Brennstoffzellenbusse
Technische Einschätzung
Genauso wie batterieelektrische Busse verfügen wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenbusse über einen Elektromotor, der das Fahrzeug antreibt. Die dafür notwendige Elektroenergie wird in einer Brennstoffzelle (BSZ) an Bord des Fahrzeugs erzeugt. Dies geschieht durch eine chemische Reaktion, bei der Wasserstoff (aus den Speichertanks im Fahrzeug) und Sauerstoff (aus der Umgebungsluft) zu Wasser umgewandelt werden. Die dabei entstehende Elektroenergie wird entweder in einer Batterie zwischengespeichert oder direkt an die Elektromotoren und etwaige Nebenverbraucher (z. B. Wärmepumpen zur Klimatisierung des Fahrzeugs) weitergegeben.
Die beiden hier betrachteten Antriebsformen unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, welcher fahrzeugseitige Energiespeicher die Hauptenergiequelle darstellt:
- Fahrzeuge, bei denen der Hauptenergieanteil aus der BSZ (und damit aus dem Wasserstoff) kommt, sind auch unter der Bezeichnung „BSZ-Hybrid“ bekannt. Die an Bord befindliche Batterie dient in erster Linie zur Zwischenspeicherung der erzeugten Energie aus der BSZ bzw. zur Bereitstellung hoher elektrischer Leistungen oder zur Aufnahme von Rekuperationsenergie beim Bremsen.
- BSZ-REX-Fahrzeuge sind Fahrzeuge, die über eine relativ große Batterie verfügen, die über eine externe Schnittstelle aufgeladen werden kann (z. B. über einen Ladestecker). Zur Erhöhung der Reichweite sind außerdem ein Wasserstofftank und eine BSZ auf dem Fahrzeug verbaut. Die BSZ fungiert dabei als Range-Extender (daher die Bezeichnung „REX“) – zu deutsch „Reichweitenverlängerer“, während der Hauptenergieanteil aus der Hochvoltbatterie kommt.
Kosten
Die Datengrundlage für die Kosten von Brennstoffzellenbussen ist noch sehr gering, weshalb wir die nachfolgend angegebenen Kosten als Anhaltswerte betrachten. Die größte Einzelposition stellen Kosten für die Batterien und für das Brennstoffzellensystem dar. Da beide Komponenten beim gegenwärtigen Stand der Technik während der Nutzungszeit der Busse mindestens einmal getauscht werden müssen, sollten immer auch die Kosten für die Ersatzbeschaffung mit berücksichtigt werden. Die Preise beziehen sich auf beide Antriebsformen.
| Solobusse | Gelenkbusse1) | |
|---|---|---|
| BSZ-Hybrid/BSZ-REX | 580.000 – 650.000€ | 800.000 – 850.000€ |
| Batterie2) für BSZ-Hybrid | 50.000 – 60.000€ | k. a. D. |
| Brennstoffzelle2) | 100.000 – 140.000€ | k. a. D. |
1) Nur geringe Datengrundlage
2) Ein Tausch während der Nutzungszeit des Busses, ggf. über Servicevertrag
k. a. D. – keine ausreichende Datengrundlage
Ein großer Anteil der Wartungs- und Instandhaltungskosten ist nicht antriebsspezifisch. Es ist daher nicht davon auszugehen, dass dieser Anteil unterhalb der Kosten für Dieselbusse liegt. Es liegen aber zu den Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie zur Verfügbarkeit von Brennstoffzellenbussen derzeit noch keine ausreichenden Erkenntnisse vor. Bis das der Fall ist sollte daher von in etwa gleichen Kosten oder Kostenvorteilen für Dieselbusse von etwa 5 – 10 Cent pro Fz-km ausgegangen werden. Gegenwärtig sind Brennstoffzellenbusse noch nicht so verfügbar wie Dieselbusse, weshalb bei Kostenrechnungen vorläufig Verfügbarkeiten von maximal 90 % angesetzt werden sollten.
Von Brennstoffzellenbussen geht bei richtigem Umgang keine größere Gefahr aus als von Dieselbussen. Mögliche Gefahrenquellen sind:
- austretender Wasserstoff mit Bildung eines ausreichend großen und explosionsfähigen Luft-Wasserstoff-Gemischs,
- Bersten eines unter Druck stehenden Wasserstofftanks (äußerst selten),
- Überhitzung oder sonstige Beschädigungen der Batterie sowie
- spannungsführende Teile der Hochvolt-Anlage.
Als betriebsmäßig dicht gelten abgestellte Brennstoffzellenbusse ohne Schädigung an gasführenden Bauteilen sowie Fahrzeuge, an denen Arbeiten an nicht gasführenden Bauteilen vorgenommen werden. Trotzdem ist gemäß den Anforderungen der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) für Werkstätten und Abstellhallen eine Gefährdungsbeurteilung erforderlich. Dazu gehört auch eine Beurteilung der explosionsgefährdeten Bereiche. Ein Verkehrsunternehmen hat bei der Erstellung von Explosionsschutzdokumenten zwar weiten Spielraum. Aber sowohl Abstellhallen als auch Werkstätten sollten folgende Ausstattungsmerkmale aufweisen:
- sichere Entlüftung an den höchsten Stellen einer Werkstatt bzw. einer Abstellhalle zur Vermeidung von explosionsfähigen Luft-Wasserstoff-Gemischen,
- Installation von Wasserstoffsensoren mit Warnanlage und Zwangslüftung, zumindest im Werkstattbereich und
- Vermeidung von Zündquellen in Bereichen, in denen baubedingt die Bildung von explosionsfähigen Luft-Wasserstoff-Gemischen nicht ausgeschlossen werden kann.
Besondere Anforderungen gelten für Arbeiten an Fahrzeugen – auch an gasführenden Bauteilen sowie nach Unfällen, und insbesondere dann, wenn das Schadensbild an gasführenden Bauteilen nicht genau bekannt ist. Dann gilt die BGI 5108 „Wasserstoffsicherheit in Werkstätten“ der BG Bahnen.
Wie bei Batteriebussen befinden sich bei Brennstoffzellenbussen eine Reihe von Komponenten auf dem Fahrzeugdach. Dacharbeitsstände und Krananlagen müssen daher – sofern nicht bereits vorhanden – installiert werden. Mehr Informationen hierzu finden sich hier. Neben der Installation von Wasserstoffwarnanlagen empfehlen wir die Anschaffung mobiler Sensoren.
Ergänzend zu den Schulungsmaßnahmen für Batteriebusse ist eine Sensibilisierung bzgl. Wasserstoff notwendig. Außerdem sollte das Werkstattpersonal im Umgang mit Gasanlagen geschult werden.
Arten von Brennstoffzellenbussen
Der reine Brennstoffzellenbus besitzt eine relativ kleine Batterie (üblicherweise < 40 kWh), deren Aufgabe es ist, in der BSZ erzeugte Energie zwischenzuspeichern und bei Bedarf zusätzliche Leistung für den Antriebsstrang bereitzustellen. Weiterhin nimmt sie auch die beim Bremsen durch Rekuperation gewonnene Energie auf. Die Hauptenergiequelle stellt jedoch der Wasserstoff dar – genauer: eine leistungsfähige BSZ. Für einen 12 m-BSZ-Hybrid-Bus liegt die BSZ-Leistung typischerweise zwischen 60 und 85 kW. Aufgrund ihres höheren Energiebedarfs benötigen BSZ-Gelenkbussen üblicherweise etwas größere Batterie- und Tankgrößen.
Brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge haben sehr hohe Reichweiten, daher bietet sich ihr Einsatz sowohl im Stadt- als auch im Regionalverkehr an. Im Gegensatz zu batterieelektrischen Fahrzeugen und Fahrzeugen mit einer BSZ als Range-Extender muss für Fahrzeuge mit einer BSZ als Hauptenergiequelle lediglich eine Wasserstofftankstelle vorgesehen werden. Üblicherweise wird diese auf dem Betriebshof des Busunternehmens aufgebaut. Dort tankt das Fahrzeug meist einmal täglich Wasserstoff.
Als mittlerer Wasserstoffverbrauch von Brennstoffzellenbussen ohne Range-Extender-Funktion nehmen wir folgende Richtwerte an:
- Solobusse: 7,5 – 9 kg/100 km
- Gelenkbusse: 11 – 12 kg/100 km
Die Kosten für die Bereitstellung von Wasserstoff hängen von verschiedenen Faktoren ab. Hierzu gehören:
- notwendige Wasserstoffqualität
- Elektroenergiekosten bei der Eigenherstellung
- Verfügbarkeit von industriell hergestelltem Wasserstoff (ggf. als Abprodukt).
Die Kosten variieren daher stark, jedoch können für Wirtschaftlichkeitsberechnungen überschläglich 7,50 €/kg Wasserstoff angesetzt werden (Variation je nach örtlichen Gegebenheiten von 5,50 – 9,00 €/kg).
Wird die BSZ als Range-Extender verwendet, verfügen Brennstoffzellenbusse über eine deutlich größere Batterie als ein reiner Brennstoffzellenbus (> 200 kWh, ähnlich der von klassischen Batteriebussen). Dabei nutzt das Fahrzeug primär die in der Batterie gespeicherte Energie zum Antrieb. Die BSZ sorgt für eine kontinuierliche Nachladung der Batterie während des Betriebs und verlängert so die Reichweite des Fahrzeugs. Durch diesen kontinuierlichen, statischen Betrieb der Brennstoffzelle kann sie im Vergleich zu reinen BSZ-Bussen deutlich kleiner dimensioniert werden. Für die BSZ eines Solobusses sind Leistungswerte von ca. 30 kW typisch. So sind analog zu Fahrzeugen, bei denen die BSZ als Hauptenergiequelle dient, mit diesem Konzept Reichweiten von 300 – 400 km möglich.
Aufgefüllt werden beide Energiespeicher in der Regel aktiv durch Laden an einer Ladestation (z. B. konduktive Ladung der Hochvoltbatterie über ein Ladekabel) und durch das Tanken von Wasserstoff. Im Gegensatz zum reinen Brennstoffzellenbus ist neben der Wasserstofftankstelle somit auch eine Ladeinfrastruktur zur Versorgung der Busse notwendig – üblicherweise einmal täglich auf dem Betriebshof. Durch den zusätzlichen Ladevorgang entsteht ein etwas höherer Aufwand in punkto Betriebsablauf im Vergleich zu reinen Brennstoffzellenbussen. Durch die primäre Nutzung der Batterie ist das Fahrzeug im Betrieb aber viel effizienter.
Beide Antriebsformen erreichen aufgrund der hohen massenbezogenen Energiedichte von Wasserstoff (H2 wird bei 350 bar in Drucktanks im Fahrzeug gespeichert) typischerweise Reichweiten von 300 – 400 km. Hinsichtlich Ihrer Einsatzmöglichkeiten unterscheiden sich die beiden Antriebsformen grundsätzlich nur unwesentlich voneinander. Zudem sind sie im Vergleich zu rein batterieelektrischen Fahrzeugen wesentlich flexibler einsetzbar. Der Betankungsvorgang der Brennstoffzellenfahrzeuge erfolgt über einen Tankstutzen und ist hinsichtlich Tankdauer (etwa 10 min) und Tankablauf mit dem Betankungsvorgang eines Gasfahrzeuges vergleichbar. Der Betriebsablauf, d. h. die Bedienung der Umlaufpläne sowie die Fahrzeugversorgung, unterscheiden sich daher nur unwesentlich von Bussen mit konventionellen Antriebsformen.
Die wesentlichen Einflussfaktoren hinsichtlich des Energieverbrauchs sind vergleichbar mit den Einflussfaktoren batterieelektrischer Fahrzeuge. Das Beheizungskonzept hat jedoch einen geringeren Einfluss auf die Einsatzmöglichkeiten und die Reichweite der Fahrzeuge, da die bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie in der Brennstoffzelle entstehende Abwärme zur Beheizung des Fahrzeugs mitverwendet werden kann.