Bereits heute können Akku-Züge zur Stromaufnahme zum Fahren und Laden des Akkumulators per Stromabnehmer über die Oberleitung die vorhandenen ca. 20.000 km Schienenwege zum Fahren und Laden nutzen. Die Versorgung von Schienenfahrzeugen mit elektrischer Traktion erfolgt über das Bahnstromnetz der DB Energie.​

Ist die Entfernung zwischen der Aus- und Wiedereinfahrt zwischen zwei Oberleitungsabschnitten zu groß, kann die Verlängerung einer bestehenden Oberleitungsanlage zur Verkürzung der nichtversorgten Strecke untersucht werden. ​

Elektrische Triebzüge mit Akkumulator sind grundsätzlich in der Lage außerhalb des elektrifizierten Streckennetzes auch ohne Oberleitung zu fahren, da in diesen Streckenabschnitten die Stromversorgung aus dem Akkumulator erfolgen kann. Ist ein nicht elektrifizierter Streckenabschnitt zu lang, als dass er ohne Nachladung aus betrieblicher Sicht sicher passiert werden kann, so muss der Akkumulator des Zugs nachgeladen werden. Hierzu können Oberleitungsinselanlagen aufgebaut werden und z.B. einzelne Abschnitte in Bahnhöfen oder auf einzelnen Streckenabschnitten zwischen Bahnhöfen mit Oberleitung ausgerüstet werden. Die Oberleitungsinselanlage unterliegt den gleichen technischen und betrieblichen Anforderungen wie die Oberleitungen im übrigen Streckennetz. Die Energiebereitstellung erfolgt mit genormten und nach TSI (Technische Spezifikation Interoperabilität) zugelassenen Bahnstromsystemen: 15 kV/16,7 Hz oder 25 kV/50 Hz.​

"Der Unterschied zu den großen Bahnstromumrichterwerken, die wir außerhalb der Ortschaften bauen, besteht in der kleineren Leistung, und dass die Anlagen sehr nah am Bahnhof, also im Ortskern benötigt werden. Die Überwachung und Steuerung erfolgt genauso wie im Oberleitungsnetz von der regionalen Zentralschaltstelle (Zes) der DB Energie." (Kai Wittig, Ingenieurdienstleistungen und Zuständig für alternative Antriebe)

Die Bahnstromversorgung der Oberleitungsinselanlagen erfolgt von einem Ladeunterwerk (siehe Grafik). Dabei wird Drehstrom dem vorgelagerten öffentlichen Verteilnetz in einphasigen Bahnstrom mit 15 kV oder 25 kV umgewandelt. Der Unterschied zu den vorhandenen Werken besteht in der grundsätzlich kleineren Leistung. Die Überwachung und Steuerung erfolgt genau so wie im Oberleitungsnetz von der regionalen Zentralschaltstelle (Zes) der DB Energie.​

Die Akkus des Zuges können auch über stationäre Ladeeinrichtungen aufgeladen werden. Im Gegensatz zu den Oberleitungsinselanlagen, über die der Zug während der Fahrt Strom aufnehmen kann, handelt es sich bei den stationären Ladeeinrichtungen wie einem Elektranten oder der elektrischen Zugvorheizanlage um Anlagen, die die Aufladung der Batterien des Zugs im Stand bzw. in der Abstellung sicherstellen.

"Für die Nachladung von elektrischen Triebzügen mit Akkumulator wird bei der Abstellung an nicht-elektrifizierten Betriebsstellen eine leistungsfähige Fremdeinspeisung für das Bordnetz benötigt. Eine Versorgung mit einem dreiphasigen 400 V-System aus Elektranten kann auch leicht für verschiedene Fahrzeugkonzepte genutzt werden, zum Beispiel Elektrotriebzüge mit Brennstoffzelle oder Hybrid-Rangierlokomotiven." (Kai Wittig, Ingenieurdienstleistungen und Zuständig für alternative Antriebe)

Künftig werden in Schleswig-Holstein Akkutriebzüge die Dieseltriebzüge im Nahverkehr auf mehreren Strecken im Akku-Netz ersetzen. Dafür sorgen DB Energie und DB Netz für die Infrastruktur zur Energieversorgung sowie zum Nachladen der Züge und schaffen damit die Voraussetzung für den Einsatz der Akku-Züge. In Schleswig-Holstein werden durch DB Energie und DB Netz zum ersten Mal Strecken im Nahverkehr auf eine neue Art elektrifiziert: Oberleitungsinseln sollen in Schleswig-Holstein ab Dezember 2023 in Betrieb gehen. Statt der durchgängigen Elektrifizierung jedes Gleiskilometers ist mit der neuen Technologie lediglich die Elektrifizierung kurzer Streckenabschnitte nötig. Die Antriebsenergie wird aus Ladeunterwerken von DB Energie eingespeist. Durch das nur einige hundert Meter bis wenige Kilometer kurze Stück Oberleitung können umweltschonende Akku-Züge im Regionalverkehr eingesetzt werden, wo bislang Diesel-Triebwagen fahren. Bahnstrom treibt die Akku-Züge an und lädt zugleich ihre Batterien für das Vorankommen im nicht elektrifizierten Abschnitt.
Die Oberleitungsinseln und Ladeunterwerke werden im Auftrag des Landes und der Nahverkehrsgesellschaft von DB Energie und DB Netz in Heide, Husum und Tönning an der Westküste Schleswig-Holsteins errichtet. In Flensburg, Kiel, Bad Oldesloe und Büchen sollen darüber hinaus bestehende Oberleitungen ausgebaut werden. Die geringen Teil- und Ergänzungselektrifizierungen ermöglichen die Umstellung von Diesel auf elektrischen Betrieb auf ca. 480 km Streckennetz.

Folgende Arbeiten sind im Detail vorgesehen:
Errichtung von Oberleitungsinselanlagen mit einem Ladeunterwerk der DB Energie:

• Elektrifizierung der Gleise 1, 3 und 5 im Bahnhof Husum
• Elektrifizierung der Gleise 1 und 2 im Bahnhof Tönning
• Elektrifizierung der Gleise 4 und 5 im Bahnhof Heide (Holst)

Zeitplan:
Das Bauvorhaben befindet sich derzeit in der Planungsphase. Ein Planrecht für die Errichtung der Oberleitungsinselanalgen ist nicht notwendig, da für das Projekt das Planungsbeschleunigungsgesetz greift. Dieses Gesetz ist vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur mit dem Ziel entworfen und vom Bundestag verabschiedet worden, Planungs- und Genehmigungsverfahren beim Aus- und Neubau von Verkehrsinfrastruktur zu beschleunigen. Die Oberleitungsinseln sollen in Schleswig-Holstein ab Dezember 2023 in Betrieb gehen.

Die grundsätzliche Aufgabe einer Wasserstoff-Schienentankstelle ist die Aufnahme bzw. Erzeugung, Zwischenspeicherung, Verdichtung, Kühlung und geeichte Abgabe des Wasserstoffs an den Verbraucher.

Eine Wasserstofftankstelle ist im Vergleich zur klassischen Dieseltankstelle in ihrem Aufbau komplex: Sie besteht aus mehreren Komponenten und verfügt typischerweise über diese Module:

• Dispenser: Bezeichnet die Zapfvorrichtung (Tankkupplung) zum Anschluss an den jeweiligen Fahrzeugtank.
• Elektrolyseur: Elektrolyse ist der Begriff für einen chemischen Prozess, bei dem Wasser mit Hilfe elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Die wichtigste Anwendung der Elektrolyse ist die Gewinnung von Wasserstoff.  Mit Hilfe sogenannter Elektrolyseure kann Wasserstoff vor Ort hergestellt werden.
• Verdichter: Getankt wird Druckwasserstoff bei Zügen in 350 Bar (bei PKW in 700 Bar). Aufgrund der Anwendung einer kaskadierten Betankung im Überströmprinzip muss der Wasserstoff in mehreren Stufen auf einen Druck von bis zu 500 Bar verdichtet werden. Diese Aufgabe übernehmen Verdichter („Kompressoren“). Diese Prozessschritte sind notwendig, um den Vorteil der hohen gravimetrischen Energiedichte von 33,3 kWh pro kg - das ist fast die dreifache Dichte des Diesel-Kraftstoffs- nutzen zu können.
• Speicher: Der verdichtete Wasserstoff wird an der Tankstelle in Druckgasbehältern gespeichert und auf der entsprechenden Druckstufe vorgehalten. Die Druckgasbehälter sind in sogenannten Gasflaschenbündel zusammengefasst, die die benötigte Menge vorhalten
• Kühlung (bei Schnellbetankung): Die performante Auslegung der Betankungsinfrastruktur erfordert eine Kühlung des Wasserstoffs auf bis zu -40°C. Die Kühl-Anlage wird i.d.R. in standardisierter ISO-Container Bauweise in Betankungsgleisnähe errichtet.
• Trailerplätze: Der Wasserstofftrailer dient dem Transport von gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff. Er ist eine Alternative zur Wasserstoff-Pipeline oder der Elektrolyse vor Ort. Für den angelieferten Wasserstoff sind Trailer(wechsel-)plätze im Bereich der Tankstelle notwendig. Ein Trailer kann auch als mobiler Speicher verwendet werden, der den Wasserstoff bei Bedarf an die Speicher/ Verdichter abgibt und mit Abgabe der kompletten Füllmenge ausgetauscht werden kann
• Kommunikationsschnittstelle mit Fahrzeug: Ändern sich Druck und Temperatur des Wasserstoffs, muss sich die Tankgeschwindigkeit anpassen und die Anlage darauf reagieren. Sie muss also entweder die Geschwindigkeit senken oder die Kühlung erhöhen. Um diesen thermodynamischen Prozess für die Tankstelle beherrschbar zu machen, ist zwingend die zuverlässige Interaktion zwischen Tankstelle und Fahrzeug sicherzustellen. 

" Wasserstoff-Schienentankstellen werden immer individuell geplant. Der Wasserstoffbedarf an der Abgabestelle, eine Vorort-Erzeugung oder Belieferung, die Anforderungen an die Erzeugung des Wasserstoffs und örtliche Gegebenheiten sind bspw. wichtige Parameter. Besonderes Augenmerk gilt den kostenintensiveren Komponenten Speicher und Verdichter. Nur so ist eine bedarfsorientierte Wasserstoffabgabe in der Größenordnung von wenigen Kilogramm bis zu mehreren Tonnen pro Tag an Triebzüge und Loks möglich. Welches Versorgungskonzept am gewünschten Standort die beste Alternative ist, ermittelt die DB Energie im Rahmen von Machbarkeitsstudien." (Christian Pieper, Referent Alternative Antriebstechnologien und Projektleiter H2goesRail bei DB Energie).

Um den Beweis anzutreten, dass heutige Dieselverkehre durch praxiserprobte Wasserstoff-Bahngesamtsysteme ersetzt werden können, haben die Projektpartner Deutsche Bahn AG, DB Regio AG, DB Energie GmbH und Siemens Mobility GmbH das vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur geförderte Verbundprojekt H2GoesRail ins Leben gerufen.

„Unsere Aufgabe ist es, die beste Betankungsinfrastruktur für das neue Schienenfahrzeug zu entwickeln. Diese neue Tankstelle muss mehr als nur Wasserstoff vertanken können. Durch das Speichern, Verdichten und Vor-Ort Erzeugens von Wasserstoff, kommt unserer Aufgabe eine Schlüsselrolle im Verbundprojekt zu. Durch den mobilen Ansatz gelingt es uns zusätzlich den steigenden Nachfragen an Betankungstechnik gerecht zu werden. Mit diesem modular-mobilen Ansatz können wir die Anlage an beliebigen Orten mit vertretbarem Aufwand auf- und abbauen."

(Christian Pieper, Referent Alternative Antriebstechnologien und Projektleiter H2goesRail bei DB Energie.)

Hauptziel des Projekts ist die Erprobung eines neuen Gesamtsystems aus neu entwickeltem Zug und einer neu konzipierten Tankstelle. Die DB Energie leistet mit der Entwicklung, Erprobung und Optimierung der notwendigen Wasserstoff-Infrastruktur als schnellbetankungsfähiges H2-Bahngesamtsystem einen entscheidenden Beitrag. Der wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Triebzug fährt im einjährigen Testbetrieb auf der Strecke Tübingen – Horb – Pforzheim. Der Probebetrieb soll ab 2024 starten. 

Die durch die Schnellbetankung reduzierte Betankungszeit auf 15 Minuten ist ein Schlüsselaspekt angesichts der eng getakteten Zugfolgen im Regionalverkehr der DB, damit die Wasserstofftechnologie im Betriebsalltag konkurrenzfähig zum bisher verwendeten Dieselkraftstoff bleibt. Allerdings erlaubt nur eine Kühlung des Wasserstoffs eine Schnellbetankung von Brennstoffzellenzügen, weshalb der Überwachung von Temperatur und Druck während des Betankungsvorgangs besondere Bedeutung zukommt. Hierzu werden von DB Energie neue Kommunikationsschnittstellen geschaffen, die dann auch als Standard für größere Flotten weiterentwickelt und eingesetzt werden können und eine wichtige Grundlagenarbeit für den Bahnbetrieb der Zukunft markieren.

Entdecken Sie das mobile Tanksystem in 3D!

Eine weitere Säule auf dem Weg zu einem klimaneutralem Schienenverkehrs ist der Einsatz von Biokraftstoffen. Je nach Biokraftstoff und deren Rohstoffzusammensetzung sind bereits heute CO2e-Einsparungen von rund 85 bis 90 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Diesel möglich. DB Energie sorgt für die notwendige Infrastruktur und stellt die zuverlässige Beschaffung und Bereitstellung dieser Kraftstoffe sicher. Dabei bietet DB Energie schon heute nicht-fossile Biokraftstoffe an, die aufgrund der besonderen Herstellungsverfahren emissionsarm, kältestabil und äußerst lagerfähig sind und ohne Umstellung der Logistik, Tanks, Fahrzeuge oder Motoren umgehend eingesetzt werden können.

"Dass ein kurzfristiger Umstieg von fossilem Diesel auf alternative Kraftstoffe möglich ist und ein Weiterbetrieb der Dieselflotten ohne aufwendige Umrüstungen umgesetzt werden kann, spricht für den Einsatz von Biokraftstoffen. Sie wirken also unmittelbar im Bestand, denn auch die bestehende Tankinfrastruktur kann vergleichsweise einfach und kostengünstig migriert werden.“ (Manfred Oberbauer, Experte Beschaffung Mineralölprodukte (u.a. Biokraftstoffe/ synthetische Kraftstoffe)

Versorgung mit 100% HVO-Kraftstoff ​

HVO ist die Abkürzung für hydrierte Pflanzenöle (Hydrotreated Vegetable Oils). Diese werden durch eine katalytische Reaktion mit Wasserstoff (Hydrierung) in Kohlenwasserstoffe umgewandelt und dadurch in ihren Eigenschaften an fossile Kraftstoffe (insbesondere Dieselkraftstoff) angepasst, damit sie diese als Beimischung ergänzen oder auch vollständig ersetzen können. Der Kraftstoff erfüllt die Norm EN 15940 für paraffinische Dieselkraftstoffe aus Synthese oder Hydrierungsverfahren. Vor einem Einsatz von HVO-Kraftstoff ist die Verträglichkeit durch Motorenhersteller bzw. Motorenprüfstandversuche sicherzustellen. In bisherigen Erprobungen mit Ihren Partnern konnte die DB Energie die Eignung als Diesel-Substitut auch mit Blick auf das Motorverhalten bestätigen.​ Bei regenerativer Herstellung kann HVO als nahezu klimaneutrale Alternative zu Diesel gesehen werden. Die bilanzielle Einsparung der CO2e-Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen Diesel beträgt je nach Rohstoffzusammensetzung rund 85 bis 90 Prozent. Schon heute ist eine Marktverfügbarkeit von HVO-Kraftstoff gegeben.
 

Versorgung mit E-Fuels​

Unter „E-Fuels“ werden synthetische Kraftstoffe verstanden, die unter Zugabe elektrischer Energie aus Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) hergestellt werden. Kommt die elektrische Energie vollständig aus erneuerbaren Quellen und wird das CO2 aus der Atmosphäre oder direkt aus Industrieabgasen oder Biomassen entnommen, sind E-Fuels vollständig klimaneutral.​ Außerdem verfügen sie über eine hohe Energiedichte und zeichnen sich durch die gute Speicher- und Transportfähigkeit sowie einfache Handhabung aus.​ Wenngleich die Herstellung derzeit noch in geringen Mengen etwa in Forschungs- und Pilotprojekten erfolgt, ist die DB Energie bestrebt, trotz der aktuell noch geringen Marktkapazitäten mittel- bis langfristig den Kundenbedarf zu decken.​

Das „advanced TrainLab“ - ein ehemaliger Diesel-ICE - ist mittlerweile rollendendes Labor der DB. Mit umfangreicher Sensorik bestückt, hilft er, verschiedene Systeme zur Objekt- und Hinderniserkennung sowie zur Umfeldwahrnehmung zu erproben. Mit diesen neuen Technologien soll der Bahnbetrieb noch zuverlässiger und sicherer werden.

Durch den Dieselantrieb ist der Zug nicht auf eine Oberleitung angewiesen und kann fast überall fahren. Diese Antriebstechnologie ist deshalb ein besonderer Vorteil, weil er nicht nur auf unelektrifizierten Strecken Tests durchführen, sondern auch moderne Kraftstoffe aus regenerativen Quellen testen kann. Bereits in der Vergangenheit war der Laborzug mit R33-Diesel unterwegs, der zu 33 Prozent aus regenerativen Quellen hergestellt wird. Nun geht die DB noch einen Schritt weiter: Seit Juni 2020 fährt das TrainLab mit einem „ nachhaltigen Biokraftstoff“, der eine CO2-Reduktion um bis 90% ermöglicht. Zwei von insgesamt vier Treibstofftanks des Zuges nutzen vollständig regenerativen HVO Diesel. Jeder Tank speist jeweils einen Dieselmotor des Fahrzeugs. Aufbauend auf erfolgreichen Prüfstandtests ist damit ein vergleichender Langzeittest des Motorverhaltens und der Motorverträglichkeit im realen Fahrbetrieb möglich. Bislang bestätigen sich die Werte bei der Motorleistung, Daten zur Kühlmitteltemperatur und weiteren Parametern des Motors.

Das „advanced TrainLab“ - ein ehemals im Fernverkehr eingesetzter Diesel-ICE - ist mittlerweile rollendendes Labor der DB. Mit umfangreicher Sensorik bestückt, hilft er, verschiedene Systeme zur Objekt- und Hinderniserkennung sowie zur Umfeldwahrnehmung zu erproben. Mit diesen neuen Technologien soll der Bahnbetrieb noch zuverlässiger und sicherer werden.

Für die regelmäßige Betankung des advanced TrainLab hat DB Energie eigens einen mobilen Tankcontainer mit einem Fassungsvermögen von 20.000 Litern in Halle-Ammendorf aufgestellt und sorgt für die Beschaffung und Lieferung des HVO-Kraftstoffs. Die ständige Überwachung des Tankcontainers erfolgt durch seine fernwirktechnische Anbindung an die Servicestelle Tank der DB Energie in Erfurt. So ist immer klar, welcher Zustand in der Anlage herrscht und bei Bedarf kann aus der Ferne darauf reagiert werden. War die Nutzung des Tankcontainers in Halle-Ammendorf zunächst nur für eine einjährige Testphase vorgesehen, ist der Weiterbetrieb und die Versorgung zwecks weiterer Erprobungen inzwischen bis mindestens Mitte 2022 vereinbart.

" Der Biokraftstoff HVO 100 wird zu 100 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und erfüllt die strikten Nachhaltigkeitskriterien, die in der EU-Biokraftstoffgesetzgebung festgelegt sind. Eine Kältebeständigkeit bis -22° C oder kälter, Resistenz gegen den Befall mit Mikroorganismen (Dieselpest) und eine kaum feststellbare Alterung im Vergleich zu fossilem Diesel sind Vorteile dieses Kraftstoffes.“ (Manfred Oberbauer, Fachmann Beschaffung Mineralölprodukte (u.a. Biokraftstoffe/ synthetische Kraftstoffe)