Proton Motor Fuel Cell hat sich auf modulare und standardisierte Wasserstoff-Brennstoffzellen spezialisiert. Der Brennstoffzellen-HyRange-Extender für batterie-elektrisch angetriebene Nutzfahrzeuge und Busse ist eine wirkungsvolle Unterstützung für Anwendungsbereiche, bei denen die vorhandene Batteriekapazität für die Betriebsanforderungen nicht ausreicht.

Reichweitenverstärkung durch Wasserstoff und Brennstoffzellen

Ein Range-Extender-Konzept im Flottenbetrieb

Bei der Erreichung der Klimaziele stehen neben der Energiewirtschaft, Landwirtschaft und Industrie sowohl Individualverkehr als auch Gütertransport vor großen Herausforderungen. Die Modifizierung des Verkehrssektors wird mehr denn je durch politische Forderungen sowie eine neue Denkweise in der Gesellschaft angeheizt.

Im Hinblick auf den Trend der sogenannten „New Energy Vehicles“ inklusive der Bedeutung von regenerativen „grünen“ und meist dezentralen Energiequellen gibt es verschiedene Ansätze, um die Nachfrage bezüglich Mobilität zu befriedigen.

Aufgrund der Möglichkeit seiner flexiblen Herstellung vor allem aus regenerativen Energiequellen wird insbesondere dem Wasserstoff hierbei ein sehr großes Potenzial als zentraler Baustein der Energie- und Ressourcenversorgung der Zukunft beigemessen. In diesem Zusammenhang wird dem Wasserstoff zunehmend eine Schlüsselfunktion zugewiesen.

Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff kann problemlos aus Erdgas sowie anderen fossilen Ressourcen mittels Dampfreformierung gewonnen werden. Man spricht hier von „grauem Wasserstoff“. Jedoch ist auch die Herstellung aus Biomasse (zum Beispiel über Dampfreformation, respektive über biochemische Prozesse) und direkt durch die Elektrolyse von Wasser möglich.

Es gibt auf dem Markt neben anderen Bauarten sowohl PEM-Brennstoffzellen als auch PEM-Elektrolyseure, welche quasi dem Umkehrprinzip entsprechen und Wasserstoff aus Strom erzeugen können. PEM bedeutet „Proton Exchange Membrane“ (Protonen-Austausch-Membran), häufig auch „Polymer Electrolyte Membrane“ genannt. Dieses ist das Herzstück und gleichzeitig der Namensgeber dieser Brennstoffzellen-Klasse. Wenn die dabei notwendige elektrische Energie aus regenerativen Quellen stammt, ist der CO2-Footprint dieses „grünen“ Wasserstoffs deutlich klimaneutraler.

Im Gegensatz zu dem eingesetzten Strom kann der so erzeugte Wasserstoff nahezu beliebig lange gespeichert und relativ einfach transportiert werden.

Diesbezüglich wird momentan eine Reihe von interessanten Konzepten weiterentwickelt. Daneben kann Wasserstoff auch mit CO2 durch schrittweise Hydrierung zu den Produkten Ameisensäure, Formaldehyd, Methanol und schließlich Methan umgesetzt werden. In einem weiteren Schritt lässt sich der Wasserstoff zu synthetischem Erdgas, Benzin, Diesel oder Kerosin und weiteren Grundchemikalien verarbeiten.

Der Brennstoffzellen-HyRange-Extender für batterie-elektrisch angetriebene Nutzfahrzeuge und Busse

Range-Extender/Hybrid-System

So liegt es nahe, Wasserstoff als Energieträger im automotiven Bereich durch Verwendung einer Brennstoffzelle einzusetzen. In diesem Artikel wird der Schwerpunkt auf den Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen in der Hybridisierung von Batteriefahrzeugen in kommerziellen Anwendungen im Flottenbetrieb gesetzt.

Neben dem Einsatz der Brennstoffzelle als Hauptenergieversorgung im Antriebsstrang des Fahrzeugs gibt es verschiedene weitere Hybridkonzepte, bei denen eine Brennstoffzelle mit einer Batterie kombiniert wird. Das sogenannte Range-Extender/Hybrid-Konzept „HyRange“, wie es seit vielen Jahren von der Proton Motor Fuel Cell GmbH in zahlreichen Demonstrationsprojekten eingesetzt wird, findet zunehmend  Beachtung.

Konkret bedeutet dies, dass die für den Antrieb benötigte Energie maßgeblich aus der Batterie kommt. Insbesondere die bei der Beschleunigung auftretenden Lastspitzen werden dadurch dem Elektromotor zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle wiederum sorgt dafür, dass die Batterie konstant mit der elektrischen Energie aus dem umgesetzten Wasserstoff geladen wird. Dadurch kann die Grundlast des Fahrzeugs je nach Auslegung nicht durch die Batterie, sondern durch den Wasserstoff bereitgestellt werden.

Die Batterie-Ladeinfrastruktur einer ganzen Flotte (beispielsweise eines Logistik-unternehmens oder öffentlichen Busbetreibers) steht dabei vor immensen Herausforderungen. Im Gegensatz dazu erfolgt die Betankung bei vorhandener Wasserstofftankstelle innerhalb weniger Minuten und damit nur unwesentlich länger als das Betanken eines vergleichbaren Dieselfahrzeugs.

In den meisten Fällen hat sich die Range-Extender/Hybrid-Anwendung im Sinne eines „on-board Batterieladegeräts“ als zielführend bewährt. Hierbei erfolgt die Auslegung derart, dass aus der Batterie sämtliche Lastspitzen abgefangen werden. Sobald der Ladezustand der Batterie einen Grenzwert unterschreitet, springt das Brennstoffzellen-System ein und „lädt“ quasi die Batterie im laufenden Betrieb auf.

Fallbeispiel Stadtbus

Das Brennstoffzellen-System ist sinnvollerweise so ausgelegt, dass es die Durchschnittsleistung des Fahrzeugs bereitstellt. Diese ist signifikant geringer als von den meisten Menschen angenommen. So weist zum Beispiel ein innerstädtischer Fahrzyklus eines deutschen Verkehrsbetriebs für einen Stadtbus bei voller Passagierauslastung eine Spitzenleistung von 223 kW und eine Durchschnittsleistung von lediglich etwa 24 kW für den Antrieb auf. Dazu kommen noch Hilfsenergie und Klimatisierung. Und selbst bei einem typischen Gelenkbus mit einem Spitzenleistungsbedarf von fast 340 kW liegt der durchschnittliche Leistungsbedarf bei nur rund 35 kW.

Eine exemplarische Auslegung für einen Zwölf-Meter-Bus mit einer projektierten Reichweite von mehr als 200 Kilometern und einem täglichen komplett emissionsfreien Betrieb von 14 Stunden zeigt, dass ein rein batterie-elektrischer Antrieb eine Batterie von etwa 864 Kilowattstunden mit einem Gewicht von etwa 5700 Kilogramm benötigt würde. Selbst bei einer Schnellladung werden mindestens drei Stunden Ladezeit benötigt.

Das gleiche Fahrzeug mit einer 50-Kilowattstunden-Batterie, einem 45 kW-Brennstoffzellen-Range-Extender und 30-Kilogramm-Wasserstofftank kommt hingegen auf ein Gewicht von 1500 Kilogramm für das Energiesystem.

In Form von Wasserstoff kann Energie nahezu beliebig lange gespeichert und relativ einfach transportiert werden. Mit einer Brennstoffzelle von Proton Motor (rechts PM-Brennstoffzellenstack, links: Stackmodul) kann diese dann bei Bedarf jederzeit wieder in elektrische Energie/Strom umgewandelt werden.