Der wesentliche Nutzen einer Batterie (Hochvoltbatterie) in Brennstoffzellenbussen ist die Wirkungsgradsteigerung durch ein effizienteres Energiemanagement. Dabei kann die Energie flexibel aus Brennstoffzelle und Batterie bereitgestellt werden. Neben dem Hauptnutzen der Wirkungsgradsteigerung gibt es aber noch weitere Gründe.
Antriebsstrang eines Brennstoffzellenbusses
Der Antriebsstrang eines Brennstoffzellenbusses lässt sich gut an der oben aufgeführten Abbildung erkennen. Die wesentlichen Komponenten sind Wasserstofftank, Brennstoffzelle, Leistungssteuerung, (Hochvolt-)Batterie und Elektromotor. Der Wasserstoff aus dem Tank wird zusammen mit Luftsauerstoff aus der Umgebung in der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt. Die Leistungssteuerung (auch Energiemanagementsystem) entscheidet, ob die Energie in der Batterie zwischengespeichert oder direkt für den Antrieb genutzt werden soll. Durch ein effizientes Energiemanagement kann die elektrische Energie je nach Leistungsbedarf bei der Fahraufgabe entweder nur von der Brennstoffzelle, nur von der Batterie, oder von Brennstoffzelle und Batterie gemeinsam dem Antrieb zur Verfügung gestellt werden. Das Energiemanagementsystem sorgt auch dafür, dass immer ein gewisser Ladezustand (typischerweise 40-60%) in der Batterie vorliegt. Die elektrische Energie wird nach der Leistungssteuerung direkt zum Elektromotor des Hinterradantriebs geleitet.
Nutzen der Batterie in Brennstoffzellenbussen
Der Brennstoffzellenantrieb kommt bei richtiger Auslegung der Brennstoffzelle grundsätzlich auch ohne Batterie aus, wie die Brennstoffzellenbusse des CUTE-Projekts (Felderprobung von 30 Brennstoffzellenbussen in 10 Städten in Europa, Laufzeit von 2002 bis 2007) eindrucksvoll bewiesen haben. Durch die sog. Hybridisierung mit einer Batterie als zweiten Energiespeicher kann die Energie aber flexibler aus Brennstoffzelle und Batterie bereitgestellt werden.
Der größte Nutzen dabei ist Wirkungsgradsteigerung. Der Wirkungsgrad wird sowohl durch Rückgewinnung der Energie beim Bremsen (Rekuperation) als auch durch effizientes Energiemanagement gesteigert. Dies macht sich in einer höheren Reichweite (vgl. Frage des Monats Februar 2019: „Ist ein Brennstoffzellenbus auch ein Elektrobus?“) bzw. reduzierten Treibstoffkosten bemerkbar.
Ein weiterer Nutzen ist die Reduzierung der Lastdynamikanforderungen an die Brennstoffzelle. Steigt die Leistung bspw. beim Beschleunigen stark an, kann die Batterie zusätzlich zur Brennstoffzelle Leistung für den Antriebsstrang bereitstellen. Dadurch wird die Brennstoffzelle weniger stark belastet, was wiederrum die Lebensdauer erhöht. Außerdem kann die Addition der Leistungen von Brennstoffzelle und Batterie so zunutze gemacht werden, dass die Brennstoffzelle mit einer geringeren Nennleistung ausgelegt wird. Das reduziert sowohl Kosten (vgl. Frage des Monats Mai 2018: „Wie entwickeln sich die Preise für Brennstoffzellenbusse?“) und Gewicht als auch den Platzbedarf der Brennstoffzelle.
Fazit
Es zeigt sich deutlich, dass die Batterie im Antriebsstrang eines Brennstoffzellenbusses ein wichtiger und sinnvoller Bestandteil ist. Sie unterstützt die Brennstoffzelle bei der Bereitstellung der Antriebsenergie und sorgt dafür, dass überschüssige Energie zwischengespeichert wird. Das verbessert nicht nur die Effizienz des gesamten Brennstoffzellenbusses, sondern bringt wesentliche Kostenvorteile.
Wir beraten Sie gerne ausführlich zum Thema Brennstoffzellenbusse und Batteriebusse:
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Abbildung: Mit freundlicher Genehmigung von Van Hool NV
[1] CUTE-Projekt