Daimler-Benz ist zusammen mit Ballard einer der wichtigsten und weitesten
Entwicklungsunternehmen im Bereich der Wasserstofftechnik. Beide Firmen
wollen insgesamt rund 580 Mio. DM in die gemeinsame Entwicklung und den
Vertrieb von Brennstoffzellen und -Systemen einbringen.
Innerhalb der letzten Jahre wurden mehrere Brennstoffzellenfahrzeuge
vom Projekthaus Brennstoffzelle (dbb fuel cell engines - Daimler Benz-Ballard-Gemeinschaftsunternehmen)
vorgestellt, die jeweils aufeinander aufbauten. Dieses Jahr wurde das NeCar
3 vorgestellt und es existieren bereits Gerüchte vom NeCar 4.
Daimler-Benz will unbedingt zuerst ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug
zum Verkauf anbieten. Das Unternehmen ist derart überzeugt von seinem
Vorhaben, dass sie angeben, im Jahre 2004 wird der NEBUS vom Band
rollen. Auf jeden Fall wollen sie der erste Automobilhersteller sein, der
ein Brennstoffzellenauto in Serienreife auf den Markt bringt.
Ab 2005 sollen jährlich 100.000 Brennstoffzellenautos vom Band
laufen. Die Grössenordnung dieser Zahl wird deutlich, wenn man
dazu sagt, dass der weltweit 15tgrösste Automobilhersteller
zur Zeit 700.000 Autos produziert.
Nach Äusserungen der Vorstände wollen sich Ford und
Daimler-Benz Zeit lassen bis Ende nächsten Jahres (1999), um sich
dann zu entscheiden, wer der Gewinner sein wird beim Wettlauf um den Kraftstoff
der Brennstoffzelle: Methanol oder Benzin.
Jürgen Hubbert, Vorstandsmitglied Daimler-Benz auf der IAA 97 in
Frankfurt/M:
"Wir wollen unser Know-how und unsere Kapazitäten bündeln,
um die ersten zu sein, die ein Serienfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb
am Markt anbieten. - Die Ziellinie sehe ich nicht vor dem Jahr 2005"
Dr. Ferdinand Panik, Leiter des Projekthauses Brennstoffzelle im Oktober
1997:
"Das nächste Fahrzeug der NECAR-Klasse soll ein echter Viersitzer
sein, innerhalb der nächsten acht Jahre soll das erste Serienfahrzeug
vom Band rollen."
Im September 1998 hatte Daimler erklärt, bisher koste jedes Kilowatt
Leistung eines Brennstoffzellen-Motors 5.000 bis 10.000 Mark.
Mehr als 200 Prototypen mit unterschiedlichsten Systemlösungen
und Antriebsvarianten sind bis heute von Daimler-Benz getestet und untersucht
worden. Darunter befanden sich Pflanzen-, Methanol-, Misch-, Wasserkraftstoff,
Erdgas, Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Radnabenantrieb sowie die Brennstoffzelle.
Angefangen hat alles vor über 20 Jahren mit dem angesprochenen
Metallhydrid:
Anfang der siebziger Jahre entschieden sich die Forscher bei Daimler-Benz
zur Entwicklung eines fahrzeugtauglichen Metallhydridspeichers.
Als erstes Wasserstoffahrzeug der Welt wurde Mitte der siebziger Jahre
ein Merzedes-Benz-City-Bus ausgerüstet mit einem Hydrid-Speicher.
Diese Art von Wasserstoffantrieb mit äusserer Gemischbildung
- der Motor bekam über das Saugrohr ein homogenes Wasserstoff-Luftgemisch
eingeblasen - wurde im Pkw und im Transporter eingesetzt und getestet.
Umfangreiche Erfahrungen konnten auch mit einem Flottenversuch von 1984
bis 1986 in Berlin gewonnen werden.
Genau zehn Jahre später (1985) gründeten Daimler-Benz und
Mannesmann in Mülheim/Ruhr eine gemeinsame Tochtergesellschaft: die
Gesellschaft für Hydrid- und Wasserstofftechnik GmbH (HWT).
Es wird immer noch an Metallhydriden geforscht, die Aussichten, dass
damit in den nächsten Jahren tatsächlich ein Fahrzeug angetrieben
werden könnte, sind jedoch eher gering. Der Schwerpunkt der Forschung
hat sich seit 1991 auf das "Projekt: Brennstoffzelle" konzentriert. Die
von Daimler-Benz im Forschungszentrum Ulm entwickelte Variante eines Brennstoffzellenautos
nennt sich NeCar (New Electric Car).
NECAR I
Im April 1994 fand die erste Präsentation eines Brennstoffzellenfahrzeugs
im Hause Benz statt. Damals handelte es sich um einen 3,5-Tonner, der vollgestopft
war mit Technik. Es war ein Transporter auf Basis eines MB 180 für
2 Personen, der auch gerne als "rollendes Labor" bezeichnet wurde.
Das Brennstoffzellen-System verfügte über eine Leistung von
50 kW (Leistungsgewicht: 21 kg/kW bei einer Spannung von 130-230 V). Die
Einzelzellen waren in 12 Stacks zusammengeschaltet, mit denen eine Höchstgeschwindigkeit
von 90 km/h erreicht werden konnte.
NECAR II
Im Mai 1996 erschien der Nachfolger.
· Grossraum-PKW auf Basis der
V-Klasse für sechs Personen
· Brennstoffzellen-System: Leistung
50 kW (Leistungsgewicht 6 kg/kW bei einer Spannung von 180-280 V)
· 300 Einzelzellen (je 0,6 V) in
zwei Hochleistungsstacks hintereinander geschaltet
· 110 km/h Höchstgeschwindigkeit,
Drehstrom-Asynchronantrieb 33 kW
· Wasserstoff-Drucktanks: zwei Flaschen
a 140 l, Druck: 250 bar, Gesamtgewicht: 80 kg
· Reichweite 250 km mit einer Tankfüllung
· Reluktanzmotor für Kühlmittel-Lüfter
(s. NECAR III)
NECAR 3
· erste Präsentation im September
1997 bei der IAA
· Pkw auf Basis der A-Klasse für
zwei Personen, Länge: 3,57 m
· Brennstoffzellen-System: Leistung
50 kW, im Boden angebracht, weitere Komponenten anstelle der Rückbank
eingebaut
· 300 Einzelzellen (je 0,6 V) in
zwei Hochleistungsstacks hintereinander geschaltet
· 120 km/h Höchstgeschwindigkeit
(elektronisch beschränkt); Asynchronantrieb
· Methanoltank: Reformierung im Kofferraum
bis zu 2 ppm Kohlenstoffmonoxid
· Reichweite 400 km mit einer 38
l Tankfüllung
Methanol-Luft-Brennstoffzellensystem: Das im NECAR III eingesetzte Brennstoffzellen-System
funktioniert folgendermassen: Salzfreies Wasser wird mit Methanol
vermischt, verdampft und bei einer Temperatur von 250-280 °C in Wasserstoff
und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Der Wasserstoff gelangt dann in die
Brennstoffzelle, die ihn gemeinsam mit dem Sauerstoff der Luft katalytisch
in Strom und Wasser umsetzt. Die Wärme, die man für das Verdampfen
und den Reformierungsprozess benötigt, stellt ein katalytischer
Brenner bereit, der mit dem wasserstoffarmen Restgas der Brennstoffzelle
betrieben wird. Die Stacks selbst nutzen nur etwa 75% des angebotenen Wasserstoffs.
Sollte der Energieinhalt des Restgases nicht ausreichen, um den Brenner
ausreichend zu erhitzen, kann man dazu auch Methanol aus dem Tank nutzen.
Der Verdampfer, der dem Reformer vorgeschaltet ist, wurde von 300 kg
auf 3 kg reduziert.
NEBUS
· Präsentation (New Electric
Bus) im Mai 1997
· Niederflurbus auf der Basis eines
O 405 N
· Gesamtleitung für Fahrzeugsystem
(inkl. Lenkhelfpumpen, Drucklufterzeugung und Türsteuerung): 190 kW;
Gesamtleistung: 250 kW; (Leistungsgewicht 5,6 kg/kW bei einer Spannung
von 720 V)
· zehn Hochleistungsstacks hintereinander
geschaltet
· Spitzengeschwindigkeit: 80 km/h
· Tank: sieben glasfaserummantelte
Aluminiumtanks auf dem Dach mit insgesamt 21 kg Wasserstoff unter 300 bar,
Reichweite etwa 250 km, genügend für eine Tagesfüllung.
· Masse: 2,50 m breit, 3,50
m hoch, 12 m lang, 34 Sitz- und 24 Stehplätze, 14 t Leergewicht
· mittlerweile vom TÜV zugelassen
· Resultat der Zusammenarbeit der
Daimler-Benz-Forschung, Mannheimer Omnibusbereich, "Kompetenzzentrum für
emissionsfreie Nutzfahrzeuge" (KEN) der Daimler-Benz AG und Ballard Power
Systems, Inc./Vancouver
Vorteile vom NEBUS:
· Leise, sauber, komfortabel, ohne
Rucken oder vibrieren, wie sonst nur E-Fahrzeuge fahren.
· keine Speichersysteme wie Batterien
oder Oberleitung
· kein Hybrid, kein Umschalten zwischen
Elektro- und Dieselbetrieb
· Flottenbetrieb kompensiert die
geringe Anzahl von Tankstellen
· Betankung von geschultem Personal
an einer zentralen Stelle z.B. über Erdgasreformer direkt aus dem
Erdgasnetz mit Wasserstoff
· gutes Verhältnis zwischen
dem Aufwand der neuen Technik und der Zahl der beförderten Personen.
· Leistungsdichte ist fünfmal
besser als bei NECAR I. Die Kisten mit den Brennstoffzellen (wie Batterien
in die linke Seitenklappe am Heck des Busses) haben nun 25 kW statt 4,5
kW.
· Bei einem Zellenwirkungsgrad von
55% liefert das Brennstoffzellen-System im Schnitt eine 15% bessere Energieausbeute
gegenüber einem dieselbetriebenen Bus.
· Er fährt wie ein normaler
Stadtbus durch Mannheims Strassen.
Die Ingenieure von EvoBus in Mannheim haben einen elektrischen Radnabenantrieb
eingebaut in Zusammenarbeit mit der Zahnradfabrik Friedrichshafen (ZF).
Er weist keine Getriebe und keine Kardanwelle auf, wie bei üblichen
Systemen. Statt dessen übertragen radnahe Elektromotoren die Energie
direkt auf die Räder. Der Radnabenmotor arbeitet beim Bremsen als
Generator (Motorbremse) und produziert überschüssigen Strom,
der in wassergekühlten Bremswiderständen auf dem Dach in Wärme
umgewandelt und an die Luft abgegeben wird. Die Drehstrom-Asynchron-Motoren
sind luftgekühlt und wartungsarm.
Spezielle adaptive Dämpfungsregelung von den Firmen Wabco und
Fichtel&Sachs verhindert ein zu empfindliches Verhalten bei seitlichen
Kräften, da Probleme wegen des hohen Schwerpunktes auftreten könnten
(u.a. 1900 kg Dachlast durch Tanks, Leistungselektronik, Bordnetzumformer).
Im gesamten elektrischen Bordnetz gibt es drei unterschiedliche Spannungsniveaus:
a) 600 V für den Fahrantrieb und die Antriebsachse mit den Radnabenmotoren
b) 380 V für die Lenkhelfpumpe und den Druckluftkompressor
c) 24 V für die Bordspannungs-Versorgung sowie die Reserve-Lenkhelfpumpe
Die Elektrik verteilt den Strom sowohl an den Antrieb als auch an den
380-V-Kompressor für die Druckluftbremsanlage und die -federung. Bei
einem Unfall schaltet die Wasserstoffversorgung aus und die Brennstoffzelle
liefert keinen Strom mehr. Für die Bremsanlage ist jedoch noch genügend
Druckluft gespeichert, um mehrere Male sicher bremsen zu können. Auch
das hochübersetzende Getriebe lässt sich immer noch lenken.
Bengt Hamsten, Geschäftsführer Entwicklung bei EvoBus:
"Meiner Ansicht nach ist die Brennstoffzelle mit ihrem extrem guten
Wirkungsgrad, ihrer Umweltfreundlichkeit sowie ihrer Leistung und Dynamik,
die wenigstens so gut sind wie bei Dieselmotor, die Zukunftslösung
für den Öffentlichen Personennahverkehr. Ich bin überzeugt,
dass es uns in nicht all zu ferner Zukunft gelingen wird, die für
die Serienreife notwendige Wirtschaftlichkeit des Brennstoffzellenantriebs
zu erreichen."
Methanol
· CH3OH: ein Alkohol
· Energiedichte (flüssig): 5,6
kWh/kg = 4,42 kWh/l
· Methanol ist bei Zimmertemperatur
flüssig.
· Besitzt einen geringeren Energieinhalt
als Benzin oder Diesel. Der Methanol-Heizwert ist halb so hoch wie der
von Benzin. Dieser Unterschied liesse sich jedoch über den hohen
Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ausgleichen.
· Die Herstellung kann kohlendioxid-neutral
geschehen, da er aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden kann. Durch
Anpflanzen von z.B. Chinagras und einer günstigen Verarbeitung wird
der Atmosphäre die gleiche Menge Kohlendioxid entzogen, wie ihr bei
seiner Verbrennung wider zugeführt wird.
· Ein geschlossener CO2-Kreislauf
ist möglich. Zunächst wird CO2 aus der Atmosphäre im Methanol
gebunden, dann wird es durch die Verbrennung im Fahrzeug in die Bestandteile
CO2 und Wasser umgesetzt und gibt es wieder an die Atmosphäre.
· Methanol stellt die Industrie heute
überwiegend aus Erdgas oder durch das Vergasen von Kohle her und ist
somit nicht an den Primärenergieträger Erdöl gebunden. Erdgas
ist in grossen Mengen vorhanden, wird sogar z.T. bei der Erdölförderung
einfach abgefackelt. Es lässt sich aus Biomasse wie Holzrückständen
oder Deponiegas oder aus Prozessgasen der chemischen Industrie herstellen.
· Methanol kann direkt im Verbrennungsmotor
verwendet werden oder indirekt als Wasserstofflieferant, um im Fahrzeug
selbst Wasserstoff zu erzeugen.
· Reformer = Gasaufbereitungsanlage,
um Wasserstoff an Bord zu erzeugen; genau so viel, wie für den Augenblick
notwendig ist.
· Reaktion: CH3OH + H2O = 3 H2O +
CO2
Daimler-Benz-Prinzip:
Methanol kann technisch aus Erdgas hergestellt werden, d.h. Methanol
kann in umgerüstete Speichertanks von Tankstellen gefüllt und
ganz normal getankt werden. Die Infrastruktur wie das Tankstellennetz müsste
kaum geändert werden.
So könnten nach Schätzungen von Daimler-Benz 30% weniger
CO2 erzeugt werden im Vergleich zum herkömmlichen Verbrennungsmotor.
Methanol-Verbrennung in einer Brennstoffzelle soll 30% günstiger sein
als die Verwendung in einem Verbrennungsmotor. Würde Wasserstoff in
Drucktanks zwischengespeichert und umgesetzt, liessen sich in der
gesamten Kette 50% CO2 einsparen.
Stickoxide, Schwefeldioxide oder Kohlenwasserstoffe fallen nicht an.
Kritiker wenden ein, dass der Prozess vom Methanol (das ja
auch erst hergestellt werden muss) über Reformer und Brennstoffzelle
zum Antrieb so viel Energie verbraucht, dass er weit schlechter abschneidet
als optimierte Verbrennungsmotoren.
Dr. Jürgen Friedrich, Leiter Fahrzeuge und Antriebe:
"Wir arbeiten derzeit daran, Wasserstoff direkt an Bord des Fahrzeuges
aus Methanol zu gewinnen. Gelingt dies - wir rechnen damit in den nächsten
Jahren -, könnte man künftig den Treibstoff für die Brennstoffzelle
ähnlich wie Benzin an jeder Tankstelle tanken."
Brennstoffzellen-Autos