Sonstiges
Alternative Antriebe in Omnibussen der Daimler AG – Teil II
30.12.2008 - 00:00

English version

Alternative Antriebe in Omnibussen der Daimler AG – Teil II
Hybrid-, Gas- und Wasserstoffantrieb: Neue Konzepte für Low- bis Zero-Emission

Seit 2000 gehört der kanadische Bushersteller Orion zum Konzern. Orion treibt seit 1997 zusammen mit dem Unternehmen BAE Systems die Entwicklung des dieselelektrischen Antriebs voran und ist mittlerweile der weltweit führende Hersteller von Hybrid-Omnibussen. Wie im Falle des Cito – und anders als beim Hybrid-Sprinter – dient der 260 PS starke Sechs-Liter-Diesel hier nicht als Antriebsmotor, sondern erzeugt über einen Generator Strom, der dann für den elektrischen Antrieb bereitsteht. Durch Rückspeisung der Bremsenergie in die auf dem Dach angebrachten Batterien lassen sich im Vergleich zu einem reinen Dieselbus bis zu 45 Prozent Treibstoff einsparen. Zugleich werden die Bremsbeläge geschont. Besonders geeignet ist das Energie-Rückgewinnungsprogramm für den Stop-and-go-Verkehr in den Innenstädten, wo normalerweise durch häufiges Bremsen viel Energie verloren geht.

Nach einer Erprobung mit zehn Fahrzeugen ordert das städtische Verkehrsunternehmen New York City Transit 2001 zunächst 125, zwei Jahre später noch einmal weitere 200 Hybridbusse und unterzieht sie einem gründlichen Vergleich mit ebenso vielen Erdgas- und Dieselbussen. Das Ergebnis der von September 2004 bis Mai 2005 durchgeführten Studie fällt überzeugend aus: Sowohl in Hinsicht auf die Emissionswerte, als auch auf Energieverbrauch, Beschleunigung und Lebensdauer schlägt der Hybridbus die Konkurrenten um Längen. So reduziert der Hybridantrieb die Stickoxidemissionen um 40, die Partikelemissionen dank Partikelfilter gar um 90 Prozent.


Emissionsfreie Antriebe: Orion Hybrid-Bus

New York City Transit zeigt sich überzeugt und bestellt umgehend weitere 500 Fahrzeuge, denen nochmals 389 Einheiten folgen. Auch Toronto gibt 150 Hybridbusse in Auftrag, weitere 56 Einheiten gehen nach San Francisco, jeweils mit der Option auf Folgeaufträge. Ein besonderer Vorzug des Orion VII HybriDrive besteht auch in der Verwendung erprobter, robuster Komponenten. Allerdings macht sich der doppelte Antrieb mit Lithium-Ionen-Batterien im Preis bemerkbar.


Orion VII Next Generation diesel-elektrischer Hybridbus

Versuche mit dem Schwungrad: Der Gyro-Antrieb

Eine mechanische Alternative zur Batterie, die ebenfalls die Bremsenergie nutzt, stellt der sogenannte Gyro-Antrieb dar. Ursprünglich wird der Gyrobus Anfang der fünfziger Jahre von der Maschinenfabrik Oerlikon in der Schweiz entwickelt und 1953 auf der Deutschen Verkehrsausstellung in München vorgestellt, und zwar in Kombination mit einem elektrischen Antriebsmotor als Alternative zum Oberleitungsbetrieb. In einem mit Wasserstoff gefüllten Gehäuse befindet sich ein Schwungrad, das mit Hilfe elektrischer Energie aufgezogen wird. Dazu muss der Bus zwei Minuten an einer Ladestation andocken, um dann bis zu sechs Kilometer weit fahren zu können, wobei das Schwungrad über einen Generator den elektrischen Fahrmotor mit Energie versorgt.

Bei dem Gyro-Antrieb, den Daimler-Benz Ende der siebziger Jahre, gefördert vom Bundesministerium für Forschung und Technologie, zusammen mit Bosch, MAN und mehreren Hochschulinstituten untersucht, handelt es sich dagegen um eine Kombination von Schwungrad und Dieselmotor. Als Versuchsfahrzeuge dienen ein Standardlinienbus O 305 und zwei Kleinbusvarianten mit hohen, großflächigen Fenstern.

Das Schwungrad speichert die Bremsenergie sowie die nicht für den Antrieb benötigte Überschussleistung des Dieselmotors. Beim Antrieb wirken Dieselmotor und Schwungrad zusammen, elektronisch gesteuert, um einen optimalen Wirkungsgrad des Systems zu erzielen. Auf diese Weise kommen die Fahrzeuge mit einem kleineren Dieselmotor aus als gewöhnlich. Für kurze Strecken – etwa in Fußgängerzonen oder Tunnelstrecken – kann das Schwungrad, geräusch- und emissionsfrei, auch allein den Antrieb übernehmen.


Mercedes-Benz Erprobungs-City-Bus auf Basis des Typ 307 D, umweltfreundlich durch Gyro-Antrieb, 1980.

Der 17-sitzige City-Bus ist mit einem 65-PS-Dieselmotor ausgestattet. 115 Kilogramm wiegt das Schwungrad, das bis zu 750 Wh Energie aufnimmt. Über zwei mit Summiergetrieben verbundene Elektromaschinen und ein vierstufiges Lastschaltgetriebe gibt das Schwungrad die Energie an den Antrieb zurück. Im Falle des O 305 übernehmen dagegen vier Hydromaschinen die Übertragung der Energie vom Schwungrad auf den Antrieb. Mit 1500 Wh und einem Gewicht von 226 Kilogramm ist der Schwungradantrieb doppelt so stark ausgelegt wie im Falle des City-Busses. Der Dieselmotor leistet 130 PS.

Zum Zeitpunkt der Erprobung hat der Gyroantrieb gegenüber der Bleibatterie den Vorzug eines sehr viel geringeren Gewichts und einer längeren Lebensdauer. Allerdings reicht die Kapazität nicht an leistungsfähige Batterien heran: Mit abgeschaltetem Dieselmotor schafft der Gyrobus, einschließlich zweimaligem Anfahren an der Haltestelle, nur eine Distanz von rund 1000 Metern. Größere Schwungräder würden zu viel Raum beanspruchen. Mit neuartigen, leichteren Batterietypen wie der Zebra-Batterie, der Nickelmetallhydrid- oder der Lithium-Ionen-Batterie kann der Gyroantrieb nicht konkurrieren.

Im Vorfeld der Olympiade: Erste Versuche mit Erdgas finden 1971 statt

Im Vorfeld der Olympiade 1972 liefern sich die Nutzfahrzeughersteller ein Kopf-an-Kopf-Rennen um die Entwicklung neuer, umweltfreundlicher Antriebe, deren Wirksamkeit vorerst allerdings noch gar nicht einwandfrei erwiesen ist. „Wir beziehen uns auf die in letzter Zeit veröffentlichten Artikel über eine MAN-Entwicklung mit Erdgasmotoren“, heißt es in einem Brief der Nutzfahrzeug- und Motorenentwickler Rubi, Hartmann und Müller-Berner an den Daimler-Benz Entwicklungsleiter Hans Scherenberg vom 23. Juli 1971. „Es wird über eine neue, von MAN vorgeschlagene Entwicklung mit verflüssigtem Erdgas für Fahrzeugantriebe berichtet.“

Aus einem Telefonat mit der MAN-Entwicklungsabteilung erfahren die Ingenieure, dass die Angabe einer Reduktion der Stickoxidemissionen um bis zu 80 Prozent aus amerikanischen Publikationen stammt. „Im Gegensatz zu MAN, die bisher noch keine Versuche durchgeführt haben, läuft bei uns bereits seit einigen Wochen ein Gasmotor mit komprimiertem Erdgas auf dem Prüfstand. Es ist uns bisher noch nicht gelungen, die gegenüber dem Benzin-Ottomotor sehr viel günstigeren Abgaswerte eines vergleichbaren Dieselmotors zu unterbieten.“

Nur sechs Tage später kommt es zu einem Treffen mit zwei Vertretern der Münchener Stadtverwaltung, nachdem wiederum durch die Presse bekannt geworden war, dass die dortigen Verkehrsbetriebe bereits angefangen haben, einige Fahrzeuge auf Flüssiggas-Antrieb (Propan-Butan-Mischung) umzurüsten. „Der Betrieb mit Propan/Butan wird von München nur als Übergangslösung angesehen und soll mittelfristig durch verflüssigtes Erdgas abgelöst werden“, hält ein interner Aktenvermerk das Ergebnis der Besprechung fest.

Am 26. November schlägt schließlich die Presseabteilung vor, mit dem Mercedes-Benz Erdgasbus an die Öffentlichkeit zu gehen, nachdem wiederum in Zeitungen und im Fernsehen von bevorstehenden Versuchen bei MAN und einem Flüssiggas-Tankfahrzeug berichtet worden war, das für die Propan-Butan-Busse den Treibstoff liefern soll. Einem „kleinen Kreis von 10 bis 15 Nutzfahrzeug-Journalisten“ soll der Erdgasbus vorgestellt und anschließend den Fernsehkameras vorgeführt werden. Denn schließlich sei Daimler-Benz „zur Zeit noch die einzige Firma, die mit einem fahrbereiten Erdgasbus sofort an die Öffentlichkeit treten kann“.


Versuchsomnibus aus dem Jahr 1971: Der Mercedes-Benz OG 305 nutzt Erdgas als Treibstoff für seinen Sechszylinder-Ottomotor. Das Emissionsverhalten ist vorzüglich.

Ruß- und Reizstofffrei: der Erdgasbus OG 305

Eine Pressemitteilung vom 31. Mai 1972 beschreibt den ersten erdgasgetriebenen Bus wie folgt: „Dieser Erdgas-Bus hat den Vorteil einer geräusch- und geruchsarmen Verbrennung, und die Abgasemissionen sind nahezu reizstoff- und rußfrei. Allerdings verlangt diese umweltfreundliche Auslegung einige Konzessionen. Da das Erdgas nur in flüssiger Form im Fahrzeug mitgeführt werden kann, mussten dafür wärmeisolierende Behälter entwickelt werden, die eine Lagertemperatur des Erdgases bei –162° C gestatten. Im OG 305 sind sie unterflur angeordnet und bringen natürlich eine beträchtliche Erhöhung des Gewichtes mit sich.“

286 Liter Erdgas fassen die vier Isoliertanks des Unternehmens Linde, die für eine Reichweite von 400 Kilometern ausreichen. Je nach Druckzustand geben die Behälter das Erdgas in flüssigem oder gasförmigem Aggregatzustand ab. Für den Fall, dass der Druck einmal über 4,2 bar ansteigt, blasen zwei Überdruckventile das Gas ins Freie. Die TÜV-geprüfte Anlage ist ohne Einschränkungen für den Straßenverkehr zugelassen. Der Motor ist auf Fremdzündung angewiesen. Es handelt sich um einen modifizierten Sechszylinder des Typs M 407 hG mit einer Verdichtung von 1:11, einer Leistung von 172 PS und einem maximalen Drehmoment von 677 Nm.

Zu den Abgaswerten bemerkt die Pressemitteilung im Einzelnen: „Heute unterschreitet der Mercedes-Benz Erdgasmotor den Grenzwert für Kohlenwasserstoffe und Stickoxide um mehr als 20 % und weist nur noch ein Zwölftel des zulässigen Kohlenmonoxidgases auf. Da Erdgas keine Blei- und Schwefelverbindungen hat, können bei diesem Motor auch keine derartigen Schadstoffabsonderungen entstehen. Der Preis für diese Vorteile steht jedoch mit höheren Betriebskosten zu Buch.“ Auch Hans Scherenberg gelangt 1977 zu einer eher skeptischen Einschätzung: „Da Erdgas in unserem Land nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht, erscheint eine Realisierung dieser Antriebsart hier wenig praktikabel. Für andere Länder kann sie jedoch sehr interessant sein.“

Compressed Natural Gas (CNG): Neuer Anfang in Australien

Ein Problem des ersten Erdgasbusses in den siebziger Jahren hatte darin bestanden, dass zum damaligen Zeitpunkt keine hinreichend leichten und stabilen Behälter zur Verfügung standen, um das Methangas in komprimierter Form mitzuführen, so dass praktisch nur die Verwendung von flüssigem, auf –161° C herabgekühltem Gas unter Verwendung schwerer Gasflaschen in Frage kam. Dadurch erhöhte sich allerdings das Eigengewicht des Fahrzeugs, während bei der Verflüssigung etwa 40 Prozent der Primärenergie verloren ging.

Erst Mitte der achtziger Jahre ist die Entwicklung so weit gediehen, dass sichere und praxistaugliche Behälter für komprimiertes Erdgas unter einem Druck von 200 bar zur Verfügung stehen. Daimler-Benz testet damals drei Flüssiggas- (LPG) und zwei Erdgasbusse (CNG) auf Basis des O 305 im australischen Perth. In Brasilien beginnt wenig später die Weiterentwicklung von Ethanol-Ottomotoren für komprimiertes Erdgas.

3-Wege-Kat und Lambda-Regelung: der Erdgasbus O 405 N 2 geht 1994 in Serie

1994 gehen die ersten Mercedes-Benz Omnibusse mit Erdgasantrieb in Serie. Es handelt sich um Niederflur-Solobusse des Typs O 405 N 2, denen alsbald Gelenkbusse, Überlandbusse und schließlich auch Standardbusse folgen. Die Motoren M 447 hG basieren auf den entsprechenden Sechszylinder-Dieselaggregaten, die mit Zündung,
3-Wege-Katalysator und Lambda-Regelung ausgestattet sind und die Euro-2-Abgaswerte um mehr als die Hälfte unterbieten. Größere Aufträge platzieren Hannover und Mannheim, Greiz und Mühlhausen in Thüringen. Insgesamt 216 Einheiten entstehen im Mannheimer Werk, mehr als die Hälfte davon gelangen in Deutschland zum Einsatz. Dazu kommen noch 351 Low-Entry-Fahrgestelle des Typs O 405 NH für Australien.


O 405 Niederflurbus mit Erdgasantrieb.

Erdgas-Citaro: Großauftrag zur Expo in Hannover

Zur Jahrtausendwende ist ein Generationswechsel fällig. Seither bildet das neue Modell Citaro die Grundlage der Mercedes-Benz Erdgasbusse. Nunmehr kommen weiterentwickelte Turbolader mit Ladeluftkühlung des Typs M 447 hLAG zum Einsatz, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweisen. Mit einem serienmäßigen Oxidationskatalysator ausgestattet, erfüllen sie damals die Euro-2-Norm.

Zur Expo 2000 erhält das Mercedes-Benz Werk den bisher größten Auftrag an Erdgasbussen in Deutschland: Die Hannoveraner Uestra ordert 56 Fahrzeuge, davon 40 Solo- und 16 Gelenkbusse. Ihre äußere und innere Gestalt stammt von dem Designer James Irvine: ein spezielles Gewand in Silber und Grün mit erhöhtem, gerundetem Dach, hinter dem sich die Gasflaschen verbergen.


Ab der Jahrtausendwende bildet der Stadtbus Citaro die Basis für Erdgasbusse von Mercedes-Benz.

Reine Verbrennung, aber heikle Materie: Wasserstoff als Energiequelle

Schon seit Beginn der Entwicklung alternativer Antriebssysteme in den späten sechziger Jahren hat Daimler-Benz Wasserstoff als möglichen Energieträger der Zukunft im Blick. Wasserstoff erreicht zwar nur etwa 25 Prozent der Energiedichte konventioneller Kraftstoffe. Dafür aber entstehen bei der Verbrennung keinerlei schädliche Emissionen: Wasserstoff reagiert mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu reinem Wasser.

Das erste Problem, das es bei der Nutzung von Wasserstoff zum Zwecke des Fahrzeugantriebs zu bewältigen gilt, besteht in der Speicherung. Hochdrucktanks oder die Speicherung in flüssiger Form sind zur damaligen Zeit für den Einsatz im Fahrzeug nicht realisierbar: Zum einen sind strengste Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, da sich der Wasserstoff im Falle eines Unfalls mit dem Luftsauerstoff zu einem explosiven Gemisch verbinden kann. Hinreichend sichere Druckspeicher hätten damals aber schon bei geringen Reichweiten ein hohes Gewicht. Eine Abkühlung auf –253° C würde wiederum einen unverhältnismäßig hohen Energieaufwand erfordern.

Schon 1967 vergibt Daimler-Benz daher einen Forschungsauftrag an das Genfer Battelle-Institut, um ein für den Fahrzeugantrieb taugliches Titanhydrid-Speichersystem zu entwickeln. Die Speicherung in Form einer Anlagerung des Wasserstoffs an Metallhydride stellt zur damaligen Zeit die einzig sichere Variante für den Fahrzeugantrieb dar. Wie das Protokoll der technischen Sitzung am 13. November 1967 festhält, stehen erste Ergebnisse damals bereits fest:

  • Durch Nickelzuschlag zum Titan wird eine Wasserstoffanlagerung erreicht und dadurch Aktivierungsenergie verabschiedet.
  • Bei den bisherigen Versuchen können bereits einige 100 mA/cm² bei konstanter Spannung 0,83 V erreicht werden.
  • Es sind bisher 1500 Ent- und Beladevorgänge mit einer Luft-Elektrode durchgeführt worden.
  • Das System arbeitet auch bei -20° C noch ohne Einschränkung.
  • Die Energie-Dichte des Titanhydrid-Speichers beträgt ca. 150 Wh/kg, d.h. sie ist damit etwa 5 x höher als die einer normalen Bleibatterie.
  • Titan und Nickel kosten heute etwa DM 10, - pro kg, und damit dürfte der Preis des Ausgangsstoffes recht interessant sein.
  • Die Kosten je installiertem kW liegen für den Titanhydrid-Speicher bei DM 150–200,–, für die normale Bleibatterie bei DM 600–800,–.

1975 ist es dann so weit: Zur IAA stellt Daimler-Benz den weltweit ersten wasserstoffgetriebenen Kleinbus mit Hydridspeicher vor. Aus der praktischen Erprobung des Fahrzeugs gewinnen die Entwickler weitere wertvolle Erkenntnisse, die zwei Jahre später in einen neuen Wasserstoff-Kleinbus einfließen.

City-Bus mit Wasserstoffantrieb: modifizierter Ottomotor und TN-Chassis

Auf der IAA 1977 stellt Daimler-Benz den neuen City-Bus mit Wasserstoffantrieb vor. Grundlage bildet ein Fahrzeug der neuen „Bremer“ Baureihe auf TN-Fahrgestell. Der modifizierte Ottomotor leistet 60 PS. Bei einem Tankgewicht von 200 Kilogramm beträgt die Reichweite 200 Kilometer. „Da aus Versorgungsgründen der Wasserstoffbetrieb in Ballungszentren beginnen muss, wurde zunächst das City-Bus-Projekt auf Basis der Mercedes-Benz Transporter in Angriff genommen“, heißt es in eine Pressemitteilung.

„Wasserstoff – Antrieb für die Zukunft“: So ist ein Informationsblatt zur IAA 1977 überschrieben, das das Projekt erläutert: „Im Hinblick auf die nur noch begrenzt vorhandenen Erdölvorräte untersucht Daimler-Benz die Einsatzmöglichkeiten von Alternativkraftstoffen. Dabei gewinnt Wasserstoff mit der Verwendung geeigneter Metallhydridspeicher, welche die bisher bekannten voluminösen und gefährlichen Speichermöglichkeiten (Hochdruckflaschen bzw. flüssiger Wasserstoff) ersetzen, erhöhte Bedeutung. Bei diesen Hydridspeichern, deren Entwicklung das BMFT fördert, handelt es sich um spezielle Metalllegierungen, die den Wasserstoff unter Wärmeabgabe aufnehmen. Abwärmezufuhr vom Motor setzt ihn dann wieder für den Fahrzeugantrieb frei.“

Das Raffinierte an dem neuen City-Bus besteht nun darin, die bei der Wasserstoffanlagerung entstehende und die zur Freisetzung notwendige Wärme in ein komplexes Wärmemanagement einzubinden, das die Abwärme des Motors nutzt und auch die Heizung und Klimatisierung des Fahrzeugs mit einbezieht. Zu Testzwecken sind fünf verschiedene Hydridspeicher in das Fahrzeug eingebaut, basierend auf den Materialien Titan/Eisen und Magnesium/Nickel. Diese arbeiten entweder als Hochtemperaturspeicher bei Temperaturen von 250 bis 300°C, oder als Tieftemperaturhydrid zwischen 80 und 90°C: „Grundsätzlich sind verschiedene Wege der Wasserstofffreisetzung möglich, nämlich durch das Kühlwasser des Motors, durch das Abgas des Motors oder aber durch die Wärme der Luft des Fahrgastraumes. Dadurch bieten sich interessante Möglichkeiten für die Fahrzeugklimatisierung, für die Wärmerückgewinnung und für die Abgaskühlung.“

Auf der IAA 1977 stellt Daimler-Benz den neuen City-Bus mit Wasserstoffantrieb vor. Grundlage bildet ein Fahrzeug der neuen „Bremer“ Baureihe auf TN-Fahrgestell. Der modifizierte Ottomotor leistet 60 PS. Bei einem Tankgewicht von 200 Kilogramm beträgt die Reichweite 200 Kilometer. „Da aus Versorgungsgründen der Wasserstoffbetrieb in Ballungszentren beginnen muss, wurde zunächst das City-Bus-Projekt auf Basis der Mercedes-Benz Transporter in Angriff genommen“, heißt es in eine Pressemitteilung.


Mercedes-Benz City-Bus: umweltfreundlich durch Wasserstoff-Antrieb,1979.

„Wasserstoff – Antrieb für die Zukunft“: So ist ein Informationsblatt zur IAA 1977 überschrieben, das das Projekt erläutert: „Im Hinblick auf die nur noch begrenzt vorhandenen Erdölvorräte untersucht Daimler-Benz die Einsatzmöglichkeiten von Alternativkraftstoffen. Dabei gewinnt Wasserstoff mit der Verwendung geeigneter Metallhydridspeicher, welche die bisher bekannten voluminösen und gefährlichen Speichermöglichkeiten (Hochdruckflaschen bzw. flüssiger Wasserstoff) ersetzen, erhöhte Bedeutung. Bei diesen Hydridspeichern, deren Entwicklung das BMFT fördert, handelt es sich um spezielle Metalllegierungen, die den Wasserstoff unter Wärmeabgabe aufnehmen. Abwärmezufuhr vom Motor setzt ihn dann wieder für den Fahrzeugantrieb frei.“

Das Raffinierte an dem neuen City-Bus besteht nun darin, die bei der Wasserstoffanlagerung entstehende und die zur Freisetzung notwendige Wärme in ein komplexes Wärmemanagement einzubinden, das die Abwärme des Motors nutzt und auch die Heizung und Klimatisierung des Fahrzeugs mit einbezieht. Zu Testzwecken sind fünf verschiedene Hydridspeicher in das Fahrzeug eingebaut, basierend auf den Materialien Titan/Eisen und Magnesium/Nickel. Diese arbeiten entweder als Hochtemperaturspeicher bei Temperaturen von 250 bis 300°C, oder als Tieftemperaturhydrid zwischen 80 und 90°C: „Grundsätzlich sind verschiedene Wege der Wasserstofffreisetzung möglich, nämlich durch das Kühlwasser des Motors, durch das Abgas des Motors oder aber durch die Wärme der Luft des Fahrgastraumes. Dadurch bieten sich interessante Möglichkeiten für die Fahrzeugklimatisierung, für die Wärmerückgewinnung und für die Abgaskühlung.“

Ein Prospekt von 1979 zeigt ein wiederum modifiziertes Fahrzeug mit 78-PS-Motor und nunmehr drei Hydridspeichern, nämlich einem 55 Kilogramm schweren Magnesium2-Nickel-Speicher und zwei jeweils 93 und 98 Kilogramm schweren Titan-Eisen-Speichern. Einschließlich Isolierung summiert sich das Gesamtgewicht aller drei Speicher auf 400 Kilogramm. Die gespeicherte Wasserstoffmenge von 5,5 Kilogramm entspricht einem Benzin-Äquivalent von 20,5 Litern.

Eine Schemazeichnung erläutert die Anordnung: Der abgasbeheizte Hochtemperatur-Hydridspeicher dient auch als Standheizung, die acht bis neun Kilowatt leistet. Ein nachgeschalteter Tieftemperaturspeicher nutzt die verbleibende Wärme des Abgasstroms. Ein weiterer Tieftemperaturhydrid ist mit einem Wärmetauscher verbunden und dient auch als Kühlaggregat der Klimaanlage mit einer Leistung von drei bis vier Kilowatt.

„Bei einem Wasserstoffantrieb, gefördert vom Bundesminister für Forschung und Technologie, mit Hydridspeicher wird ein großer Teil der Motorwärme im Hydrid gesammelt, wenn Wasserstoff entnommen wird“, erläutert der Prospekt. „An der Wasserstofftankstelle wird diese Speicherenergie beim Beladen des Speichers wieder zurückgewonnen. Bei Daimler-Benz wurde durch Messung bereits nachgewiesen, dass bis zu 80 Prozent der Abgasenergie eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors wiederverwertet werden können.“

Der erste Brennstoffzellenbus: NEBUS

Drei Jahre nach dem ersten New Electric Car kann Daimler-Benz bereits einen New Electric Bus (NEBUS) vorstellen. Es handelt sich um einen Niederflur-Stadtbus der Serie O 405 N, ausgestattet im Heck mit zehn Stacks à 150 Brennstoffzellen, die zusammen 250 Kilowatt leisten. Bezogen auf das Volumen ist ein 25-Kilowatt-Stack mehr als fünf Mal so stark wie im Falle des NECAR 1. Vor Überhitzung schützt eine große Kühleinheit auf dem Dach. Der Antrieb erfolgt wie bei den gleichzeitigen Gelenk- und Überlandbussen über Radnabenmotoren.


NEBUS, O 405 N Stadtbus mit Brennstoffzellenantrieb, 1997.

Aufgrund der langjährigen Entwicklung von Erdgasbussen stehen mittlerweile auch sichere Druckspeicher für den Wasserstoff zur Verfügung. Sieben 150-Liter-Flaschen finden auf dem Dach des NEBUS Platz. Sie bestehen aus Aluminium mit einem Mantel aus glasfaserverstärktem Kunststoff und transportieren jeweils drei Kilogramm Wasserstoff, komprimiert auf 300 bar. Mit einer Tankfüllung von 21 Kilogramm Wasserstoff kann der Bus 250 Kilometer weit fahren. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 80 km/h.

Der NEBUS erregt viel Aufmerksamkeit und spornt auch Mitbewerber an, sich näher mit der Brennstoffzellentechnik vertraut zu machen. Jeweils für einige Wochen verkehrt der NEBUS im regulären Linienbetrieb in Oslo, Hamburg, Lissabon, Melbourne, Perth, Sacramento und Mexico City.

Zweijähriger Feldversuch: 30 Brennstoffzellen-Citaro im Rahmen des CUTE-Projekts

Im Oktober 2002 stellt DaimlerChrysler die nächste Generation des Brennstoffzellenbusses vor: 30 Citaro-Niederflurbusse treten ab 2003 in zehn europäischen Städten zu einem zweijährigen Praxistest an, gefördert von der Europäischen Union im Rahmen des CUTE-Projekts (Clean Urban Transit for Europe). Der Brennstoffzellen-Citaro tritt in mancher Hinsicht sogar einen Schritt hinter den NEBUS zurück: Von Radnabenmotoren ist keine Rede, die Kraftübertragung erfolgt über ein konventionelles Sechsganggetriebe. Doch es geht darum, die Brennstoffzellentechnik zu testen, und da macht es wenig Sinn, zugleich weitere, ebenfalls wenig erprobte, noch unzuverlässige Komponenten mit an Bord zu nehmen: Der „Fuel Cell Bus“, wie er auch genannt wird, entspricht in allen Bestandteilen bis auf den eigentlichen Antrieb weitestgehend einem gewöhnlichen Stadtlinienbus.


Mit mehr als 90 Prozent Verfügbarkeit schlägt sich der Brennstoffzellenantrieb in der Praxis besser als erwartet.

Zwei etwa 80 x 60 x 60 Zentimeter große Stacks zu je 980 Brennstoffzellen sind diesmal auf dem Dach des Busses untergebracht. Sie leisten je 125 Kilowatt und treiben einen zentralen, 225 Kilowatt starken Asynchronmotor an. Positiv macht sich beim Anfahren am Berg das durchgehend hohe Drehmoment bemerkbar, das von 1027 Nm schon bei 500 U/min auf 1045 Nm bei 1000 U/min ansteigt. Durch Verwendung von Kohlefaser in der Ummantelung hat sich der Druck der Wasserstofftankflaschen auf 350 bar erhöhen lassen. Neun 200-Liter-Flaschen sind vorn auf dem Dach angeordnet und speichern insgesamt 43 Kilogramm Wasserstoff, ausreichend für eine Reichweite von 20 bis 300 Kilometern.

In Madrid geht anlässlich des UITP-Kongresses 2003 das erste Trio an den Start. Hamburg, Stuttgart, Amsterdam, Barcelona, London, Luxemburg, Porto, Stockholm und Reykjavik folgen. Ziel ist zum einen, den Brennstoffzellenantrieb unter möglichst unterschiedlichen Praxisbedingungen zu testen, von den topfebenen Innenstädten von Amsterdam und Hamburg bis zu Hügeln in Stuttgart und Luxemburg, aber auch von der sommerlichen Hitze in Madrid bis zum isländischen Winter. Noch vor Ende des zweijährigen Versuchs steigt auch Perth in Australien mit drei Fahrzeugen ein, 2005 zieht Peking nach. Nach Ablauf der zweijährigen Versuchszeit verfügt jede der zehn beteiligten Städte im Schnitt über rund 7000 Betriebsstunden oder 100 000 Kilometer Praxiserfahrung.

Ein besonderes Augenmerk des Versuchs gilt auch der Wasserstofferzeugung mittels Dampfreformer oder Elektrolyse, denn die Energie- und Umweltbilanz des Antriebs lässt sich abschließend erst aus dem Gesamtsystem ermitteln: Wenn der Bus abgasfrei fährt, dafür aber die Erzeugung des Wasserstoffs umso mehr Energie verbraucht und zugleich hohe Emissionen hervorruft, ist am Ende wenig gewonnen. In einigen Städten wird der Wasserstoff dezentral erzeugt, was zum Beispiel in Stuttgart zu unerwarteten technischen Schwierigkeiten führt. Bei der zentralen Erzeugung wiederum geht durch den anschließenden Transport zur Wasserstoff-Tankstelle zusätzlich Energie verloren.


Erster Linienbus Mercedes-Benz Citaro mit Brennstoffzellen-Antrieb fährt in Madrid.

Am Ende der zweijährigen Erprobung steht zunächst einmal eines fest: Mit mehr als 90 Prozent Verfügbarkeit schlägt sich der Brennstoffzellenantrieb besser als erwartet. Bei Verkehrsbetrieben, Fahrern und Fahrgästen kommt die neue Technik ausgesprochen gut an, so dass sieben Städte den Versuch prompt um ein Jahr verlängern. Hamburg kaufe gar die Fahrzeuge aus Stockholm und Stuttgart an und betreibt jetzt neun Brennstoffzellenbusse.

Allerdings ist der Fuel Cell Bus noch weit davon entfernt, mit dem konventionellen Dieselbus konkurrieren zu können. 1,25 Millionen Euro beträgt der Anschaffungspreis eines einzelnen Fahrzeugs. Trotz ihrer überraschend guten Leistung liegt die Lebensdauer der Brennstoffzelle noch weit unter der eines Dieselmotors. Der Verbrauch der Versuchsbusse liegt zwischen 15 und 30 Kilogramm Wasserstoff auf 100 Kilometer, das entspricht aufgrund des höheren Brennwerts einem Dieselverbrauch von 50 bis 100 Litern.

Ohne eine weitere deutliche Steigerung der Lebensdauer und Effizienz bei gleichzeitiger Reduktion des Preises wird daher die neue Technik mit herkömmlichen Antriebssystemen nicht mithalten können. Zudem sind bei einem Mehrgewicht von etwa drei Tonnen bei den Brennstoffzellen-Citaro noch erhebliche Sparpotenziale vorhanden. Die weitere Entwicklung wird daher zwangsläufig in Richtung einer Reduzierung der Kosten, des Gewichts und des Verbrauchs sowie eines effizienten Energiemanagements gehen müssen.

Schließlich ist auch die endgültige Energie- und Umweltbilanz noch gar nicht errechnet: Es mag sinnvoll sein, lokal emissionsfrei zu fahren, und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle selbst liegt deutlich über dem eines Verbrennungsmotors. Doch wenn etwa bei der Wasserstofferzeugung aus Erdgas mehr Energie verloren geht, als bei der Verbrennung in einem Erdgasmotor, ist eben wenig gewonnen. Und auch die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse kann letztlich nur dann zur Schonung der Umwelt beitragen, wenn der dafür benötigte Strom auf regenerative Weise aus Wind-, Wasser- oder Sonnenenergie erzeugt wird.

Solche Fragen lassen sich freilich keinesfalls in der Theorie klären, sondern nur durch praktische Erprobungen. In diesem Sinne stellt der Großversuch mit den Citaro-Brennstoffzellenbussen das bisher umfangreichste Datenmaterial bereit.

Alkohol im Tank: Methanolantrieb mit Energierückgewinnung

Neben Benzin und Dieselöl, Erdgas und Flüssiggas gibt es weitere Treibstoffe, die prinzipiell zur Verwendung im Fahrzeugantrieb taugen. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Treibstoffe sind im Einzelfall Modifikationen an den Motoren erforderlich. So lassen sich Alkohole wie Methanol und Ethanol grundsätzlich auch im Dieselmotor verwenden. Allerdings führen dabei der geringere Heizwert, die höhere Verdampfungswärme und die benötigte höhere Kühlleistung zu einem deutlichen Systemnachteil.

Bei einem 1981 vorgestellten Standardlinienbus mit Methanolantrieb macht sich Daimler-Benz daher die Wärme des Kühlwassers und den niedrigen Siedepunkt des Methanols von 65° C zunutze und verwendet anstelle des Dieselmotors einen modifizierten Erdgasmotor des Typs M 407 hG, der freilich seinerseits in vielen Teilen mit einem gewöhnlichen 11,5-Liter-Seriendiesel identisch ist. Nach einem kurzen, etwa zweiminütigen Vorheizvorgang beim Kaltstart reicht die Wärme des Kühlwassers aus, um das Methanol zur Verwendung im Gasmotor zu verdampfen. Bei den kurzen Standzeiten im Stadtlinienbetrieb ist in der Regel nicht einmal ein Anheizen nötig.


Methanolbetrieb und Energierückgewinnung: Versuchs-Stadtbus Mercedes-Benz O 305 auf der Einfahrbahn in Stuttgart-Untertürkheim (1981). Das Fahrzeug wurde im Linienbetrieb getestet.

Mit dieser Anordnung ist die Quadratur des Kreises vollbracht, und der Methanol-Motor kommt in der Energieausnutzung einem Diesel-Direkteinspritzer nahe. Ein im Juni 1981 auf Methanolbetrieb umgerüsteter Dieselbus nimmt einen Monat später in Auckland, Australien, als erster methanolgetriebener Linienbus der Welt den Betrieb auf. Anfang 1982 folgt ein weiterer Methanolbus im Praxisbetrieb bei der Berliner Verkehrsgesellschaft (BVG). Als drittes Exemplar geht im Mai desselben Jahres im südafrikanischen Pretoria ein Doppeldecker in Betrieb.

Nach zweijährigem Linieneinsatz mit einer Laufleistung von 100 000 Kilometern hat sich der Berliner Methanolbus außerordentlich gut bewährt. Er arbeitet leise und emissionsarm, insbesondere nahezu ohne Partikelemissionen, und überzeugt die Fahrer durch sein Beschleunigungsverhalten und seine Elastizität. Die BVG nimmt daher 1985 sieben weitere Methanolbusse in Betrieb. Methanol lässt sich aus Erdgas oder Kohle, aber auch aus organischen Abfällen herstellen und kommt auch deshalb als möglicher Alternativkraftstoff in Betracht. Das Problem besteht allerdings nicht allein in der Umrüstung des Motors, sondern mehr noch in der ausreichenden Bereitstellung und im Aufbau einer eigenen Infrastruktur für den Treibstoff.

Zukunftsperspektiven: alternative Antriebe wichtiger denn je

Welcher alternative Antrieb zu welchem Zeitpunkt den Vorzug erhält, hängt von verschiedenen Faktoren ab: von der Verfügbarkeit des jeweiligen Treibstoffs, von gesetzlichen Bestimmungen und Steuerbegünstigungen, vom jeweiligen Stand der Technik und von den Reizthemen der Umweltdebatte. Mittlerweile gibt es Dieselmotoren, die mit Nachbehandlung nicht weniger als Erdgasmaschinen den EEV-Werten entsprechen. Dabei stellt sich die Frage, ob es angesichts einer großen Anzahl von Altfahrzeugen, die ein Vielfaches dieser Emissionen abgeben, überhaupt sinnvoll sein kann, immer tiefere Werte für Stickoxid- und Partikelemissionen anzusetzen.

Es sind im Wesentlichen zwei Gründe, die eine weitere Erforschung alternativer Antriebe nötig machen: Zum einen sind die Vorräte fossiler Energieträger begrenzt. Zwar unterscheiden sich die Rechenmodelle, die vom Auffinden neuer Reserven ebenso abhängig sind wie vom zusätzlichen Verbrauch durch neue, rapide wachsende Volkswirtschaften. Doch am Ende dieses Jahrhunderts dürfte zumindest die Erdöl- und vielleicht auch die Erdgasproduktion ihren Höhepunkt überschritten haben. Mobilität weiterhin zu gewährleisten, heißt daher, nach neuen Antriebsalternativen Ausschau zu halten.


Daimler übergibt erste Brennstoffzellenbusse in Deutschland an die Hamburger Hochbahn AG.

Zudem stellt sich immer mehr heraus, dass neben den bisher ins Auge gefassten Emissionen der Umgang mit dem Treibhausgas CO2 künftig eine immer wichtigere Rolle spielen wird. In der Bilanz lassen sich aber die Kohlendioxidemissionen nur reduzieren, wenn anstelle fossiler Brennstoffe nachwachsende Energieträger, so genannte BTL-Kraftstoffe (Biomass-to-liquid) zum Einsatz kommen, da das Wachstum der Pflanzen genau so viel CO2 bindet, wie bei der Verbrennung anschließend wieder frei wird.

Neben Biodiesel aus Rapsöl, das allerdings niemals in ausreichender Menge zur Verfügung stehen wird, kommen hier zum einen Ethanol und Methanol in Betracht, die erneut an Reiz gewinnen könnten. Dagegen steht – von Sonderfällen wie Brasilien und neuerdings Schweden abgesehen – dass eine eigene Tankstellenstruktur aufgebaut werden müsste, was sich wirtschaftlich wohl nur in wenigen Ländern rentiert. Ähnliches gilt auch für weitere mögliche Treibstoffe wie Dimethylether.

Daneben wird bald auch synthetisches Dieselöl, hergestellt aus Abfällen der Holz- und der Landwirtschaft, in größerem Umfang zur Verfügung stehen. Das Unternehmen arbeitet auf diesem Gebiet seit 2002 mit der Firma Choren aus Freiberg zusammen, das den auch unter dem Markennamen SunDiesel bekannten Treibstoff demnächst in großindustriellem Maßstab herstellen wird. Wie Biodiesel erfordert auch synthetisches Dieselöl keine eigene Motorenentwicklung, sondern lässt sich dem herkömmlichen Dieselöl zumischen oder auch allein in einem gewöhnlichen Dieselmotor verwenden. Eine gesonderte Infrastruktur entfällt.

Freilich kann zum gegenwärtigen Zeitpunkt niemand sagen, ob auf diese Weise genügend Treibstoff zustande kommt, um langfristig die fossilen Energieträger zu ersetzen. Es wäre daher leichtsinnig, auf die Untersuchung weiterer möglicher Lösungen zu verzichten, und die Daimler AG steht hier als Weltmarktführer in einer besonderen Verantwortung. Wenn es gelingt, genügend Wasserstoff durch Elektrolyse aus regenerativ erzeugtem Strom herzustellen, könnte tatsächlich der Brennstoffzelle eine große Zukunft bevorstehen.

Allerdings sind die Hoffnungen, die durch die schnellen Fortschritte vom NECAR 1 bis zum NEBUS und zum NECAR 5 geweckt wurden, inzwischen einer gewissen Ernüchterung gewichen. Eine abschließende Energie- und Umweltbilanz muss grundsätzlich vom Gesamtsystem ausgehen. Die Vision neuer Omnibus-Verkehrssysteme aus den siebziger Jahren gewinnt hier unerwartet an Aktualität.

Schließlich zeigt sich, dass gerade die Synergien aus der Entwicklung verschiedener Systeme zu neuen Lösungen führen. So profitierten die Brennstoffzellenbusse von der Entwicklung neuer Druckspeicher, wie sie zuvor bereits bei Erdgasbussen Verwendung finden. Um den Brennstoffzellenantrieb serientauglich zu machen, müsste er in ein konsequentes Energiemanagement einbezogen werden, wie es im Bereich des hybriden Antriebs entwickelt wurde.


Mercedes-Benz Citaro G Bluetec Hybrid

Zugleich treten neue Speichersysteme wie die Lithium-Ionen-Batterie und die Brennstoffzelle in einen Wettbewerb, dessen Ausgang noch nicht entschieden ist. Die künftige Entwicklung wird also nicht zuletzt davon abhängen, alle möglichen Optionen konsequent weiter zu verfolgen, um gegebenenfalls aus der Kombination neue Lösungen zu entwickeln.


Fotos und Text:
Daimler AG


admin


gedruckt am 01.06.2020 - 02:13
http://www.omnibusarchiv.de/include.php?path=content&contentid=444