MAN Lion´s City Brennstoffzellenbus

Im Rahmen des Jubiläums „Fünf Jahre Wasserstoffprojekt am Flughafen München“ präsentierte die MAN Nutzfahrzeuge Gruppe 2004 einen neu entwickelten Niederflur-Linienbus mit Hybrid-Brennstoffzellenantrieb. Der elektrische Fahrantrieb wird mit 68 kW aus einem PEM-Brennstoffzellensystem und mit über 100 kW aus einem Energiespeicher versorgt. Der elektrische Speicher ermöglicht eine Absenkung des Kraftstoffverbrauchs durch Nutzung der Bremsenergie. Der Bus ging zunächst in einen Probebetrieb auf dem Flugvorfeld. Weitere Einsätze auf Strecken des öffentlichen Personennahver­kehrs im Umfeld des Flughafens waren vorgesehen.

MAN Wasserstoffbusse

Bereits 1996 stellte MAN den weltweit ersten Wasserstoffbus mit Flüssigwasserstoff-Speicherung und Verbrennungsmotor der Öffentlichkeit vor. Anschließend folgte ein zwei Jahre langer Probelauf im regulären öffentlichen Nahverkehr in München und Erlangen.

Mitte 1999 startete MAN mit der Erprobung von drei Niederflurgelenkbussen mit Druckwasserstoff-Verbrennungsmotor. Sie sind seitdem im Personentransport auf dem Vorfeld des Flughafens München eingesetzt und legten in dieser Zeit mehr als 300.000 km zurück.
Ende April hat ein weiterer MAN Wasserstoffbus seinen Betrieb in Berlin aufgenommen.
Mit einer Fahrleistung von insgesamt mehr als 350.000 km hat MAN die Alltagstauglichkeit der Antriebstechnik mit Wasserstoff als Kraftstoff eindrucksvoll unter Beweis gestellt.

MAN Lion´s City Wasserstoffbusbus der BVG Berlin

MAN Brennstoffzellenbusse

Der erste MAN-Brennstoffzellenbus wurde im Mai 2000 präsentiert und absolvierte erfolgreich einem 6-monatigen Linienbetrieb im Großraum Nürnberg. Mit dem jetzt präsentierten MAN Brennstoffzellen-Niederflurlinienbus wird ein neuartiges Konzept vorgestellt.

Entwicklungspartner ist die Fa. Ballard Power Systems in Kirchheim, sie gilt als anerkannter Marktführer in der PEM-Brennstoffzellen-Technologie. Unter den verschiedenen Bauarten von Brennstoffzellen sind PEM-Brennstoffzellen (PEM = Proton Exchange Membrane) wegen niedriger Betriebstemperaturen von 60 - 80° C und hohen Wirkungsgraden für den mobilen Einsatz besonders geeignet. Mit der Fokussierung der Entwicklung auf Anlagen in Volumenmärkten von PKW sollen die Zielkosten aufgrund hoher Stückzahlen frühzeitig erzielt werden, denn das Marktsegment von Stadtbussen bietet nicht die Stückzahleffekte, wie sie für entwicklungsintensive Technologien wie dem Brennstoffzellenantrieb hilfreich und notwendig sind.

Die Brennstoffzellen-Einheit ist für den Einbau in den Brennstoffzellenbus NL 263 vorbereitet.

Das Ballards Xcellsis™ HY-80 Brennstoffzellensystem

Das Xcellsis™ HY-80 Brennstoffzellensystem versorgt Elektrofahrzeuge durch die kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Luftsauerstoff mit Strom. Dies ermöglicht Fahrzeugherstellern, Null-Emissions-Fahrzeuge zu entwickeln.

Das Mark 902 Brennstoffzellenmodul bildet das Herzstück des Brennstoffzellensystems. Eine herausragende Eigenschaft des Mark 902, der speziell für den Einsatz in Fahrzeugen entwickelt wurde, besteht in seiner hohen Leistungsdichte von 85 Kilowatt Nennleistung im Dauerbetrieb bei nur 76 Liter Volumen. Das Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellenmodul erzeugt aus den Reaktionsgasen bei etwa 80° Celsius mit sehr hohem Wirkungsgrad elektrischen Strom.

Das Brennstoffzellensystem regelt die Versorgung des Brennstoffzellenmoduls mit Wasserstoff und Sauerstoff in der richtigen Dosierung, mit dem geeigneten Druck und Feuchtigkeit. Das Xcellsis™ HY-80 Brennstoffzellensystem wird mit gasförmigem Wasserstoff betrieben. Bevor der Wasserstoff zur Brennstoffzellenmembran gelangt, wird er in einem Kontaktbefeuchter befeuchtet und auf einen Überdruck von 1 bis 2 bar angepasst. Dies ist das gleiche Druckniveau, mit dem auch der komprimierte und befeuchtete Sauerstoff aus der Umgebungsluft auf der anderen Seite der Membran in die Brennstoffzelle eingeführt wird. Nicht benötigter Wasserstoff wird in einem Kreislauf rezirkuliert und dem Brennstoffzellenstack erneut zugeführt.

Die Heckansicht des Brennstoffzellenbusses NL263.

Das Xcellsis™ HY-80 Brennstoffzellensystem erzeugt in einem Bereich von 250 bis 450 Volt bis zu 68 Kilowatt an ungeregeltem Gleichstrom. Es hat ein Gesamtvolumen von etwa 220 Litern und wiegt etwa 220 Kilogramm. Das System verfügt über eine sehr hohe Dynamik und kann die Leistung in weniger als einer Sekunde von 0 auf 90% steigern.

Die Power Distribution Unit (PDU) verteilt den Strom, der von dem Brennstoffzellenmodul erzeugt wird und begrenzt die Spannung auf den Toleranzbereich des Elektrofahrmotors, des System-Kompressors und der Kühlpumpe.

Weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems sind der systeminterne Kühlkreislauf, verschiedene Sensoren sowie eine Kontrolleinheit, die das Gesamt-Brennstoffzellensystem mit einer von Ballard entwickelten Software regelt und überwacht.

Die Umsetzung von Wasserstoff erfolgt in folgenden Schritten:

Schritt 1
Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator.
Schritt 2
Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.
Schritt 3
Die Protonen wandern durch den Elektrolyten (Membran) zur Kathodenseite.
Schritt 4
Die Elektronen treten in die Anode ein und bewirken so einen elektrischen Stromfluß, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
Schritt 5
Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
Schritt 6
Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen sind negativ geladen und wandern zu den positiv geladenen Protonen.
Schritt 7
Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser

Die Besonderheit des Hybrid-Brennstoffzellenbusses ist die Kombination einer PKW-Brennstoffzellenanlage mit einer max. elektrischen Leistung von 68 kW mit einem Hochleistungsenergiespeicher.

Durch die Kombination mit einem effizienten Energiespeicher ist ein weiterer Vorteil ableitbar: die Rückspeicherung von Bremsenergie. MAN hat bereits in diversen Bussen, zuletzt in einem diesel-elektrischen Bus die verbrauchsmindernde Wirkung der Bremsenergienutzung aufzeigen können. Als Speicher dient eine Nickel-Metall-Hydrid Hochleistungsbatterie.

Elektrischer Fahrantrieb und Wasserstoff als Kraftstoff

Der elektrische Fahrantrieb basiert auf dem Zentralmotorkonzept und ist gekennzeichnet durch hohen Fahrkomfort, geräuscharmen Betrieb und ruckfreies Anfahren und eignet sich damit besonders für Fahrzeuge im städtischen Einsatz.

Der Wasserstoff wird gasförmig mit 350 bar in Behältern auf dem Fahrzeugdach gespeichert und deckt mit einer Menge von ca. 39 kg einen Tagesbedarf – entsprechend einer Reichweite von über 300 km – ab. Diese Menge entspricht einem Dieseläquivalent von ca. 140 Liter.

Als wesentlicher Vorteil von Brennstoffzellen-Antriebssystemen gelten die hohen Wirkungsgrade im Teillastbereich. Heute sind Systemwirkungsgrade bis 50% erzielbar, weiteres Entwicklungspotenzial ist vorhanden. Sowohl der hohe Fahrkomfort als auch der niedrige Teillastverbrauch macht Brennstoffzellen attraktiv für Stadtfahrzeuge.

Wasserstoffspeichersystem

Wasserstofftankstelle

Die Betankung des Busses ist mit der von Erdgasbussen vergleichbar und völlig problemlos. Die Tankzeit wird bestimmt durch die Anlagentechnik an der Flughafentankstelle. Zum Befüllen des Speichersystems mit 1640 l Füllvolumen werden weniger als 10 Minuten benötigt.

MAN Lion´s City Brennstoffzellenbus

MAN Lion´s City Brennstoffzellenbus

Innenansicht

Fahrerplatz

MAN Lion´s City Brennstoffzellenbus

Fotos und Text:
MAN Nutzfahrzeuge AG