Forschungsprojekt Entwicklung eines Brennstoffzellenhybridantriebes

In Deutschland ist der Verkehrssektor in einem erheblichen Maße (> 20 %) für die Erzeugung klimawirksamer Gase verantwortlich, da aus Mobilitätsgründen in Fahrzeugen überwiegend flüssige, fossile Brennstoffe verbrannt werden, welche sich insbesondere durch eine hohe Energiedichte aber auch durch die Emission von Kohlendioxid bei der Verbrennung auszeichnen. Bei diesen mit fossilen Brennstoffen betriebenen Fahrzeugen kann zudem beim Verzögerungsvorgang die kinetische Energie des rollenden Fahrzeugs nicht zurückgewonnen werden.

Gemeinsam mit der RWTH Aachen und Industriepartnern entwickelter Brennstoffzellen-Hybridbus (Bild: Regionalverkehr Köln GmbH)

Ein "klassischer" Hybridantrieb verringert zwar den Kraftstoffverbrauch, er bedarf aber weiterhin fossiler Brennstoffe. Als kohlendioxidfreier Energieträger bietet sich im Raum Köln der Wasserstoff an, da in der Industrie dieser Region bislang ungenutzter Prozesswasserstoff in größerem Maße anfällt. Um den Wasserstoff im ÖPNV sinnvoll zu nutzen, hat das Land Nordrhein-Westfalen gemeinsam mit den Niederlanden die Entwicklung eines Brennstoffzellenhybridantriebs für Nahverkehrsbusse gefördert. Bei einem Projektvolumen von rund 3,1 Mio. Euro auf nordrhein-westfälischer Seite hat das Land NRW ca. 1,4 Mio. Euro aus dem NRW-EU Ziel 2-Programm (Ziel2.NRW) bereitgestellt. Das nieder­ländische Projektvolumen ist ver­gleichbar groß gewesen.

Aus Nordrhein-Westfalen haben sich an dem Projekt die Firma Vossloh Kiepe GmbH aus Düsseldorf, die das Energiemanagement und den Antriebsstrang entwickelt, sowie die Firma Hoppecke Batterien GmbH & Co. KG aus Brilon, die für den Energiespeicher auf Basis von Nickel-Metall-Hydrid-Batterien zuständig ist, beteiligt. Prof. Dr. Andreas Lohner vom Institut für Automatisierungstechnik der FH Köln und Prof. Dr. Dirk-Uwe Sauer vom Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen haben im Rahmen des Gemeinschaftsprojektes die Konzeptionierung der Energiespeicherung und des Energiemanagementsystems, die Antriebsstrangauslegung, sowie die Inbetriebnahme und die Systemoptimierung mit Hilfe von Simulationen verantwortet. Die Busplattform stammt vom niederländischen Hersteller APTS aus Helmond, die Brennstoffzelle von der Firma Ballard.

Ministerin Thoben bei der Überreichung der Förderbescheide an die nordrhein-westfälischen Partner des grenzüberschreitenden Gemeinschaftsvorhabens (Bild: Vossloh Kiepe GmbH)

Das erklärte Ziel des Projektes ist gewesen, durch das zu entwickelnde Energiemanagementsystem eine energetisch hocheffiziente Antriebstopologie für ein Nahverkehrsfahrzeug zu entwerfen. Zudem ist die Lebensdauer der wesentlichen Komponenten des Systems zu maximieren, so dass Wartung und Betriebskosten des Fahrzeugs minimal werden können. Die teuerste und zugleich verschleißintensivste Komponente des Antriebssystems ist die Brennstoffzelle, deren Lebensdauer mit zunehmender Leistungsdynamik sinkt. Daher muss das zu entwickelnde Energiemanagementsystem trotz der im urbanen Nahverkehr hohen Lastwechseldichte für eine möglichst konstante Leistungsabgabe der Brennstoffzelle sorgen, um deren Effizienz und Lebensdauer zu maximieren.

Mithilfe von auf Matlab/Simulink basierten Antriebssimulationen ist entschieden worden, welche Energiespeichertechnologie (NiMH-, Li-Ion-, Doppelschichtkondensatortechnologie oder Kombination mehrerer) in einem solchen Fahrzeug energetisch am sinnvollsten ist. Auf realen oder realitätsnahen Fahrzyklen beruhend hat das Antriebsmodell dann weiterhin bei der Auslegung der antriebsrelevanten Komponenten, wie z. B. der Dimensionierung der Batteriekapazität geholfen. Im weiteren Verlauf des Projektes sind dann Energiemanagementalgorithmen entwickelt worden, um den Primärenergieeinsatz je gefahrenen Kilometer zu minimieren und gleichzeitig die Brennstoffzelle sowie den Energiespeicher möglich schonend zu betreiben, so dass diese Komponenten eine möglichst hohe Lebensdauer erfahren.

Montage des Brennstoffzellen-Hybridbus bei der Firma APTS in Helmond/Niederlande (Bild: A. Lohner, FH Köln)

Das Projekt hat den zum Fahrzeugaufbau parallelen Aufbau eines Antriebsprüfstands zur Energiemanagementsystementwicklung erfordert. Nach dem erfolgreichen Aufbau der Fahrzeuge sind die entwickelten Modelle und Simulationsergebnisse durch erste Messungen verifiziert und das Fahrzeug bis zur Übergabe an die Betreiber beobachtet worden, um die Funktion des Energiemanagementsystems sicherzustellen. In einer der Entwicklung folgenden Evaluierungsphase beim Betreiber der Fahrzeuge ist noch eine weitere Beobachtung und Optimierung des Gesamtsystems erfolgt.

Insgesamt vier Busse demonstrieren nach zwei Jahren Entwicklungszeit die neue Antriebstechnik im Linienverkehr im Raum Köln und in Amsterdam. Am Freitag, den 6. Mai 2011 fand im Hürther UCI-Kino die offizielle Präsentation der ersten beiden Brennstoffzellen-Hybridbusse der Region durch den nordrheinwestfälischen Wirtschafts- und Verkehrsminister Harry K. Voigtsberger und die Regionalverkehr Köln GmbH (RVK) statt.

Die Projektmitarbeiter Benjamin Berger und Prof. Andreas Lohner bei der offiziellen Präsentation der Busse in Hürth (Bild: M. Nixdorf, TH Köln)

Seit September 2011 werden die beiden Brennstoffzellenhybrid-Busse im Rhein-Erft-Kreis und der Region Köln in einer fünfjährigen Testphase auf diversen Linien im alltäglichen Fahrgasteinsatz eingesetzt. Zwei weitere, baugleiche Busse sind ebenfalls seit Herbst 2011 in Amsterdam auf Linie. In dieser Zeit soll die Technik der Busse erprobt und für eine zweite Generation der Busse weiterentwickelt werden.

Dank dem in der Region Köln/Hürth in ausreichender Menge zur Verfügung stehenden Prozesswasserstoff wird durch den damit CO2-freien Betrieb dieser Busse ein kleiner Beitrag zum Schutz des Klimas erbracht. Damit sind im ÖPNV der Region Köln die Weichen nicht nur auf der Schiene sondern auch auf der Straße in Richtung einer emissionsfreien Elektromobilität gestellt.