Wasserstoff-Brennstoffzellen reduzieren CO₂ Emissionen

Elektrifizierung von Nutzfahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen

Schifffahrt und Seehafeninfrastruktur sind bedeutende Quellen von Treibhausgasemissionen. Nach Angaben der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation verursacht der Seeverkehr über 900 Millionen Tonnen CO₂ jährlich. Um ihre Produkte zum Verbraucher zu bringen, sind die Volkswirtschaften weltweit auf die Schifffahrt angewiesen: Bis zu 90 % aller ausländischen Waren werden per Containerschiff durch die Häfen transportiert. Die Belastung der Umwelt ist jedoch erheblich. Und die Anwohner von geschäftigen Seehäfen sind einer gefährlichen Luftverschmutzung durch die Emissionen der Dieselmotoren der Nutzfahrzeuge im Hafen ausgesetzt.

Beispielsweise sorgen große Industriefahrzeuge, so genannte Containerstapler, für das Be- und Entladen der Container von den Containerschiffen. Jeder Containerstapler emittiert bis zu 144 Tonnen CO₂ pro Jahr, und ein großer Hafen kann Hunderte dieser Maschinen vor Ort haben. Den Dieselmotor in nur einem Containerstapler durch eine umweltfreundliche Alternative zu ersetzen, hätte denselben Effekt, als würde man 32 Personenkraftwagen mit Benzinmotor von unseren Straßen entfernen.

Von Personenkraftwagen über Langstrecken-LKW bis hin zu Lokomotiven und Schwermaschinen werden Verbrennungsmotoren durch umweltfreundlichere Alternativen ersetzt. Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge stehen stark im Rampenlicht und den Verbrauchern stehen sowohl hinsichtlich der Automodelle als auch der Ladestationen immer mehr Optionen zur Verfügung. In Häfen sind die Verbrennungsmotoren jedoch Dieselmotoren in schweren Industriefahrzeugen wie Hoffahrzeugen, Gabelstaplern und Containerstaplern. Für viele dieser Einsätze reichen die Akkus und die nötige Ladeinfrastruktur nicht aus.

Hier können Brennstoffzellen Abhilfe schaffen.

Ein typischer Hafen stößt jährlich über 110.000 Tonnen Kohlendioxid aus.

Elektrifizierung ermöglichen

Brennstoffzellen eignen sich gut für Standorte mit schwerem Gerät, das über lange Schichten hinweg mit minimalen Ausfallzeiten zum Auftanken laufen muss. Das Auffüllen einer Wasserstoff-Brennstoffzelle nimmt etwa die gleiche Zeit in Anspruch wie das Befüllen eines Benzintanks ähnlicher Größe, wohingegen das Aufladen einer Batterie für schwere Elektrofahrzeuge Stunden dauern würde. Brennstoffzellen bieten die nötige Leistungsdichte und Reichweite, damit das Fahrzeug eine 8-Stunden-Schicht übersteht. Ein Unternehmen, das sich auf die Brennstoffzellentechnologie für Nutzfahrzeuge konzentriert, ist Nuvera.

„Brennstoffzellen sind besser als Batterien, wenn eine große Reichweite erforderlich ist oder das Aufladen der Batterie zu lange dauert. Das macht sie gut für Boote, Flugzeuge, Lastwagen, Busse und Einsatzfahrzeuge“, sagt Gus Block, Gründungsmitarbeiter und Direktor von Nuvera Fuel Cells.

„Sie werden auch benötigt, wenn Batterien zu groß sind, um auf ein Fahrzeug zu passen, oder so schwer, dass sie die Nutzlast beeinträchtigen würden“, sagt Block. „Die für den elektrischen Containerstapler benötigte Batterie hätte beispielsweise die Größe eines kleinen Elefanten.“

Einer der Brennstoffzellenmotoren der E-Serie von Nuvera. Bildnachweis: Nuvera-Brennstoffzellen.

Eine elektrische Alternative, die kein Aufladen erfordert

Eine Brennstoffzelle erzeugt außer Wärme und Wasser keine Abgase. Da es keine beweglichen Teile gibt, ist sein Aufbau im Prinzip einfach: Eine Membran ist zwischen zwei Elektroden eingeschlossen. Wenn der Wasserstoffbrennstoff auf die Anode trifft, wird er in ein Proton und ein Elektron aufgespalten. Das Proton gelangt durch die Membran zur Kathode, wo es auf Sauerstoff trifft. Das Elektron legt einen längeren Weg zwischen den Elektroden zurück und bewegt sich durch einen Stromkreis. Der Elektronenfluss erzeugt den Strom für den Motor. An der Kathode verbinden sich Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu Wasser.

Durch die Verwendung von Modellierung und Echtzeitsimulation können die Ingenieure von Nuvera ihr Design schnell weiterentwickeln und experimentieren, ohne einen echten Motor zu gefährden.

Die Wissenschaft ist einfach, aber das Rezept für eine leistungsstarke Energiequelle zu perfektionieren ist schwierig. Die vielfältigen Reaktionen in einer Brennstoffzelle werden von zahlreichen Faktoren bestimmt. Um die größtmögliche Leistung und Effizienz aus dem Gerät herauszuholen, muss ein Software-Steuerungssystem alle diese Faktoren berücksichtigen. Das Steuerungssystem nimmt auf Basis der Rückmeldung ständig Korrekturen vor.

„Eine der größten Herausforderungen beim Design besteht darin, die richtige Flüssigkeitsversorgung der Zellen aufrechtzuerhalten“, sagt Pierre-François Quet, Chefingenieur von Nuvera. „Wenn nicht genug Wasser vorhanden ist, können keine Protonen hindurchdringen; wenn es zu viel ist, werden die Zellen überflutet.“

Ihr System reguliert die Hydratation durch Veränderung der Kühlmitteltemperatur und Manipulation des Luftstroms, um die Verdunstung zu erhöhen oder zu verringern. Zur Entwicklung der Software zur Steuerung des Brennstoffzellenmotors – der typischerweise aus Hunderten übereinander gestapelten Brennstoffzellen besteht, zwischen denen Kühlmittel fließt, sowie einer Kühlmittelpumpe und einem Luftkompressor – verwendet Nuvera MATLAB® und Simulink®. In Simulink sei laut Quet auch ein Anlagenmodell des Brennstoffzellenmotors implementiert, das aus Gleichungen für die elektrischen und chemischen Reaktionen sowie für die Temperaturen und Drücke von Wasser, Gasen und Kühlmittel besteht. Mithilfe dieser Simulation schreibt Nuvera Algorithmen, um beispielsweise den Kühlmittelfluss zu verfeinern und so die beste Leistung herauszuholen. Sobald der Algorithmus fertig ist, übersetzt Simulink ihn in Code, der auf einem im eigentlichen Brennstoffzellenmotor eingebetteten Prozessor ausgeführt wird.

Ein Toploading-Containerstapler an einer Laderampe entfernt zwei sehr große Frachtcontainer aus einem Containerstapel.

Hyster^® Containerstapler mit Toplader. Bildnachweis: Hyster-Yale-Gruppe.

Die Regelalgorithmen berücksichtigen auch viele Betriebsbedingungen. In der Simulation testet Nuvera das System bei niedrigen und hohen Umgebungstemperaturen sowie in Umgebungen mit niedriger und hoher Luftfeuchtigkeit.

Um mit ihren Algorithmen in einer realistischeren Umgebung zu experimentieren, führt Nuvera Hardware-in-the-Loop-Tests durch: Sie laden ihr Motormodell auf einen speziellen Computer von Speedgoat, der über dieselben Ein- und Ausgänge wie der physische Motor verfügt und dessen Betrieb in Echtzeit simulieren kann. Derselbe eingebettete Computer, der den Brennstoffzellenmotor betreibt, ist mit der Speedgoat-Box verbunden und wird mit von Simulink generiertem C-Code programmiert.

Dieser Aufbau sorgt für Genauigkeit und ermöglicht es den Ingenieuren von Nuvera, ihr Design schnell zu iterieren. Darüber hinaus können Experimente durchgeführt werden, ohne dass ein echter Motor gefährdet wird.

Eine andere Art von Hybrid

Nahezu alle Brennstoffzellenfahrzeuge sind Elektrohybride, die sowohl von Brennstoffzellen als auch von Batterien angetrieben werden. In manchen Fällen sorgen Brennstoffzellen für eine Erhaltungsladung, um die Batterie geladen zu halten, während in anderen Konfigurationen sowohl die Brennstoffzelle als auch die Batterie die Motoren über einen Strombus mit Strom versorgen. Batterien werden auch verwendet, um die regenerierte Energie eines Fahrzeugs aufzunehmen, etwa wenn ein Gabelstapler bremst oder eine Last absenkt.

Quets Team musste zunächst in Simulink ein Modell der Lithium-Ionen-Batterie erstellen, basierend auf Daten, die vom Hersteller bereitgestellt und intern erhoben wurden. Sie schrieben außerdem Algorithmen, die den Ladezustand der Batterie anhand messbarer Faktoren wie Spannung und Stromstärke schätzen konnten. Anschließend verwendeten sie Simulink , um den Steuerungsalgorithmus zu programmieren. Das System muss einen optimalen Ladezustand der Batterie aufrechterhalten, sodass immer genügend Energie für Spitzenlasten und genügend Kapazität zur Rückaufnahme von Energie vorhanden ist. Das Nuvera-Team entwickelte außerdem die optimale Größe für verschiedene Systemkomponenten, indem es die Algorithmen in einer Reihe simulierter Gabelstapler- und Lastszenarien testete.

Beste aus beiden Welten

Brennstoffzellen haben dieselben Stärken wie Batterien und Verbrennungsmotoren. Wie Batterien sind sie skalierbar und leise und erzeugen keine schädlichen Emissionen. Brennstoffzellenfahrzeuge bieten jedoch auch die gleiche große Reichweite und schnelle Tankzeit wie Fahrzeuge mit Benzin- und Dieselantrieb. Wasserstoff kann unter Druck in einem Kraftstofftank gespeichert werden, wodurch dieser viel mehr Energie aufnehmen kann als eine Batterie gleicher Größe. Anstatt also zum Aufladen oder Auswechseln einer Batterie anzuhalten, können Sie das Fahrzeug genauso lange oder länger betreiben als ein batteriebetriebenes Pendant und brauchen nur wenige Minuten zum Tanken.

Die Brennstoffzellenmotoren von Nuvera kommen unter anderem in Gabelstaplern des Mutterkonzerns Hyster-Yale Group zum Einsatz. Nuvera hat außerdem zwei seiner E-45-Brennstoffzellenmotoren in einen Hyster®-Containerstapler integriert, der im Hafen von Los Angeles eingesetzt wird, ähnlich dem auf dem Foto gezeigten Modell. Allein durch den Ersatz des Dieselmotors durch einen Brennstoffzellen-Elektroantrieb in diesem Fahrzeug werden 128 Tonnen CO2 jährlich vermieden. Dieselmotoren in Nutz- und Industriefahrzeugen sind eine Quelle von Kohlenstoffemissionen und Schadstoffen, die die Luftqualität beeinträchtigen. Nuvera arbeitet mit anderen Herstellern zusammen, um Busse, Züge und Spezialfahrzeuge mit Brennstoffzellen zu elektrifizieren und so deren Emissionen deutlich zu reduzieren.

Mann fährt Gabelstapler und holt Fracht an einer Laderampe ab.

Hyster^®Gabelstapler mit Brennstoffzellenantrieb. Bildnachweis: Hyster-Yale-Gruppe.

Brennstoffzellen sind skalierbar und leise, erzeugen keine schädlichen Emissionen und bieten die gleiche große Reichweite und kurze Standzeit wie Fahrzeuge mit Benzin- und Dieselantrieb.