Simulation der Wasserstoffbetankung eines Regionalzuges zur Identifikation von Optimierungsmaßnahmen

Kurzfassung

Kurzfassung

Die Dekarbonisierung des Schienenverkehrs erfordert effiziente Wasserstoffbetankungskonzepte für Brennstoffzellenzüge. Standardisierte Protokolle (SAE J2601-5) wenden konservative Sicherheitsmargen an, die das fahrzeugspezifische Optimierungspotenzial möglicherweise nicht ausschöpfen. Diese Masterarbeit untersucht Optimierungsstrategien für die Wasserstoffbetankung von Regionalzügen am Beispiel des Siemens Mireo Plus H auf der Heidekrautbahn. Ziel ist die Minimierung der Betankungszeit und des Vorkühlenergiebedarfs bei gleichzeitigem Erreichen maximaler Füllstände unter Einhaltung der Grenzwerte nach SAE J2601. Die Untersuchung erfolgt über validierte 1D-Lumped-Parameter-Simulationen in Dymola/Modelica. Analysiert werden der Einfluss von Durchflussfaktor, Vorkühltemperatur und Druckrampe. Außerdem werden Systemkonfigurationen zu Trailer- und Parallelbetankung sowie Betankungsprotokolle mit und ohne Kommunikation evaluiert. Die Ergebnisse zeigen ein Steigerungspotenzial gegenüber konservativen Standardprotokollen. Eine optimierte Druckrampe reduziert die Betankungszeit um 32 %. Die kaskadierte Trailerbetankung ermöglicht eine vollständige Befüllung ohne Vorkühlung. Bei stationären Anlagen sinkt der Vorkühlenergiebedarf durch gezielte Parameteranpassung um bis zu 93 %. Die Arbeit liefert damit Handlungsempfehlungen für effiziente Betriebskonzepte im Schienenverkehr.

Abstract

The decarbonization of rail transport necessitates efficient hydrogen refueling concepts for fuel cell electric trains. Standardized protocols employ conservative safety margins that may not fully exploit vehicle-specific optimization potentials. This master’s thesis investigates optimization strategies for the hydrogen refueling of regional trains, utilizing the Siemens Mireo Plus H on the Heidekrautbahn as a case study. The objective is to minimize refueling duration and precooling energy requirements while achieving maximum state of charge and adhering to the thermal and pressure limits defined by SAE J2601. The methodology is based on validated 1D lumped-parameter simulations developed in Dymola/Modelica. The study analyzes the influence of the flow coefficient, precooling temperature and average pressure ramp rate. Furthermore, system configurations for trailer-based and parallel refueling as well as communication-based and non-communication refueling protocols are evaluated. The results demonstrate performance enhancements compared to conservative standard protocols. An optimized pressure ramp reduces the refueling time by 32%. Cascaded trailer refueling enables complete filling without active precooling. For stationary refueling stations, targeted parameter adjustments can reduce the precooling energy demand by up to 93%. Consequently, this thesis provides technical recommendations for the implementation of efficient operational concepts in hydrogen-based rail transport.