DE102020216497A1

DE102020216497A1 - Schienenfahrzeug-Wagen mit einem Tank

Info

Publication number: DE102020216497A1
Application number: DE102020216497.5A
Authority: DE
Inventors: Roger Gansekow; Johannes Hartl; Meike Meller; De-Niang Maria Peymandar; Jonas Ruckes; Helmut Treutler; Markus Wilhelm; Andreas Winzen
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CA3200818A1; US20240043047A1; EP4232338A1; CN220363338U; WO2022135810A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schienenfahrzeug-Wagen (7, 9, 16, 21) mit wenigstens einem Tank (1, 5, 8, 13, 19, 22) zur Speicherung gasförmiger Brennstoffe, wobei der wenigstens eine Tank (1, 5, 13, 19, 22) in einen Wagenkasten-Rohbau des Schienenfahrzeugs integriert ist und die Wandungen des Tanks (1, 5, 13, 19, 22) derart ausgelegt sind, dass sie eine tragende Funktion innerhalb des Wagenkasten-Rohbaus übernehmen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schienenfahrzeug-Wagen mit wenigstens einem Tank zur Speicherung gasförmiger Brennstoffe wie Wasserstoff/Wasserstoffverbindungen als Brennstoff für eine Brennstoffzelle oder Flüssiggas (LPG) oder Erdgas (CNG) .
Insbesondere elektrische Triebzüge erhalten gegenwärtig ihre Energie überwiegend aus einer Oberleitung. Allerdings gibt es sowohl in Deutschland als auch weltweit diverse Gleisstrecken, die nicht elektrifiziert sind und somit von einem rein aus der Oberleitung Energie beziehenden elektrischen Triebzug nicht befahren werden können. Auf solchen Strecken wurden bisher Züge mit einem Dieselantrieb eingesetzt.
Zunehmend gibt es jedoch immer mehr alternative Antriebskonzepte bzw. -lösungen, um elektrische Energie für oberleitungsfreie Strecken den Triebzug zur Verfügung zu stellen. Hauptsächlich sind dies Batteriespeicher und Brennstoffzellen. Brennstoffzellen erzeugen dabei aus Wasserstoff elektrische Energie, die wiederum für den Antrieb und die Hilfsbetriebe des Triebzuges genutzt wird. Weitere mögliche Brennstoffe sind LPG oder CNG.
Insofern umfasst ein mit Wasserstoff betreibbarer Triebzug mindestens einen Schienenfahrzeug-Wagen, der mit einem Wasserstoff-Tank zur Speicherung des Wasserstoffs ausgestattet ist. Diese Wasserstoff-Tanks bestehen typischerweise aus gewickelten Kohlefaserbehältern mit PE-Leinen. Dieses Material hat jedoch eine andere Wärmeausdehnung als der typischer Weise aus Aluminium oder Stahl gefertigte Wagenkasten des Schienenfahrzeugs. Dadurch sind aufwändige Strukturen erforderlich, um einen Wasserstoff-Tank sicher auf dem Schienenfahrzeug-Wagen zu befestigen, jedoch die unterschiedliche Wärmeausdehnung zuzulassen. Dies hat ein hohes Gewicht (Achslast) des Triebzuges zur Folge und führt an einigen Stellen zu doppeltem Materialeinsatz. Neben der Längenänderung der Materialien aufgrund von Wärmeausdehnung kommt es auch aufgrund der Betankung des Wasserstoff-Tanks mit Druckwasserstoff zu einer signifikanten Ausdehnung des Wasserstoff-Tanks in seiner Längsrichtung sowie einer geringen radialen Ausdehnung.
Die Anwendbarkeit der bekannten Wasserstoff-Tanks ist zudem aufgrund des erforderlichen Platzbedarfs anderer Komponenten nicht beliebig erweiterbar. Typischerweise ist der Wasserstoff-Tank sowie andere Komponenten des Triebzuges auf dessen Dach montiert, so dass für eine Dimensionierung des Wasserstoff-Tanks nicht beliebig viel Platz zur Verfügung steht. Dies wiederum beschränkt die Reichweite des Triebzuges auf oberleitungslosen Strecken.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schienenfahrzeug-Wagen der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sowohl unterschiedliche Wärmeausdehnungen von eingesetzten Materialien vermindert werden als auch eine Kapazität des Tanks erhöht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schienenfahrzeug-Wagen nach Anspruch 1, wonach der wenigstens eine Tank in einen Wagenkasten-Rohbau des Schienenfahrzeugs integriert ist und die Wandungen des Tanks derart ausgelegt sind, dass sie eine tragende Funktion innerhalb des Wagenkasten-Rohbaus übernehmen.
Der Tank ist zur Speicherung gasförmiger Brennstoffe ausgelegt, z. B. Wasserstoff, Wasserstoffverbindungen, LPG oder CNG. In Strukturen von Wagenkasten-Rohbauten sind oft geschlossene Hohlkammern vorgesehen, z.B. Aluminium-Strangpressprofile oder Stahl-Kastenstrukturen. Diese können gemäß der Erfindung als Drucktanks für Wasserstoff genutzt werden.
Somit kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Tank aus demselben Material, beispielsweise Stahl oder Aluminium, hergestellt ist, wie der Wagenkasten-Rohbau. Dies vermeidet negative Auswirkungen unterschiedlicher Wärmeausdehnungen. Alternativ ist es aber auch möglich, dass der Tank aus anderen zur Speicherung gasförmiger Brennstoffe geeigneten Materialen gefertigt ist, z. B. GFK oder CFK. Zudem steht mit dem Wagenkasten-Rohbau, der sich typischerweise aus Stirnwänden, Seitenwänden, Dach und Untergestell zusammensetzt, ein sehr großes Volumen zur Speicherung von Wasserstoff zur Verfügung. Dabei wird der Tank in vergleichsweise statisch gering beanspruchten Bereichen des Wagenkasten-Rohbaus anzuordnen sein, insbesondere entfernt von Fahrwerken, in deren Bereich der Wagenkasten-Rohbau typischer Weise verstärkt ist. Dies ist unabhängig davon der Fall, ob der Wagenkasten-Rohbau in Integral- oder Differentialbauweise gefertigt ist. Der Wasserstofftank kann mit Hilfe geeigneter Fügeverfahren an angrenzende Bereiche des Wagenkasten-Rohbaus des Schienenfahrzeug-Wagens angeschlossen sein, z. B. durch Schweißen oder strukturelles Kleben.
Bevorzugt ist ein Längsabschnitt des Wagenkasten-Rohbaus über den gesamten Querschnitt von Wandungen (Seitenwände, Dach, Untergestell) des Wagenkasten-Rohbaus wenigstens überwiegend oder auch vollständig von dem Tank gebildet. Bei dieser Ausführungsform schließt sich an den besagten Längsabschnitt der in herkömmlicher Bauweise gefertigte Wagenkasten-Rohbau an, wobei der Längsabschnitt, der den Tank bildet, über dieselben statischen Eigenschaften verfügt wie ein am selben Ort eingesetzter, herkömmlich hergestellter Längsabschnitt eines Wagenkasten-Rohbaus. Bei dieser Ausführungsform sind verschiedene Wärmeausdehnungen zwischen dem Tankmaterial und dem daran angrenzenden Wagenkasten-Rohbaumaterial vergleichsweise unkritisch.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der den Tank bildende Längsabschnitt eine Stirnwand oder auch eine in Querrichtung des Schienenfahrzeug-Wagens verlaufende Zwischenwand des Wagenkasten-Rohbaus vollständig umfassen. Allein eine Stirnwand des Wagenkasten-Rohbaus stellt bereits ein sehr umfangreiches Volumen zur Speicherung von Wasserstoff zur Verfügung.
In dem Fall, wenn der Schienenfahrzeug-Wagen mit endseitigen Fahrwerken ausgestattet ist, kann der den Tank bildende Längsabschnitt einen außerhalb der Fahrwerkbereiche liegenden Überhang des Wagenkasten-Rohbaus umfassen. Zudem ist es möglich, dass ein solcher Überhang und eine angrenzende Stirnwand gemeinsam vollständig in die Ausbildung des Tanks einbezogen sind. Dieselbe Anordnung von Tanks ist auch bei Schienenfahrzeug-Wagen mit einzelnen, in Längsrichtung desselben mittig angeordneten Fahrwerken vorteilhaft.
Vorteilhafterweise kann der den Tank bildende Längsabschnitt außerhalb der Fahrwerkbereiche und über eine Länge des Wagenkasten-Rohbaus zentral angeordnet sein. Dies ist insbesondere günstig bei Schienenfahrzeug-Wagen, die Teil eines Triebzuges sind, bei dem die Wagen entweder jeweils endseitige Fahrwerke aufweisen oder über z. B. sog. „Jakobs-Drehgestelle“ in der Form eines Gliederzuges miteinander gekoppelt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform kann der Schienenfahrzeug-Wagen als fahrwerkloses Wagenübergangsmodul ausgebildet sein, bei dem Längskräfte zwischen an den Enden des Wagenübergangsmoduls angrenzenden Wagenkästen ohne Einbeziehung des Wagenkasten-Rohbaus des Wagenübergangsmoduls ausschließlich über eine Kupplungsstange des Wagenkastenübergangsmoduls übertragen werden. In diesem Fall kann der Wagenkasten-Rohbau wenigstens überwiegend oder auch vollständig als Tank ausgebildet sein und genutzt werden. Dies beruht darauf, dass der Wagenkasten-Rohbau des Wagenübergangsmoduls in die Längskräfteübertragung innerhalb eines Triebzuges, der dieses Wagenübergangsmodul umfasst, nicht einbezogen ist und somit nur geringe statisch Anforderungen zu erfüllen hat.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Querschnittsansicht eines als Wasserstoff-Tank ausgeführten Längsabschnitts eines Wagenkasten-Rohbaus für ein Schienenfahrzeug in einer ersten Ausführungsform,
2 eine Querschnittsansicht eines als Wasserstoff-Tank ausgeführten Längsabschnitts eines Wagenkasten-Rohbaus für ein Schienenfahrzeug in einer zweiten Ausführungsform,
3 eine perspektivische Ansicht eines als Wasserstoff-Tank genutzten Wagenübergangsmoduls mit angrenzenden Trägerwagen,
4 eine perspektivische Ansicht eines Einzelwagens mit endseitigen Fahrwerken, der mit Wasserstoff-Tanks ausgestattet ist, in einer ersten Ausführungsform,
5 eine perspektivische Ansicht eines Einzelwagens mit endseitigen Fahrwerken, der mit Wasserstoff-Tanks ausgestattet ist, in einer zweiten Ausführungsform und
6 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Gliederzugs, der einen mit einem Wasserstoff-Tank ausgestatteten Schienenfahrzeug-Wagen umfasst.

Die 1 und 2 zeigen zwei Grundvarianten zur Integration eines Wasserstoff-Tanks in den Wagenkasten-Rohbau eines Schienenfahrzeugs. Der Wasserstofftank steht dabei allgemein stellvertretend für Tanks, die zur Speicherung gasförmiger Brennstoffe geeignet sind.
In 1 und 2 ist jeweils ein Querschnitt durch einen Längsabschnitt des Schienenfahrzeugs-Wagens dargestellt, der als Wasserstoff-Tank genutzt wird.
Bei der Variante nach 1 dient der gesamte Querschnitt von Wandungen des Wagenkasten-Rohbaus als Wasserstoff-Tank 1, d.h. der Wasserstoff-Tank 1 erstreckt sich über einen Dachbereich 2, zwei Seitenwände 3 und einen Boden 4 des Schienenfahrzeug-Wagens. Diese sämtlichen genannten Wandbereiche des Schienenfahrzeug-Wagens zusammengenommen, ergeben ein groß dimensioniertes nutzbares Tankvolumen zur Speicherung von Wasserstoff oder Wasserstoff-Verbindungen. Bei der in 1 dargestellten Variante ist es möglich, einen Innenausbau des Schienenfahrzeug-Wagens genauso zu gestalten, wie außerhalb des dargestellten Längsabschnitts, d.h. in Längsabschnitten des Schienenfahrzeug-Wagens, die in konventionellen Fertigungsverfahren, wie Differentialbauweise (Stahl) und Integralbauweise (Aluminium) hergestellt sind.
Im Vergleich dazu zeichnet sich ein Wasserstoff-Tank 5 bei der Variante nach 2 durch ein noch wesentlich größeres Speichervolumen als der Wasserstoff-Tank 1 nach 1 aus. Der betreffende Längsabschnitt des Schienenfahrzeug-Wagens, der als Wasserstoff-Tank 5 ausgeführt ist, liegt als Stirn- oder Zwischenwand des Schienenfahrzeug-Wagens vor, so dass ausschließlich ein Passagierdurchgang 6 verbleibt, der es gestattet, dass Fahrgäste in den jeweils hinter dem Wasserstoff-Tank 5 gelegenen Bereich des Schienenfahrzeug-Wagens gelangen können.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist ein Wagenübergangsmodul 7 vorgesehen, dessen Wagenkasten-Rohbau vollständig als Wasserstoff-Tank dient. Das Wagenübergangsmodul 7 ist zwischen zwei Trägerwagen 8 angeordnet und frei von Fahrwerken. Eine Übertragung von Längskräften zwischen den Trägerwagen 8 vollzieht sich über eine (nicht dargestellte) Kupplungsstange, welche unterhalb des Wagenübergangsmoduls 7 verläuft und die beiden Trägerwagen 8 unmittelbar miteinander verbindet.
4 zeigt einen einzelnen Schienenfahrzeug-Wagen 9, der mit zwei jeweils endseitig gelegenen Fahrwerken 10 ausgestattet ist. Ein zentraler Längsabschnitt 11 des Schienenfahrzeug-Wagens 9 ist in herkömmlicher Bauweise gefertigt, beispielsweise aus Aluminium oder Stahl. Im Bereich des Längsabschnitts 11 sind zudem die Fahrwerke 10 an den Wagenkasten-Rohbau des Schienenfahrzeug-Wagens 9 angebunden.
Jeweilige Überhänge 12, die sich an den mittleren Längsabschnitt 11 anschließen und jeweilige Enden des Schienenfahrzeug-Wagens 9 bilden, sind als Wasserstoff-Tanks 13 ausgeführt. Solche Überhänge 12 können aufgrund eines vorgesehenen Einzugs des Wagenkasten-Rohbaus häufig nicht bestuhlt werden und werden daher für andere Einbauten, wie Gepäckregale, Türen, usw. genutzt. Daher können die Überhänge 12 als großvolumige Wasserstoff-Tanks 13 ausgeführt werden, wobei zugehörige Stirnwände 14 der in 2 erläuterten Variante für einen Wasserstoff-Tank 5 entsprechen, während sich an die Stirnwände 14 nach Innen anschließende Längsabschnitte 15 von ihrer Struktur her dem Wasserstoff-Tank 1 entsprechen.
5 zeigt eine Variante eines Schienenfahrzeug-Wagens 16, der wiederum mit endseitigen Fahrwerken 17 ausgestattet ist. Ein zentraler Längsabschnitt 18 des Schienenfahrzeug-Wagenrohbaus ist als Wasserstoff-Tank 19 ausgebildet. Der Wasserstoff-Tank 19 ist in den Wagenkasten-Rohbau integriert und schließt an endseitige Wagenkasten-Abschnitte 20 an, die in herkömmlicher Bauweise gefertigt sind. Hinsichtlich seiner tragenden/statischen Eigenschaften entspricht der Wasserstoff-Tank 19 denjenigen Eigenschaften, die ein entsprechender Längsabschnitt des Wagenkastens hätte, wenn er in herkömmlicher Bauweise, d.h. in derselben Bauweise wie die Längsabschnitte 20 gefertigt worden wäre.
6 zeigt einen Teil eines Gliederzugs, wobei einer der dargestellten Schienenfahrzeug-Wagen in seinem zentralen Längsabschnitt 21 als Wasserstoff-Tank 22 ausgeführt ist. Die Längserstreckung des zentral gelegenen Wasserstoff-Tanks 22 ist dabei so bemessen, dass ein ausreichender Längsabstand zu vorgesehenen Jakobs-Drehgestellen 23 vorliegt, so dass die statischen Beanspruchungen des Wasserstoff-Tanks 22 nicht zu hoch sind. Zu beiden Enden des Schienenfahrzeug-Wagens 21 schließen sich in herkömmlicher Bauweise gefertigte Längsabschnitte 24 des Schienenfahrzeug-Wagens 21 an. Die tragende Struktur des Wasserstoff-Tanks 22 ist dabei so ausgelegt, dass dieselben Anforderungen erfüllt werden, als wenn der Wasserstoff-Tank 22 in derselben Bauweise wie die Längsabschnitte 24 hergestellt worden wäre.
Sämtlichen dargestellten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass der jeweilige Wasserstoff-Tank 1, 5, 13, 19, 22 mit angrenzenden Rohbauabschnitten des betreffenden Schienenfahrzeug-Wagens gefügt ist, beispielsweise durch Schweißen bei Rohbauten in Differential- oder Integralbauweise. Bei Ausführung des Wasserstoff-Tanks 1, 5, 13, 19, 22 in faserverstärktem Kunststoff (GFK, CFK) kommt zum Fügen mit angrenzenden Wagenkasten-Rohbauabschnitten aus Metall strukturelles Kleben zum Einsatz. Auch ist jeweils eine zeichnerisch nicht dargestellte Zuleitung für ein Brennstoffzelle vorgesehen.

Claims

Schienenfahrzeug-Wagen (7, 9, 16, 21) mit wenigstens einem Tank (1, 5, 8, 13, 19, 22) zur Speicherung gasförmiger Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Tank (1, 5, 13, 19, 22) in einen Wagenkasten-Rohbau des Schienenfahrzeugs integriert ist und die Wandungen des Tanks (1, 5, 13, 19, 22) derart ausgelegt sind, dass sie eine tragende Funktion innerhalb des Wagenkasten-Rohbaus übernehmen.
Schienenfahrzeug-Wagen (7, 9, 16, 21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längsabschnitt (15, 18, 21) des Wagenkasten-Rohbaus über dessen gesamten Querschnitt von Wandungen des Wagenkasten-Rohbaus wenigstens überwiegend von dem Tank (1, 5, 13, 19, 22) gebildet ist.
Schienenfahrzeug-Wagen (7, 9, 16, 21) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsabschnitt (15, 18, 21) des Wagenkasten-Rohbaus eine Stirnwand (14) oder Zwischenwand des Wagenkasten-Rohbaus vollständig umfasst.
Schienenfahrzeug-Wagen (7, 9, 16, 21) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es mit endseitigen Fahrwerken (10, 17) oder mit einem in Längsrichtung des Schienenfahrzeug-Wagens mittig angeordneten Einzelfahrwerk ausgestattet ist und der den Tank (1, 5, 13, 19, 22) bildende Längsabschnitt (15, 18, 21) einen außerhalb der Fahrwerkbereiche liegenden Überhang (12) des Wagenkasten-Rohbaus umfasst.
Schienenfahrzeug-Wagen (7, 9, 16, 21) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es mit endseitigen Fahrwerken (10, 17) ausgestattet oder als Gliederzug-Wagen ausgebildet ist und der den Tank (1, 5, 8, 13, 19, 22) bildende Längsabschnitt (15, 18, 21) außerhalb der Fahrwerkbereiche und über eine Länge des Wagenkasten-Rohbaus zentral angeordnet ist.
Schienenfahrzeug-Wagen (7, 9, 16, 21) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es als fahrwerkloses Wagenübergangsmodul (7) ausgebildet ist, bei dem Längskräfte zwischen an den Enden des Wagenübergangsmoduls (7) angrenzenden Wagenkästen ohne Einbeziehung des Wagenkasten-Rohbaus des Wagenübergangsmoduls (7) ausschließlich über eine Kupplungsstange des Wagenübergangsmoduls (7) übertragen werden, wobei der Wagenkasten-Rohbau wenigstens überwiegend als Tank (1, 5, 13, 19, 22) ausgebildet ist.
Schienenfahrzeug-Wagen (7, 9, 16, 21) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (1, 5, 13, 19, 22) aus demselben Material wie daran angrenzende Wagenkasten-Rohbauabschnitte gefertigt ist.
Schienenfahrzeug-Wagen (7, 9, 16, 21) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (1, 5, 13, 19, 22) aus faserverstärktem Kunststoff und daran angrenzende Wagenkasten-Rohbauabschnitte aus Metall gefertigt sind.