Wie die Komponenten eines Doppel-Brennstoffzellenantriebs eines LKW so aufeinander abgestimmt werden müssen, damit sie möglichst sparsam und trotzdem leistungsfähig arbeiten, hat der Recklinghäuser Felix Smyrek in seiner Bachelorarbeit an der FH Dortmund
Wie die Komponenten eines Doppel-Brennstoffzellenantrieb
aufeinander abgestimmt werden müssen, damit sie möglichst sparsam und
trotzdem leistungsfähig arbeiten, hat der Recklinghäuser Felix Smyrek in
seiner Bachelorarbeit an der FH Dortmund untersucht. Sein Ergebnis
unterstreicht die Sinnhaftigkeit von Brennstoffzellenantrieben in LKW.
Mehrere LKW-Hersteller verwenden Antriebe aus zwei
Brennstoffzellensystemen (BZS) und einer Batterie. Das bietet Vorteile,
wie zum Beispiel eine höhere Lebensdauer, wenn die BZS bei geringem
Leistungsbedarf, etwa im Stadtverkehr, abwechselnd eingesetzt werden.
Bei höherem Leistungsbedarf liegt der Gedanke nahe, die Leistung
gleichmäßig auf beide BZS zu verteilen, damit beide möglichst wenig
beansprucht werden. Ob das auch wirklich stimmt, untersuchte Felix Smyrek
in zwei Schritten an dem computersimulierten Modell eines LKW eines
asiatischen Herstellers in Kooperation mit dem Zentrum für
Brennstoffzellentechnik (ZBT) in Duisburg.
Der statische Betrieb
Der Recklinghäuser betrachtete im ersten Schritt ein Szenario mit
gleichbleibendem Leistungsbedarf, zum Beispiel bei einer Fahrt mit
konstanter Geschwindigkeit auf einer flachen Straße. Macht es dabei einen
Unterschied, wenn die BZS unterschiedlich hohe Leistungen abgeben? „Die
Effizienzkurve eines Brennstoffzellensystems ist recht einfach
darzustellen“, sagt Felix Smyrek. Sie steigt erst steil an, erreicht ihr
Maximum („Peak“) und fällt dann deutlich flacher wieder ab.
Smyreks Versuchsreihe ergab: Auch wenn ein einzelnes BZS die geforderte
Leistung ohne Weiteres liefern kann, ist die Effizienz am höchsten, wenn
jedes BZS möglichst nah am Peak betrieben wird. Daraus folgt die
Erkenntnis: Bei Leistungsanforderungen unterhalb des Peaks ist es
effizienter, nur eine Zelle zu betreiben. Liegt die Anforderung darüber,
wie im Beispielfall, sollten beide BZS zu gleichen Teilen ran.
Der dynamische Betrieb
Beim dynamischen Betrieb, der eine reale Autofahrt mit Anfahren,
Beschleunigen, Bremsen und so weiter abbildet, kommt zusätzlich die
Batterie ins Spiel. Sie dient dazu, in bestimmten Situationen zu puffern,
also bei Leistungsspitzen mitzuhelfen. Felix Smyrek untersuchte nun, wann
genau ihr Einsatz am effizientesten ist.
Der Maschinenbaustudent fand heraus: Immer dann, wenn es schnelle
Leistungswechsel gibt, ist es ratsam, so viel wie möglich mit der Batterie
zu puffern. Aus zwei Gründen. Erstens, steigen die Verluste eines BZS bei
Lastwechseln, wie es sie bei schnellen Leistungsspitzen gibt, und damit
verliert man Energie. Zweitens, etwas komplizierter: Beim Bremsen wird die
Bremsenergie rekuperiert, das heißt, in die Batterie zurückgespeist. Das
geht aber nur, wenn die Batterie in diesem Moment nicht schon voll ist.
Deswegen ist es sinnvoll, die Batterie während der Fahrt immer wieder zu
beanspruchen, um ihre vollständige Aufladung zu vermeiden.
Weil sich die Brennstoffzellen-Antriebssyste
vielen Punkten unterscheiden und die Hersteller auch keine Einzelheiten zu
Dingen wie Wirkungsgrad und genaue Abstimmung von BZS und Batterie
herausgeben, lässt sich Felix Smyreks Ergebnis nicht ohne Weiteres auf
andere LKW übertragen. Dennoch birgt sie Grundlagenwissen darüber, wie das
Zusammenspiel zwischen zwei Brennstoffzellen und einer Batterie möglichst
effizient gesteuert werden kann, und damit ist sie ein weiterer Schritt
auf dem Weg hin zum optimalen Nutzen des Antriebssystems.
Von der angefallenen Menge an Daten profitiert auch das ZBT. Die
Kooperation mit dem Duisburger Institut habe seine Arbeit erst ermöglicht,
sagt Felix Smyrek. „Daher freut es mich umso mehr, dass ich dem Team am
ZBT einen kleinen Benefit geben konnte und sie die Erkenntnisse für
weitere Projekte nutzen können.“
Warum überhaupt Brennstoffzellen? Sind rein batteriebetriebene Fahrzeuge
nicht sowieso effizienter?
Batterie-elektrische Fahrzeuge besitzen insgesamt einen höheren
Wirkungsgrad als Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Das bedeutet, von der ihnen
zugeführten Energie – ihrer Ladung – wandeln sie einen höheren Anteil in
Antriebsenergie um, nämlich bis zu 80 Prozent, in Ausnahmefällen auch
mehr. Zum Vergleich: Ein Brennstoffzellenantrieb liegt bei bis zu 60
Prozent, Verbrennungsmotoren bei maximal 45 Prozent.
Der Nachteil einer Batterie liegt in ihrem Gewicht. Je höher die
Reichweite eines Fahrzeugs sein soll, desto größer und schwerer muss die
Batterie sein, um ausreichend Energie bereitzuhalten. Für LKW, die viele
hundert Kilometer am Stück zurücklegen, würde die Batterie so groß und
schwer sein, dass ihr Betrieb unrentabel würde. Darüber hinaus wären dafür
Ladestationen mit Ladeleistungen von einem Megawatt notwendig – sieben Mal
so viel wie das, was ein elektrischer PKW benötigt.
Da kommt der Brennstoffzellenantrieb ins Spiel. Denn dessen Kraftstoff –
Wasserstoff – lässt sich nicht nur platzsparender und leichter
transportieren, sondern auch viel schneller betanken. Das bedeutet, bei
hohen Reichweiten ist der Brennstoffzellenantrieb trotz geringerem
Wirkungsgrad unterm Strich effizienter.
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