pufferbatterie und elektrischem Antrieb. Dabei erzeugt die Brennstoffzelle kontinuierlich elektrische Energie, weshalb eine Batterie als Puffer notwendig ist, um Lastspitzen auszugleichen. Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle liegt zwar lediglich bei rund 30 Prozent, dafür besitzt Wasserstoff im Vergleich zu Batterien eine deutlich höhere Energiedichte. Dennoch ist davon auszugehen, dass sich langfristig eher batterieelektrische Züge durchsetzen werden. Stadler beschäftigt sich jedoch nicht nur mit reinen Batterie- oder Wasserstoffzügen, sondern auch mit Hybridfahrzeugen, was ein wesentlich breiteres Anwendungsfeld eröffnet.

Der Fahrzeugkasten unterscheidet sich bei Batterie- und Wasserstoffzügen grundsätzlich nicht von demjenigen herkömmlicher Oberleitungs- oder Dieselfahrzeuge. Eine wichtige Rolle spielt dabei der sogenannte Lichtraum, der die maximal nutzbare Platzbegrenzung innerhalb und ausserhalb des Fahrzeugs beschreibt. Trotz zusätzlicher technischer Komponenten muss der Durchgang für die Fahrgäste jederzeit gewährleistet bleiben, auch wenn es teilweise eng werden kann. Brennstoffzellen benötigen dabei weniger Platz als grosse Batteriesysteme.

Im Bereich der Batteriespeicherung setzt Stadler überwiegend auf LFP-Batterien (Lithium-Eisenphosphat). Um die Risiken von Batteriebränden zu minimieren, werden die Batterien in einem speziell geschützten „Sarkophag“ untergebracht. Zudem erfolgt die Anlieferung der Batterien nach dem Just-in-Time-Prinzip: Sie treffen erst am Tag ihres Einbaus im Werk ein. Dadurch wird das Risiko reduziert, dass die Batterien während der Lagerung starken äusseren Einwirkungen ausgesetzt werden, die zu Verformungen oder Beschädigungen führen könnten.

Auch bei Wasserstoff stehen Sicherheitsaspekte im Vordergrund. Wasserstoff wird am Standort nicht gelagert; stattdessen befindet sich auf der Teststrecke bei Hemishofen eine Wasserstofftankstelle. Viele Menschen verbinden Wasserstoffsicherheit sofort mit dem Hindenburg-Unglück, weshalb diesem Thema besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Die Wasserstofftanks stehen unter einem Druck von rund 350 bar – zum Vergleich: Tauchflaschen werden häufig mit etwa 250 bar betrieben. Die verwendeten Tanks sind innen mit einem HDPE-Liner ausgekleidet (dadurch wird der Tank gasdicht) und werden liegend in einem Mehrlagersystem verbaut. Aus den Tanks tritt stets eine minimale Diffusion aus. Zur Erkennung grösserer Leckagen kommen deshalb spezielle Spürgeräte zum Einsatz, die Wasserstoffmoleküle nachweisen können.

Die Brennstoffzellen selbst arbeiten bei Temperaturen von weniger als 100 °C, müssen jedoch aktiv gekühlt werden. Als Nebenprodukt entsteht kein klassisches Abgas, sondern Wasser in Form von Wasserdampf und flüssigem Wasser. Vor jedem Testlauf muss die Brennstoffzelle sorgfältig gespült werden, da ansonsten die empfindliche und kostspielige Membran beschädigt werden könnte. Zudem müssen Brennstoffzellen nach etwa fünf bis sieben Jahren ausgebaut und revidiert werden.

Interessant ist auch die Entwicklung der Wasserstoffspeicher bei Stadler. Der erste eingesetzte Wasserstofftank war stehend angeordnet und konnte trotz seiner imposanten Grösse von etwa zwei Metern Höhe und 50 Zentimetern Durchmesser lediglich rund sechs Kilogramm nutzbaren Wasserstoff speichern. Die heutigen Tanks sind deutlich weiterentwickelt und fassen bis zu 200 Kilogramm. Sie können ungefähr 8’000 Betankungsvorgänge absolvieren, bevor eine Prüfung erforderlich wird, was etwa der Hälfte ihrer vorgesehenen Lebensdauer entspricht.
Wirtschaftlich betrachtet stellen Wasserstoff- und Batteriezüge derzeit eine grosse Herausforderung dar. Sie sind etwa zwei- bis dreimal teurer als vergleichbare Fahrzeuge mit Oberleitung. Hinzu kommen die Kosten für die notwendige Lade- beziehungsweise Betankungsinfrastruktur. Für den Einsatz in Personenwagen gilt Wasserstoff aufgrund der aufwendigen Tanksysteme deshalb als wenig sinnvoll. Für Anwendungen mit hohen Reichweitenanforderungen, beispielsweise im Güterverkehr mit Lastwagen oder bei Containerschiffen, wird die Technologie hingegen als vielversprechende Option betrachtet.
Zur weiteren Verbesserung der Energieeffizienz setzt Stadler auf das Rail Data Management System. Dieses System optimiert den Betrieb eines Zuges, indem es den Lokführerinnen und Lokführern Empfehlungen für eine möglichst energieeffiziente Fahrweise anzeigt und dadurch den Energieverbrauch reduziert.

Auch die Unternehmensgeschichte von Stadler verdeutlicht die beeindruckende Entwicklung des Unternehmens. Als Peter Spuhler die Firma übernahm, beschäftigte diese lediglich 18 Mitarbeitende. Heute arbeiten weltweit rund 18’000 Personen für Stadler. Einen wichtigen Meilenstein stellte in den 1980er-Jahren der GTW-MThB-Prototyp (Gelenktriebwagen Mittelthurgaubahn) dar. Dieses Fahrzeug bildete die Grundlage für den späteren Turbo-Zug, der insbesondere in der Bodenseeregion eingesetzt wurde und als wichtiger Grundstein für den späteren Unternehmenserfolg gilt. Während Alstom als erstes Unternehmen einen Wasserstoffzug entwickelte, setzt Stadler heute auf massgeschneiderte Lösungen und entwickelt die Technologien für Batterie-, Hybrid- und Wasserstoffantriebe kontinuierlich weiter.