Die Kombination von erneuerbar – also kohlenstofffrei und ohne Verbrauch endlicher Ressourcen – erzeugtem Wasserstoff und einem elektrischen Brennstoffzellen-Fahrzeugantrieb mit hohem Wirkungsgrad ist verlockend, technisch jedoch anspruchsvoll und vom Betrieb her mit einigen Umstellungen (z.B. Sicherheitsvorkehrungen, Betankung) verbunden. Daher spielen bei der Markteinführung von Wasserstoffantrieben geeignete Nischenanwendungen als Toröffner eine wichtige Rolle. Im Projekt hy.muve (für „hydrogen-driven municipal vehicle“) wird ein Kompaktkehrfahrzeug mit Wasserstoffantrieb entwickelt, das anschliessend während 18 Monaten in verschiedenen Schweizer Städten und Gemeinden erpobt wird. Neben dem Technologieverhalten unter realen Bedingungen werden auch sozio-ökonomische Studien durchgeführt, um eine Markteinführungsstrategie für Wasserstoffantriebe in der Schweiz zu entwickeln.
Kommunalfahrzeuge werden lokal betrieben und kommen immer wieder an den Stützpunkt zurück („Back-to-Base“). Sie können deshalb bereits mit einer einzigen Wasserstoff-Tankstelle betrieben werden. Zudem werden Kehrfahrzeuge primär im Teillastbereich betrieben, wo Verbrennungsmotoren eine niedrige, Brennstoffzellenantriebe aber eine hohe Energieeffizienz aufweisen.
Der Betrieb in den öffentlichen Bereichen in der Nähe von Fussgängern bietet eine gute Plattform für die sozio-ökonomischen Studien.
Längsdynamikmodell
Abb. 2: Struktur des Längsdynamikmodells
Der typische Betrieb eines Kompaktkehrfahrzeuges, bestehend aus Dislokations- und Reinigungsfahrt, wurde im Computer mit einem Längsdynamikmodell simuliert. Das Modell wurde für die Auslegung des Antriebs und die Spezifikationen der Komponenten des Antriebs eingesetzt.
Vom Diesel-Hydraulik- zum Brennstoffzellen-Batterie-Antrieb
Abb. 3: Layout des Dieselantriebs
Der 55 kW Dieselmotor und der hydraulische Antrieb wurde durch ein 20 kW Brennstoffzellen-System mit einer 12 kWh Lithium-Polymer-Batterie, elektrischen Antrieben und einem 7.5 kg H2-Speichersystem ersetzt.
Abb. 4: hy.muve-Antrieb
Der Brennstoffzellen/Batterie-Hybridantrieb ermöglicht im Vergleich zu einem reinen Brennstoffzellenantrieb einen stationäreren Betrieb der Brennstoffzellen, was sich positiv auf die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems auswirkt.
Packaging
Abb. 5: Packagingstudie
Die geeignete Unterbringung und Versorgung mit Strom bzw. Kühlung aller Komponenten im begrenzten Platz des Fahrzeuges ist von entscheidender Bedeutung für die Nutzung des Fahrzeugs und die Lebensdauer der Komponenten.
Elektrische Antriebe
Abb. 6: Simulierter Leistungsbedarf der Brennstoffzelle
Alle Elektromotoren sind drei-Phasen-Wechselstrom-Synchronmaschinen mit modernen Frequenzumrichtern und einem gemeinsamen 300 V-Gleichspannungsnetz. Die Antriebskraft-Freisetzung in die Antriebs- und Stromversorgung von der Brennstoffzelle wird durch den Zustand der Lithium-Polymer-Leistungsbatterien gesteuert.
Energieverbrauch und die CO2 Emissionen
Abb. 7: Energetischer Verbrauch des Fahrzeuges (linkes Diagramm) sowie der H2-Bereitstellung und des Fahrzeuges sowie der CO2-Emissionen (rechtes Diagramm)
Die Simulation eines normalen Betriebs zeigt, dass das hy.muve-Projekt-Fahrzeug eine 50%ige Verringerung des Energieverbrauchs im Vergleich zum aktuellen Dieselantrieb (tank-to-wheel) erreicht.
Die CO2 Reduktion hängt von der Wasserstoffzufuhr ab. Selbst wenn die heutige Wasserstoffproduktion aus Erdgas berücksichtigt wird, sind die CO2 Emissionen des hy.muve-Fahrzeugs in einem well-to-wheel Ansatz 30% niedriger als für die aktuellen Dieselantriebe.
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