Artikel/Abstracts
H₂-Stadtbus-Projekte als Beispiele für diverse EU-Projekte

Autor: Dipl.-Ing. Reinhold Wurster, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Ottobrunn

Vortrag veröffentlicht zur VDI-GET-Tagung, "Wasserstoff Energietechnik IV", 17./18. Oktober 1995, München, VDI Düsseldorf

1. Einleitung

Im Rahmen des internationalen Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project [EQHHPP], das von der Kommission der Europäischen Union und der Regierung von Québec organisiert und finanziell unterstützt wird, werden vier verschiedene Autobuskonzepte entwickelt, gebaut, getestet und demonstriert. In Europa werden zwei Stadtbusse mit Verbrennungsmotor und Flüssigwasserstoffspeicherung (LH₂) und ein elektrisch betriebener Stadtbus mit Membranbrennstoffzellenantrieb und LH₂-Speicherung realisiert, wohingegen in Québec zwei Stadtbusse mit Verbrennungsmotor und Druckgasspeicherung von Hythane (typischerweise eine Mischung aus 20% Wasserstoff und 80% Erdgas) existieren.

Alle Busse sind entweder bereits realisiert oder werden in Kürze fertiggestellt. Die Demonstrationsphasen dauern maximal zwei Jahre und werden in mehreren europäischen Städten im regulären öffentlichen städtischen Personentransportverkehr durchgeführt.

2. Begründung für Wasserstoff-Stadtbusprojekte

Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft in Verbrennungsmotoren entstehen nur sehr geringe bis vernachlässigbare Emissionen. Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen können, wenn überhaupt, nur in Spuren durch die Verbrennung von Motorenöl im Brennraum entstehen. Stickoxide lassen sich im Vergleich zu Diesel sehr deutlich und im Vergleich zu Erdgas noch immer merklich reduzieren. Partikel- und Schwefelemissionen entstehen überhaupt nicht. Ferner bietet Wasserstoff die Möglichkeit, je nach Erzeugungsart auch vorgelagerte Emissionen in der Treibstoffbereitstellungskette deutlich zu vermindern oder vollständig zu vermeiden, insbesondere Kohlendioxid (CO₂). Beim Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellenantrieben mit Niedrigtemperaturbrennstoffzellen (Membranbrennstffzellen) werden alle Schadstoffemissionen vollständig vermieden. Es entsteht als Reaktionsprodukt bei der Stromerzeugung aus Wasserstoff und Luftsauerstoff nur demineralisiertes Wasser.

Diesem favorablen Verhalten von Wasserstoff steht weltweit unsere gegenwärtig sich zumeist verschlechternde Emissionssituation in Ballungsräumen gegenüber. Die Akkumulation smog- und ozonerzeugender Substanzen ist vor allem in den metropolitanen Zentren von Los Angeles und Mexico City zeitweise gesundheitsschädlich. In Kalifornien ist bereits die Beschaffung von Dieselbussen untersagt. Im Jahr 2010 muß im Großraum Los Angeles 30% der von Stadtbussen erbrachten Tranportleistung mit Nullemissionsantrieben erbracht werden (nach momentan bestehender Regelung sind dies nur batteriebetriebene Elektrofahrzeuge oder Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb und Wasserstoffspeicherung an Bord des Fahrzeugs - es gibt Anzeichen, daß diese Regelung evtl. dahingehend modifiziert wird, daß auch Wasserstoffmotoren und Brennstoffzellenantriebe mit Methanol in Verbindung mit Reformer zulässig sein werden). 70% der Transportleistung muß mit anderen sauberen alternativen Kraftstoffen (z.B. Erdgas, LPG, Methanol, etc.) erbracht werden. Die für Kalifornien gültigen Regelwerke sind bereits von British Columbia (Kanada) übernommen worden und werden in absehbarer Zeit in den Nordoststaaten der USA eingeführt werden. Auch andere US-Staaten denken über eine Einführung nach.

In Deutschland und Europa sind außerdem die Partikelemissionen von Dieselfahrzeugen wegen ihres potentiellen Krebserzeugungspotentials in die Diskussion geraten.

Unterstellt man, daß es erforderlich ist, die CO₂-Emissionen weltweit zu reduzieren und daß jeder Verursacher, also auch der Verkehrssektor, dazu seinen Beitrag erbringen soll, dann ist im Hinblick auf die weltweite explosionsartige Ausdehnung des Fahrzeugverkehrs eine schrittweise Umstellung auf nicht-fossile Treibstoffe unbedingt einzuleiten.

Unter diesen Randbedingungen scheinen Antriebskonzepte mit Wasserstoff als Treibstoff ein hohes Entwicklungspotential zu haben, das sie als langfristig erfolgversprechende und zukunftsgerichtete Alternative qualifiziert.

3. Das MAN-Flüssigwasserstoff-Stadtbusprojekt im Rahmen des EQHHPP [1]

Der Wasserstoffbus basiert auf dem serienmäßigen MAN-Typ SL 202. Wie bei diesem ist der Reihenmotor im Heck des Busses liegend eingebaut. Um auch einen Überführungsbetrieb zu ermöglichen wurde der Bus mit einemm bivalenten Betrieb für Wasserstoff und Benzin ausgerüstet. Zwischen der Vorder- und der Hinterachse sind für den Wasserstoffbetrieb drei vakuum-superisolierte Tanks und für den Benzinbetrieb ein Benzintank im Fahrzeugrahmen unter dem Fahrzeugboden untergebracht. Die Kraftstofftanks erlauben Reichweiten von etwa 250 km (LH₂) bzw. 450 km (Benzin). Der Bus bietet 92 Fahrgästen Platz, davon 41 Sitzplätze. Die Höchstgeschwindigkeit des Busses beträgt 89 km/h.

Der Wasserstoffmotor (MAN H 2866 UH) wurde aus einem Erdgasserienmotor (MAN E 2866 DUH) mit 12 l Hubraum und 6 Zylindern entwickelt. Der Motor arbeitet nach dem 4-Takt Otto-Prinzip. Die Betriebsparameter für den 6-Zylindermotor wurden durch Prüfstandstest mit einem 2 l Einzylindermotor ermittelt und auf den Vollmotor übertragen.

Der Motor ist für bivalenten Betrieb wahlweise mit Wasserstoff oder Benzin ausgelegt. Dafür sind zwei voneinander unabhängige Gemischbildungssysteme vorgesehen, die jeden Zylinder über ein Wasserstoff-Einblasventil und über ein Benzin-Einspritzventil versorgen, die jeweils im Saugrohrarm eingebaut sind und elektromagnetisch betätigt werden (Bosch Motronic M3.3). Die Ansteuerung der Drehschieberventile erfolgt sequentiell durch ein spezielles Steuergerät. Das Luft-/ Kraftstoff-Verhältnis liegt bei 1. Die Gemischbildung wird bei Wasserstoffbetrieb durch einen Heißfilmmassenmesser gesteuert, bei Benzinbetrieb durch zwei Lambdasonden geregelt. Die Abgase werden durch einen Katalysator gereinigt.

Bei 2.200 Umdrehungen pro Minute leistet der Motor bei Wasserstoffbetrieb 140 kW und bei Benzinbetrieb 170 kW. Die Motorleistung wird durch eine elektronisch angesteuerte und elektromotorisch angetriebene Drosselklappe geregelt.

Nach dem ECE R 49 13-Stufentest liegen die Emissionen bei Wasserstoffbetrieb signifikant (mehr als eine Größenordnung) unter den für 1999 vorgeschlagenen EURO 3 Grenzwerten. Für Kohlenwasserstoffe ergeben sich 0,04 g/kWh (EURO 3: 0,6), für Stickoxide 0,4 g/kWh (EURO 3: 5,0) und für Kohlenmonoxid 0,0 g/kWh (EURO 3: 2,0). Für Schwefeldioxid und Kohlendioxid ergeben sich ebenfalls keine Emissionen aus der Kraftstoffverbrennung.

Der Flüssigwasserstoff mit einer Temperatur von 20 K (- 253^oC) wird in drei elliptisch geformten vakuum-superisolierten (Vielschichtisolierung) Edelstahlbehältern gespeichert. Durch die Wahl der elliptischen Geometrie wird eine Maximierung des Speichervolumens unterflur erreicht. Das geometrische Volumen jedes Tanks beträgt 200 l, von denen etwa 190 l Nutzvolumen sind. Die Abdampfverluste der Tanks (Verdampfung von LH₂ in gasförmigen Wasserstoff) liegen bei etwa 6% pro Tag (ca. 34 l LH₂), was für ein täglich zu befüllendes Flottenfahrzeug ausreichend ist. Die drei Tanks geben ihren Wasserstoff über superisolierte Schlauchleitungen ab. Das Speichersystem verfügt ferner über einen mit Motorkühlwasser beheizten Wärmetauscher, über Absperr-, Überström- und Sicherheitsventile, über in jedem Tank integrierte elektrische Druckaufbauheizungen und elektrisch beheizte Blasenpumpen (zum Transport des LH₂ von einem Tank in den nächsten um eine gleichmäßige Entleerung sicherzustellen), sowie über eine ebenfalls aufprallsicher installierte Betankungskupplung.

Die Betankungsanlage ist transportabel ausgelegt und braucht für ihren Betrieb keine externe Energie. Die Betankungseinrichtung transferiert den Flüssigwasserstoff (570 l je Tankvorgang) aus dem stationären oder mobilen LH₂-Vorratstank in den Bus. Die Ventile, die diesen Vorgang kontrollieren werden pneumatisch betätigt, wozu Stickstoff aus Druckflaschen verwendet wird. Die Füllkupplung des Betankungssystems kann in kryogenem Zustand abgekoppelt werden. Das Kaltfahren respektive Anwärmen der Kupplung sowie das Spülen bei jedem Tankvorgang können somit vermieden werden, was zu erheblichen Zeitersparnissen führt. Mit diesem System läßt sich der Bus mit 570 l LH₂ innerhalb von rund 20 Minuten betanken.

Um einen sicheren Betrieb des Busses im ÖPNV gewährleisten zu können, wurden verschiedenste Maßnahmen ergriffen. Hierzu gehören z.B. konstruktive Maßnahmen, wie der Einbau der LH₂-Tanks zwischen den Achsen, seitlich durch verstärkte Rahmen aufprallgeschützt, sowie von unten durch Bodenschutzbleche gegen Verletzungen durch Steinschlag geschützt. Außerdem sind die drei LH₂-Tanks durch Schotte voneinander getrennt. Die dadurch gebildeten Räume werden seitlich durch Entlüftungsschlitze nach außen entlüftet und nach oben durch einen gasdicht verklebten Fußboden vom Fahrgastraum getrennt. Die Tanks und Rohrleitungen sind durch Sicherheitsventile gegen Überdruck (> 0,35 MPa) abgesichert. Überschüssiger Wasserstoff wird in der Mitte jeder Seitenwand des Busses durch einen Ventilationskamin über das Fahrzeugdach ins Freie abgegeben.

Vier Steuerungssysteme, drei für das Motormanagement und eines für das Wasserstoffspeicherungsystem, sorgen für eine sichere Kontrolle aller essentiellen Systemfunktionen.

Wasserstoffsensoren sind im Bereich der Speicheranlage, im Motorraum und im Fahrgastraum untergebracht. Diese schalten bei ihrem Ansprechen das Speichersystem ab und öffnen die drei Dachluken des Busses. Während des Tankvorgangs bei angeschlossener Tankkupplung verhindert eine Anlaßsperre das Wegfahren des Busses.

Alle sicherheitsrelevanten Systeme wurden vom TÜV Bayern Sachsen abgenommen.

Die Beachtung grundsätzlicher Sicherheitsprinzipien wie fail safe-Ausführung von Schaltungen, on board diagnostics während des Betriebs, Einsatz bauartgeprüfter und -zugelassener Komponenten sowie redundante Ausführung kritischer Komponenten tragen wesentlich zur Sicherheit bei.

In den Jahren 1995 bis 1997 wird der MAN-LH₂-Stadtbus in einer zweijährigen Demonstrationsphase in den bayerischen Städten Erlangen und München im regulären öffentlichen Personentransport erprobt. Diese Erprobung dient dem Nachweis der Praxistauglichkeit des Konzepts sowie der Evaluierung der Akzeptanz durch die Bevölkerung. Unter anderem durch vergleichende Prüfstandstests soll das erzielbare Schadstoffminderungspotential in Ballungsgebieten erhoben werden. Die erste Demonstrationsphase von 8 Monaten wird 1995 und 1996 in Erlangen bei den Erlanger Stadtwerken durchgeführt werden. Die Abwicklung der 2. und 3. Demonstrationsphase soll dann in den Jahren 1996 und 1997 in München bei den Verkehrsbetrieben der Stadtwerke München sowie bei Autobus Oberbayern erfolgen.

Das Demonstrationsvorhaben wird vom Bayerischen Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen und von der Europäischen Union finanziell unterstützt.

4. Zwei weitere Wasserstoff-Stadtbusprojekte im Rahmen des EQHHPP

Bei den weiteren Projekten im Rahmen des EQHHPP handelt es sich um einen Stadtbus mit Verbrennungsmotor und um einen Stadtbus mit Membranbrennstoffzelle.

In Belgien hat die Firma VCST Hydrogen Systems N.V., Sint-Truiden, einen Van Hool Bus vom Typ A 120 als Demonstratorversion umgebaut, die aber noch nicht für den öffentlichen Verkehr zugelassen wird [2] [3]. In diesen Bus wurde der auf Wasserstoffbetrieb modifizierte 12 l 6 Zylinder MAN-Dieselmotor D 2566 eingebaut. Der Motor hat Zündkerzen, ein neues Zündsystem und modifizierte Kolben. Er wird in qualitativer Betriebsweise mit einem Luft-/ Treibstoff-Verhältnis von Lambda größer 2 gefahren. Tests haben eine effektive Motorleistung von 85 kW bei 2.200 Umdrehungen pro Minute ergeben. Der Bus kann im Testbetrieb entweder mit einem Metallhydridspeichersystem oder mit einem Flüssigwasserstoffspeicher betrieben werden. Das LH₂-System mit einem superisolierten Tank von 125 l, elektrischer Verdampfungseinrichtung sowie aller Verbindungsleitungen, Sicherheits- und Kontrolleinrichtungen wurde von Messer-Griesheim GmbH (MG) entwickelt und gebaut. MG hat ebenfalls eine automatisierte Betankungseinrichtung entworfen und gebaut, deren Ventile und Kontrolleinrichtungen elektrisch betrieben werden (ex-geschützt).

Dieser Demonstratorprototyp wurde der europäische Kommission und der geladenen Presse in Geel, Belgien, im Juli 1994 vorgeführt.

Bis Ende 1995 soll ein Typ Van Hool A 300 Niederflurbus mit einem verbesserten Motorkonzept und mit Flüssigwasserstoffspeichern von Messer-Griesheim GmbH auf dem Dach aufgebaut werden und ab 1996 wahrscheinlich in Gent in Demonstration gehen. Die LH₂-Betankungseinrichtung der Firma Messer-Griesheim wird eine Betankung des Busses in etwa 20 Minuten ermöglichen.

In Italien hat die Firma Ansaldo Ricerche Srl., Genua, auf der Basis eines Macchi-Ansalo Busse einen Demonstratorstadtbus mit Membranbrennstoffzellenantriebssystem in Hybridauslegung aufgebaut [2] [3]. Die Brennstoffzellenmodule kommen von der italienischen Firma De Nora Permelec, Mailand, und werden von Ansaldo zusammen mit einem Bleibatteriesystem für Spitzenbedarfsabdeckung und Bremsenergierückspeisung zu einem funktionsfähigen Antriebssystem integriert. Die 9 Brennstoffzellenmodule von jeweils etwas über 5 kW_e liefern eine Bruttoleistung von etwa 45 kW_e, die sich noch um die Antriebsenergie für Kompressor und Hilfsantriebe anteilig vermindert. Die Grundlast für denn Antrieb wird durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellt, während der Spitzenbedarf für Beschleunigungs- und Bergfahrenergie aus dem Batteriesystem entnommen wird. Das Bussystem ist auf das anspruchsvolle Bergfahrprofil von Genua ausgelegt. An Haltestellen und bei Bremsung wird elektrische Energie in das Batteriesystem rükgespeist und erhöht somit den Gesamtenergienutzungsgrad.

Die Flüssigwasserstoffspeicher werden auf dem Dach des Busses untergebracht und kommen von der Firma Messer-Griesheim GmbH. Das LH₂-Speichersystem ist modular aufgebaut und speichert 600 l LH₂. Der Demonstratorbus stellt einen Fahrgastraum mit nur limitiertem Platzangebot zur Verfügung, soll aber Anfang 1996 in der norditalienischen Stadt Brescia mit einer Reichweite von bis zu 400 km in öffentlichen Demonstrationsbetrieb gehen.

5. Drei weitere EU-Wasserstoff-Busprojekte

Bei den zwei EUREKA Projekten handelt es sich um einen Standard-Stadtbus mit Verbrennungsmotor und um einen Gelenk-Stadtbus mit alkalischer Brennstoffzelle.

Im Rahmen des HYPASSE-Projektes [hydrogen powered applications using seasonal and weekly surplus of electricity] soll saisonale und wöchentliche Überschußelektrizität in Wasserstoff umgewandelt werden und dieser chemisch gebunden in Methylzyklohexan zwischengespeichert werden [2] [5]. Partner in diesem Vorhaben sind das Paul-Scherrer-Institut und die Daimler-Benz AG. Letztere befaßt sich insbesondere mit Infrastruktur für die H₂-Druckspeicherung, der Betankungseinrichtung sowie der Realisierung des Niederflur-Stadtbusses mit Druckwasserstoffspeicherung. Der Wasserstoff soll in 13 Aramidfaserverbundtanks mit Aluminiumliner von je 147 l geometrischem Volumen unter 30 MPa Druck gespeichert werden, was dem Bus eine Reichweite von bis zu 300 km bieten soll. Ein aus einem 6 Zylinder Dieselmotor mit 12 l Hubraum vom Typ OM 447 hLA abgeleiteter Wasserstoffmotor wird mit innerer Gemischbildung bei einem H₂-Einblasdruck von etwa 4 MPa betrieben und leistet aufgeladen ca. 200 kW. Die Stickoxidemissionen lassen sich bei diesem Motor ohne Nachreinigung auf unter 1 g NO_x/ kWh (im 13-Stufentest) reduzieren.

Auf der Basis dieser HYPASSE-Busentwicklung ist in Karlsruhe eine Flottendemonstration von insgesamt 4 Bussen geplant. Der Wasserstoff hierfür soll mittels Druckelektrolyseur erzeugt werden, der als Netzregelungselement eingesetzt werden soll. Das Projekt soll 1996 starten und die 4 Busse sollen ab 1999 im innerstädtischen Verkehr eingesetzt werden. Partner sind die Mercedes-Benz AG, die Badenwerk AG, die Stadtwerke Kalrsruhe und die Gesellschaft für Hochleistungselektrolyseure zur Wasserstofferzeugung (GHW) [5].

Ein Konsortium aus Air Products, Ansaldo, Elenco und Saft hat seit 1990 einen 18 m langen Gelenkstadtbus mit Elektrohybridantrieb bestehend aus einem alkalischen Brennstoffzellensystem und einem Nickel-Cadmium-Batteriesystem aufgebaut. Der Treibstoff wird in der Form von LH₂ an Bord mitgeführt. Das Brennstoffzellensytem, die Regeleinheit und der LH₂-Speicher sind im hinteren Gelenkteil des Demonstratorbusses untergebracht. Das Brenstoffzellensystem ist für eine Leistung von 78 kW_e ausgelegt. Die maximale Antriebsleistung wird durch die Batteriespeicher von 80 Ah auf etwa 200 kW_e gesteigert. Die 700 l LH₂ sollen für 300 km Fahrstrecke ausreichen. Eine bewegliche Betankungseinrichtung mit einem LH₂-Speicher von 12.000 l wurde speziell für dieses Vorhaben entwickelt und zugelassen [2].

Im Rahmen des EU-Programmes THERMIE versucht gegenwärtig ferner eine deutsch-spanische Gruppierung bestehend aus Hamburger Electricitätswerke AG (HEW), Hamburger Gaswerke GmbH (HGW), Junta de Andalucía (JA), Instituto Nacional de Técnica Aerospacial (INTA) und Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST), ein Vorhaben für etwa 7 MAN Wasserstoff-Niederflurstadtbusse zum Laufen zu bringen. In der südspanischen Region Huelva/ Sevilla soll Überschußwasserstoff aus Chlor-Alkali-Elektrolyse zum Antrieb der Wasserstoffbusse mit Druckpeicherung verwendet werden, der bisher nur abgefackelt wird. In Hamburg soll Flüssigwasserstoff aus Deutschland als Treibstoff Verwendung finden.

Diese Ansätze können als Beispiele für sehr weitgehend ausbaubare Nischenanwendungen für saubere, mit Wasserstoff betriebene Stadtbusse gelten.

Mit dem Überschußwasserstoff aus Chlor-Alkali-Elektrolyse sowie aus Stahlkokserzeugung würden sich in Deutschland rund 5.000 Stadtbusse betreiben lassen. Würde noch der Wasserstoff aus der Produktion der Erdölraffinerien in Anrechnung gebracht, dann würde sich die Zahl auf über 10.000 Stadtbusse steigern lassen.

Wasserstoff gewonnen aus Biomasse auf brachliegenden deutschen Anbauflächen würde es sogar erlauben, ca. 100.000 Stadtbusäquivalente verfügbar zu machen.

Flüssigwasserstoff wird in nächster Zukunft in steigenden Mengen aus Übersee verhältnismäßig kostengünstig importiert werden können. Vorbereitungen für diesen Ansatz sind im Rahmen des EQHHPP bereits im Gange [3].

6. Weitere Wasserstoff-Busprojekte weltweit

Bei allen weiteren bereits konkret in Bearbeitung befindlichen Wasserstoff-Stadtbusprojekten weltweit handelt es sich bisher durchweg um Brennstoffzellenbusprojekte.

Herausragendste Vertreter dieser Projekte sind die Vorhaben von Ballard Power Systems in British Columbia, Kanada, und von H Power Corporation, New Jersey, USA. Im ersten Fall dient ein Membranbrennstoffzellensystem (PEM) als Antriebsquelle und im zweiten Fall ein Hybridsystem aus phosphorsaurer Brennstoffzelle (PAFC) und Nickel-Cadmiumbatteriesystem. Ballard Power Systems plant zusammen mit der New Flyer Industries Inc. die Kommerzialisierung eines Buskonzeptes mit einem Brennstoffzellensystem von 205 kW_e und einer Wasserstoffdruckspeicherung für einen 12 m Transitbus bis 1998 [2].

In Bayern sind bis 1998 in einem von der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH koordinierten Vorhaben [6] je ein Membranbrennstoffzellen-Demonstrationsstadtbus von MAN Nutzfahrzeuge AG und Neoplan mit Siemens PEM-Brennstoffzellenantrieb geplant. Der Neoplanbus wird einen Hybridantrieb in Verbindung mit einem Rotationsspeicher haben. Etwas zeitlich versetzt soll auch ein MAN Verteilerlastwagen mit PEM-Brennstoffzellenantrieb für den städtischen Raum in Bayern demonstriert werden.

7. Erwartbare Entwicklungsfortschritte bei Wasserstoff-Bussen

7.1 Handhabung und Speicherung mit Flüssigwasserstoff:

Die fortgeschrittenste Version der kaltziehbaren Kupplungen kommt bereits mit einem einäugigen Rohrquerschnitt ohne Pendelleitung aus, was das gesamte Kupplungskonzept nochmals deutlich vereinfacht. Dieselbe Kupplung kann auch für die LNG-Betankung eingesetzt werden. Mit diesem Typ von Kupplung könnte es künftig möglich sein, daß LH₂-Mengen von etwa 600 l in relativ kurzen Zeiten von unter 10 Minuten umgefüllt werden. Um die Tranferverluste beim Betanken weiter zu reduzieren bzw. ganz zu vermeiden, soll langfristig der Überdruck für den unterkühlten LH₂ durch im Tank im LH₂ untergebrachte Pumpen erzeugt werden, was es erübrigen würde, regelmäßig mit GH₂ diesen Druckaufbau zu bewerkstelligen (denn GH₂ kondensiert an der Flüssigkeitsgrenzschicht) und somit einen unerwünschten Wärmeeintrag verhindern würde. Ferner sollte LH₂ bereits auf etwa 20 K unterkühlt angeliefert werden, um lange Standzeiten zu gewährleisten und die Befüllung mit unterkühltem LH₂ zu ermöglichen. Unterkühltes LH₂ verdampft wegen des Druckabfalls in der Leitung nicht sofort und nimmt am Anfang des Befüllvorgangs Restwärme von den Leitungswänden auf und zwar so lange bis im Fahrzeugtank die LH₂-Siedetemperatur erreicht ist.

Alle Sicherheitsventile und lösbaren Verbindungen ( z.B. Tankkupplungen und Rohrleitungen) werden auf die Kryotemperaturen des LH₂ ausgelegt werden, um sicheres Funktionieren auch bei längerer Benutzung zu garantieren [4].

Bei vakuumsuperisolierten Speichern für den Fahrzeugeinsatz mit einem Volumen von etwa 130 l und mit einem zulässigen Betriebsdruck von zwischen 0.3 und 0.5 MPa konnte in den letzten Jahren die Dicke der Vakuumsuperisolation nach dem Folienwickelprinzip schrittweise von 50 mm auf 25 mm reduziert werden. Der Wärmeeinfall kann dabei auf unter 1 W begrenzt gehalten werden, was einer täglichen Temperaturerhöhung im Tannkinneren von etwa 1 K/ d oder einer Evaporationsrate von zwischen 1,3%/d und 2%/d entspricht und LH₂ für bis zu 10 Tagen im Tank einschließen läßt, ohne daß gasförmiger Wasserstoff abgeblaßen werden muß. Für im Flottenbetrieb einzusetzende Fahrzeuge scheinen die Werte an der oberen Grenze ausreichend [4].

Für die Dachmontage bei Niederflurstadtbussen gibt es bereits von Messer-Griesheim fertig entwickelte modulare LH₂-Speichersysteme [7] mit drei zylindrischen Tanks von je ca. 200 l LH₂-Produktvolumen (max. 0,7 MPa zul. Druck). In dem modularen, dachintegrierbaren Tanksystem (4200 mm x 2000 mm x 660 m / 1.000 kg) sind neben den Tanks auch alle für den Betrieb erforderlichen Komponenten und Aggregate (Ventilbox, Wärmetauscher, Anschlußleitungen, kaltziehbare Kupplung, elektrische Kontrolleinrichtung, Sicherheitsventile, etc.) in dem Montagerahmen untergebracht.

Fortschreitende evolutionäre Verbesserungen bei der Reduktion der Herstellkosten sowie der Verminderung der Abdampfraten wie der effizienteren Handhabung und Betankung sind auch in den nächsten Jahren erwartbar. Von den Kryotechnikfirmen wird bereits von Nullverlustkonzepten und -systemen gesprochen.

7.2 Speicherung mit gasförmiger Druckwaserstoff:

Bereits heute treten beim schnellen Befüllen von Druckerdgastanks Schwierigkeiten auf durch die Aufheizung des Gases bei der Komprimierung. Es ist also schwierig, den Drucktank vollzufüllen. Um dieses Problem zu umgehen werden bereits Systeme (LCNG) realisiert, die Flüssigerdgas (LNG) mit Pumpen auf Druck bringen und es dann verdampfen. Dieses kalte Druckgas erlaubt eine kontrollierte Befüllung von Drucktanks. Für Wasserstoff sind analoge Systeme (LCGH₂) denkkbar, die Flüssigwasserstoff (LH₂) in gasförmiger Form kontrolliert unter hohem Druck verfügbar machen würden. Ein solcher Ansatz ist im Falle von Wasserstoff um so wichtiger, da zur Erreichung vergleichbarer Energiedichten wie bei CNG noch höhere Drücke erforderlich werden.

Mit zunehmenden Drücken werden die Drucktanks deutlich schwerer. Um diesen Massenzuwachs in erträglichen Grenzen zu halten, wird zunehmend auf Tanks gefertigt aus Verbundmaterialien übergegangen. Die meisten dieser Faserverbundtanks haben einen Metall-Liner, um welchen Verbundfasern fixiert durch ein Harz gewickelt werden. Es gibt bereits die ersten CGH₂-Tanks, die mit H₂-dichten Linern ebenfalls aus Plastik realisiert werden. Dieser Ansatz reduziert zwar die Massen (um bis zu einem Faktor drei), führt aber bei den kleinen heutigen Stückzahlen noch zu erheblich Kostensteigerungen im Vergleich zu Stahl- oder Aluminiumtanks. MAN Technologie bemüht sich gegenwärtig um die Musterzulassung eines solchen Tankkonzeptes für ein Druckniveau von 24,8 MPa, das sowohl für CNG als auch für Druckwasserstoff geeignet ist [8]. Möglicherweise lassen sich die höheren spezifischen Kosten durch die größeren Stückzahlen kompensieren, die wegen der Eignung für beide Gase, H₂- und Erdgas, erwartbar sind.

7.3 Denkbare Stadtbuskonzepte:

Neben den regulären Standardlinienbussen (12 m Länge, ca. 100 Passagiere) und den Gelenkbussen (18 m Länge, ca. 140 Passagiere) mit Wasserstoffantrieb sind künftig auch verstärkt kleinere Stadtbustypen (Midibusse von ca. 9 m, Minibusse mit etwa 7 m-9 m) für verschiedene neue Einsatzbereiche vorstellbar. Ein zunehmender Trend zu Bussen mit Elektrotraktion ist zu erwarten, da diese den Übergang zu leisen und sauberen Antrieben deutlich erleichtern (emissionsreduzierter verbrennungsmotorischer Generatorbetrieb bzw. emissionsfreier Brennstoffzellenantrieb). Welche Speicherkonzepte für den Kraftstoff zum Einsatz kommen werden, hängt wesentlich von der erforderlichen Reichweite, der Auslegung des Busses und der genutzten Wasserstoffquelle (lokal verfügbar, von fern angeliefert) ab. Grundsätzlich stehen neben Flüssigwasserstoff- und gasförmiger Druckspeicherung noch verschiedene andere Speichertechniken zur Verfügung, wie z.B. Metallhydridspeicherung (bei kleinen Reichweiten und Verbräuchen), Kryoadsorptionsspeicher, Eisenschwammspeicher sowie flüssiges Methanol bzw. gasförmiges oder flüssiges Erdgas, jeweils mit Reformer oder partiellem Oxidator.

8. Literatur

[1] Die Zukunft mitgestalten - MAN-Wasserstoffantrieb für Stadtlinienbus, Technische Information der MAN Nutzfahrzeuge Aktiengesellschaft, Nürnberg, 1995

[2] R. Wurster, Hydrogen City Bus Demonstration Projects, VDI/GET-Fachtagung Energieversorgung mit Brennstoffzellenanlagen - Stand und Perspektiven, VDI-Berichte 1174, 15./ 16. Februar 1995

[3] B. Drolet, J. Gretz, D. Kluyskens, F. Sandmann, R. Wurster, The Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project: Demonstration Projects, Hydrogen Energy Progress X, Proceedings of the 10th WHEC, Cocoa Beach, Florida, USA, 20-24 June, 1994

[4] R. Wurster, Forschungs- und Demonstrationsprojekte mit Flüssigwasserstoffbezug - gegenwärtiger Stand und Entwicklungstendenzen, VDI-Seminar Kryotechnik, Karlsruhe, 29. September 1994

[5] Wasserstoffbus, Daimler-Benz High Tech Report 3/1995

[6] Machberkeitsuntersuchung zu Brennstoffzellenantrieben für städtische Nutzfahrzeuge, LBST-Endbericht, Ottobrunn, 8. März 1995

[7] MESSER GRIESHEIM - more than 10 years of experience with liquid hydrogen for vehicular applications, Köln, Juni 1994

[8] Persönliche Information Zulassung von Druckgasflaschen, MAN Technologie AG, 19. Juni 1995

[9] Der Stoff, aus dem die Träume sind, Bus-Fahrt Nr.6, Juni 1995

9. Bildteil

Bild 1: Ansicht des MAN-Flüssigwasserstoff-Stadtbusses beim Betankungsvorgang [Quelle: L B S T / MAN Nutzfahrzeuge AG]

Bild 2: MAN Flüssigwasserstoff-Stadtbus [Quelle: MAN Nutzfahrzeug]

Bild 3: Linde Flüssigwasserstoff-Betankungseinrichtung [Quelle: MAN Nutzfahrzeuge]