Emissionsredzuzierung bei Batterieelektrischen Nutzfahrzeugen

Adaptiver Brennstoffzellen-Range-Extender

5. November 2018 | Engineering Service

Der Gütertransport zwischen Produzenten, Groß- und Einzelhändlern sowie Kunden ist die Basis für den Verkauf von Waren. Er ist schon immer eines der wichtigsten Elemente für die wirtschaftliche Entwicklung gewesen, führt inzwischen jedoch unter anderem durch seine Emissionen zu globalen Herausforderungen, die Lösungen erfordern. Einen geeigneten Ansatz stellt der Brennstoffzellen-Range-Extender dar, der im Folgenden näher beleuchtet wird.

Abb. 1: Zunahme von Nutzfahrzeugen und Weltbevölkerung von 2005 bis 2014

Im Zeitraum zwischen 2014 und 2050 wird die Weltbevölkerung ein erhebliches Wachstum von voraussichtlich 32 Prozent auf 9,55 Milliarden Menschen aufweisen, wovon über 66 Prozent in städtischen Gebieten leben werden. Transportdienste werden, insbesondere aufgrund des zunehmenden E-Commerce (Abb. 1), sogar noch schneller ansteigen als das Bevölkerungswachstum. Die Zunahme von Nutzfahrzeugen (NFZ) wird nach verschiedenen Märkten unterschieden. Diese Trends stellen große Hürden auf dem Weg zur erforderlichen Reduzierung der globalen Treibhausgasemissionen (TGE) dar, die zur Einhaltung des von der UN vorgegebenen Grenzwerts für die globale Erwärmung von 2 °C obligatorisch sind. Die örtliche Luftverschmutzung durch den Transport in dicht besiedelten, städtischen Gebieten ist ein weiterer treibender Faktor für emissionsfreie Technologien. Aus diesem Grund werden batterieelektrische Antriebsstränge für Nutzfahrzeuge, natürlich vorzugsweise in Kombination mit der regenerativen Produktion elektrischer Energie, stark gefördert. Laut UN „müssen diese elektrisch angetriebenen Fahrzeuge […] bis 2030 35 Prozent der globalen Verkäufe ausmachen.“

Während der Gütertransport durch Battery Electric Vehicles (BEVs) im Segment für leichte Lkws, zum Beispiel bei der Paketzustellung per Post und Kurier, bereits Realität ist, wird dieser Trend – verstärkt durch gesetzliche Verbote in städtischen Gebieten – auch in die Segmente der größeren Fahrzeuge vordringen. Derzeit finden die ersten Feldversuche mit batterieelektrischen mittelschweren und schweren Lkws statt. Dieser Übergang wird natürlich nur möglich sein, wenn die kosteneffiziente Abdeckung der täglich wechselnden Transportaufgaben aufrechterhalten wird. Das macht eine Flexibilität erforderlich, die unter Umständen keine strenge Reichweitenbegrenzung aufgrund der Batteriegröße für diese größeren Fahrzeuge zulässt. Besonders herausfordernd ist die Etablierung eines Schichtbetriebs mit einem batterieelektrischen Antriebsstrang, wie es bereits aus der Flurförder- und Lagertechnik bekannt ist.

Abb. 2: Verteilung Fahrtenlänge der 12-Tonnen-Lkw-Flotte im Gebiet Köln-Aachen über zehn Tage


In Anbetracht des heutigen Markts für batterieelektrische Pkws wird sich die Zahl der angekündigten BEVs weltweit bis 2025 auf nahezu 300 Fahrzeuge in fast allen Segmenten belaufen. Während die meisten der derzeit erhältlichen BEV Fahrtdistanzen von circa 250 km ermöglichen, wird die nächste Generation mit größeren Batterien, die eine Reichweite von über 500 km leisten werden, ausgestattet sein. Diese Reichweite scheint ein guter Kompromiss im Hinblick auf Kundenerwartungen, Batteriekosten, -volumen und -gewicht zu sein. Es werden für Lithium-Ionen-Batterien energiebezogene Kosten von knapp 100 Euro/kWh und gravimetrische Energiedichten von bis zu 300 Wh/kg erwartet. Die Reichweite des Fahrzeugs wird durch die Batteriegröße sowie den Stromverbrauch des Antriebssystems und der elektrischen Nebenaggregate im Bordnetz bestimmt. Je nach Ausstattung des Fahrzeugs mit elektronischen Geräten für die Sicherheits- und Komfortausstattung kann der elektrische Leistungsbedarf in der Spitze mehrere Kilowatt betragen. Im Durchschnitt liegt die Leistung bei circa 500 W. Bei BEVs werden auch Nebenaggregate wie Heiz- oder Klimageräte mit elektrischer Energie betrieben, was die Fahrtdistanz unter tatsächlichen Fahrbedingungen zusätzlich verringert.

Abb. 3: Batteriemasse für eine batterieelektrische Reichweite von 200 und 500 km für verschiedene Anwendungen

Der Energieverbrauch für den Antrieb hängt zudem stark von dem Gewicht des Fahrzeugs ab. Analysen gängiger Fahrzeuge im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) zeigen, dass der Verbrauch elektrischer Energie bei knapp 750 Wh pro 100 kg Gewicht und 100 km Fahrtdistanz liegt. Bei Verwendung dieses vereinfachten Ansatzes benötigt ein 1,5-Tonnen-Fahrzeug 60 kWh nutzbare Energie, was zu einem Nennenergiegehalt der Traktionsbatterie von etwa 65 kWh für eine NEFZ-Reichweite von 500 km führt (Abb. 3). Das Gewicht einer derartigen Batterie würde das Fahrzeug knapp 200 kg schwerer machen. Zum Transport dieses zusätzlichen Gewichts muss die Batteriegröße um weitere 20 Prozent erhöht werden, falls es nicht mittels Gewichtsreduzierung anderer Fahrzeugkomponenten kompensiert werden kann.
Neue batterieelektrische Lkws bieten eine Reichweite zwischen 100 und 200 km. Beispieldaten einer Flotte von Verteiler-Lkws in der Gegend Köln-Aachen zeigen über einen ausgewählten Zeitraum von zehn Tagen, dass circa 50 Prozent aller Tagesfahrten innerhalb einer Reichweite von bis zu 120 km liegen. Es ist anzumerken, dass der rein elektrisch angetriebene Lkw der Flotte nur für kürzere Fahrten verwendet wurde.
Um traditionell angetriebene Fahrzeuge der Verteiler-Lkw-Flotten zu ersetzen, sind elektrische Reichweiten von über 200 km erforderlich. Als Beispiel wird ein Nutzfahrzeug mit einem zulässigen Gesamtgewicht ab 7,5 Tonnen und einer Reichweite von 500 km angenommen. Die Batterie verursacht ein Zusatzgewicht beziehungsweise einen Nutzlastverlust von mehr als einer Tonne und Zusatzkosten von über 30.000 EUR.

Abb. 4: NM5-Brennstoffzellenstack-Modul von ElringKlinger

Anstatt die Batteriekapazität zu erhöhen, können Brennstoffzellen-Range-Extender zur Erhöhung der Flexibilität dieser Fahrzeuge eingesetzt werden. PEM-Brennstoffzellen können mit Wasserstoff betrieben werden und der Wasserstofftank lässt sich innerhalb weniger Minuten wieder auffüllen. Beim Betrieb tritt lediglich umweltfreundlicher Wasserdampf aus.
Die Batteriekapazität und die Leistung des Brennstoffzellen-Range-Extenders können zur Reduzierung der Investitionskosten und der Gesamtbetriebskosten auf den Hauptanwendungsfall zugeschnitten werden. Die Batteriekosten hängen von der Kapazität und damit von der batterieelektrischen Reichweite ab. Die Kosten der Brennstoffzellen hängen vom Leistungsbedarf und, falls sie als Range-Extender betrieben werden, vom mittleren Leistungsbedarf des Fahrzeugs ab.
Aus diesem Grund eignen sich Brennstoffzellen-Range-Extender für die Anwendung im innerstädtischen beziehungsweise stadtnahen Verteilerverkehr und ÖPNV. Anwendungsfälle wie ein Lieferfahrzeug, ein Verteiler-Lkw oder ein Stadtbus haben aufgrund vieler Stillstände und geringer Durchschnittsgeschwindigkeiten im Vergleich zur erforderlichen Spitzenleistung einen geringen durchschnittlichen Leistungsbedarf. Zudem hat ein leichtes Nutzfahrzeug für die besprochenen Anwendungsfälle eine geringere Anforderung an die Höchstgeschwindigkeit.
FEV entwickelt derzeit für seinen Kunden ElringKlinger ein skalierbares Brennstoffzellensystem. Es wird mit einem Brennstoffzellenstack der NM-Serie von ElringKlinger ausgestattet. Der Brennstoffzellenstack und das System können für verschiedene Nutzfahrzeuganwendungen von 5 bis 100 kW elektrische Leistung skaliert werden. Das kann somit für verschiedene Nutzfahrzeuganwendungen, von leichten Nutzfahrzeugen bis hin zu Lkws und Stadtbussen, angepasst werden.

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