Energietechnik

Begrenzt verfügbare fossile Kraftstoffe und die Notwendigkeit, den Ausstoß von Klimagasen aus dem Verkehrsbereich langfristig zu senken, fordern neue Lösungen bei den Antrieben der Fahrzeuge. Wasserstoff als wahrscheinlichster und sauberster Zukunftskraftstoff kann in Verbrennungsmotoren wie in Brennstoffzellen eingesetzt werden. In städtischen Einsätzen hat der Brennstoffzellenantrieb spezifische Vorteile im Verbrauch und empfiehlt sich für Stadtbusse.

In der Vergangenheit war die Reduzierung der limitierten Emissionen PM, NOX, HC und CO eine wesentliche Motivation für die Erprobung und Einführung alternativer Kraftstoffe und Antriebe. Mit Inkrafttreten verschärfter Grenzwerte für Nutzfahrzeuge werden in den nächsten Jahren weitere, deutliche Emissionsminderungen in Europa erwartet.

Damit wird sich der Handlungsschwerpunkt bei den Emissionen zunehmend auf die Reduzierung von CO2 verlagern. CO2 trägt zur Erderwärmung bei und ist langfristig aus Klimaschutzgründen deutlich zu reduzieren. Der kohlenstofffreie Energieträger Wasserstoff bietet hierzu günstige Voraussetzungen.

Niederflurbus mit PEM-Brennstoffzellenantrieb

Das erste Brennstoffzellenfahrzeug von MAN wurde im Rahmen der Wasserstoffinitiative Bayern entwickelt und bereits im Mai 2000 präsentiert. Das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie unterstützt die Einführung neuer Antriebstechnologien im Verkehrsbereich.

Die PEM-Brennstoffzellenanlage besteht aus vier elektrisch in Reihe geschalteten Modulen mit insgesamt 640 Einzelzellen und der Versorgungsperipherie. Die Brennstoffzellenanlage liefert Gleichstrom mit etwa 450-600 Volt Spannung, der in der Leistungselektronik zu Wechselstrom gewandelt wird. Zwei Siemens-Asynchronmotoren, die über ein Summiergetriebe mechanisch miteinander verbunden sind, treiben direkt die serienmäßige Hinterachse an. Das Konzept des elektrischen Zentralantriebs nutzt Komponenten von MAN-Omnibussen. Der Antrieb gewährleistet die für Stadtbusse erforderlichen Fahrleistungen und überzeugt durch einen komfortablen und geräuscharmen Fahrbetrieb.

Neun Leichtbaubehälter mit je 172 Liter Volumen, die auf dem Busdach untergebracht wurden und auf einen Fülldruck von 250 bar ausgelegt sind, speichern den gasförmigen Wasserstoff. Weitere Komponenten zur Kühlung der Brennstoffzelle sowie die Umrichter der Leistungselektronik sind ebenfalls auf dem Fahrzeugdach untergebracht. Eine Vielzahl von Erkenntnissen aus früheren Projekten in Zusammenhang mit Elektroantrieben sowie der Speicherung von alternativen Kraftstoffen erleichterte die Entwicklungsarbeiten am Brennstoffzellenbus.

Die sechsmonatige Erprobung des neuen Antriebssystems unter praxisnahen Bedingungen erfolgte bei den Verkehrsbetrieben in Nürnberg, Erlangen und Fürth im Zeitraum von Oktober 2000 bis April 2001. Die Resonanz bei den Fahrgästen war außerordentlich positiv, wie durch eine Fahrgastbefragung ermittelt wurde. Der Bus legte insgesamt rund 8000 Kilometer im Liniendienst zurück.

Der wesentliche Vorteil von PEM-Brennstoffzellen (PEM=Proton Exchange Membrane) ist der emissionsfreie Betrieb mit hohen Wirkungsgraden. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren ist der Wirkungsgrad unabhängig vom Carnot-Prozess und erreicht in der Einzelzelle Werte über 70 Prozent. Wegen niedriger Betriebstemperaturen von 60-80 Grad Celsius sind PEM-Brennstoffzellen für den mobilen Einsatz besonders geeignet. Die Brennstoffzelle mit hohen spezifischen Wirkungsgraden im Teillastbereich hat im städtischen Einsatz Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren und senkt wirkungsvoll den Energieverbrauch im Fahrbetrieb. Dagegen sind im Fernverkehrseinsatz mit deutlich höheren Volllastanteilen im Betrieb relativ geringfügige Wirkungsgradvorteile durch die Brennstoffzelle zu erwarten.

Brennstoffzellenbus der zweiten Generation

Ein zweiter Niederflurbus mit PEM-Brennstoffzellenantrieb ist derzeit in Vorbereitung. Dieses Fahrzeug wird ebenfalls von einer PEM-Brennstoffzellenanlage versorgt. Als Kraftstoff kommt Flüssigwasserstoff zum Einsatz. Im Vergleich zum Druckspeichersystem mit 250 bar benötigt das Flüssigwasserstoffsystem des Busses bei gleichem Energieinhalt weniger als die Hälfte des Einbauvolumens und des Speichergewichts. Die Entscheidung für Druck- beziehungsweise Flüssigwasserstoff hängt von den technischen Gegebenheiten des Fahrzeuges, wie zum Beispiel dem Einbauvolumen sowie von der Infrastruktur und von den Kundenanforderungen bezüglich der Reichweite ab.

Der einjährige, kundennahe Probebetrieb ist in Berlin und anschließend in Lissabon und Kopenhagen geplant. Im Unterschied zum ersten Brennstoffzellenbus erhält der Antrieb zusätzlich einen elektrischen Energiespeicher. Die Rückspeicherung von Bremsenergie senkt den Verbrauch und erhöht gleichzeitig die Reichweite je Tankfüllung.

Technologisch haben Brennstoffzellenantriebe inzwischen einen hohen Entwicklungsstand erreicht und werden in den nächsten Jahren hinsichtlich Systemgewicht und Einbauvolumen gegenüber konventionellen Antrieben keine wesentlichen Nachteile mehr haben. Die Akzeptanz beim Kunden hängt neben der Frage der Infrastruktur davon ab, wann die Kosten dieser Antriebe die am Markt vorherrschenden Größenordnungen erreichen. Bei Nutzfahrzeugen müssen sich alle Alternativantriebe an serienmäßigen Aggregaten messen lassen. Diesel-Stadtbusantriebe mit Automatikgetrieben liegen heute bei etwa 125¿150 Euro pro Kilowatt, für Erdgasantriebe liegt die Größenordnung bei circa 200-275 Euro pro Kilowatt Antrieb inklusive Kraftstoffspeicher. In der Markteinführungsphase darf die Kostenvorgabe von Erdgasfahrzeugen nicht weit überschritten werden.

Autoren:

Dipl.-Ing. Eberhard Hipp
Leiter Vorentwicklung

Dipl.-Ing. Christian Gruber
Projektleiter Wasserstoff- und Brennstoffzellenfahrzeuge

MAN Nutzfahrzeuge AG
D-80976 München,
Postfach 50 06 20
Tel. 089/1580-01
Fax 089/150 3972

Zum Thema

Schonung der fossilen Energieressourcen und Reduzierung des Schadstoffausstoßes ¿ große Hoffnungen werden mit der Brennstoffzellen-Technologie verbunden. Für alle Anwendungen besteht jedoch nach wie vor erheblicher Entwicklungsbedarf. In vielen Bereichen wird derzeit an der Brennstoffzellen-Technik und der hierfür erforderlichen Infrastruktur für die Wasserstoffversorgung gearbeitet. Einige Projekte ¿ wie das beschriebene von MAN Nutzfahrzeuge ¿ stimmen optimistisch. Bis Antriebskonzepte auf der Basis der Brennstoffzellen-Technologie im großen Maßstab zum Einsatz kommen, wird allerdings noch einige Zeit verstreichen.

ms

Links: http://www.man-nutzfahrzeuge.de