download (PDF, 20,4 KB) - Fachgebiet Energiesysteme - TU Berlin

HyFLEET:CUTE – Wasserstoffbusse im Berliner Personennahverkehr
Burkhard Eberwein / Georg Erdmann / Henning Niemeyer
Weltweit einmalig sind die Aktivitäten, die in zehn Metropolen, darunter Berlin, als EU-
Projekt gestartet wurden, um mit dem Einsatz von Wasserstoffbussen die
Nachhaltigkeit des öffentlichen Personennahverkehrs und damit die innerstädtische
Mobilität in Zeiten von Ressourcenverknappung und Klimawandel sicherzustellen.
Das von der EU-Kommission geförderte Projekt HyFLEET: CUTE umfasst den Betrieb von
47 Wasserstoffbussen im regulären öffentlichen Nahverkehr in zehn Städten auf drei
Kontinenten. Das Ziel des dreijährigen Projekts ist die Entwicklung und Demonstration der
Vorteile von Wasserstoffantriebskonzepten für Stadtbusse sowie von Technologien und
Verfahren für die Produktion und Abgabe von Wasserstoff. Auf europäischer Ebene
kooperieren 31 Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft, darunter auch die TU Berlin.
Die wichtigsten in Berlin beteiligten Unternehmen sind neben unserer Universität die Berliner
Verkehrsbetriebe BVG, MAN-Neoman, Total Deutschland und die Vattenfall Europe.
Die Aufgaben der Berliner Projektpartner umfassen den Aufbau einer leistungsfähigen
Wasserstofftankstelle sowie den regulären Einsatz von insgesamt 14 mit Wasserstoff
betriebenen Omnibussen im öffentlichen Nahverkehr der Stadt Berlin. Die TU Berlin ist mit
einer Konzeptstudie für DME-Wasserstofferzeugung (aus Dimethylether), Brennstoffzellen-
Messprogrammen, deren Auswertung sowie einem sozialwissenschaftlichen
Akzeptanzprojekt beteiligt.
Wasserstoff tanken
Bereits kurz nach dem Start des ambitionierten Projekts wurde im März 2006 die von der
TOTAL Deutschland betriebene Wasserstofftankstelle an der Heerstraße in Berlin-Spandau
eröffnet. Der Wasserstoff wird hier sowohl tiefkalt-flüssig als auch als Druckgas (CGH 2 ) für
Betankungen bis 350 bar bereitgestellt. Die Anlieferung von Flüssigwasserstoff (LH 2 ) erfolgt
mit Tankfahrzeugen aus Ingolstadt. Die H 2 -Betankungseinrichtungen verfügen jeweils über
Zapfsäulen für flüssigen und gasförmigen Wasserstoff im öffentlichen Teil der Tankstelle
sowie auf dem angrenzenden BVG-Betriebshof. Damit ist die Möglichkeit gegeben, sowohl
PKW im öffentlichen Bereich als auch Busse der Berliner Verkehrsbetriebe auf deren eigenen
Betriebshof zu betanken.
Der Wasserstoff wird vor Ort durch die Reformierung von LPG (Liquefied Petroleum Gas =
Autogas) erzeugt. Ein Dampfreformer produziert mit einer Erzeugungsleistung von 100m³/h
durch thermische Spaltung von LPG Wasserstoff von so hoher Reinheit, dass dieser auch in
Brennstoffzellen eingesetzt werden kann.
Daneben kann CGH 2 durch Verdampfung von LH 2 erzeugt werden. Der Flüssigwasserstoff,
welcher bei 2 bar in einem 17.600 l fassenden Tank gelagert wird, wird über einen
luftbeheizten Verdampfer in die Gasphase überführt und einem Vorverdichter, der zwischen
Verdampfer und High-Booster-Verdichter installiert ist, zugeführt. Hier wird mittels eines
Kreiselverdichters der Druck auf ca. 25 bar erhöht, ehe das Gas an den Hauptverdichter
weitergeführt wird.
Sobald die Wasserstoffnachfrage die Reformerkapazität übersteigt, können beide
Erzeugungspfade parallel beschritten werden. Die Anlagensteuerung ist so gestaltet, dass
Abdampfungen im LH 2 -Tank dem Vorverdichter zugeführt werden. Die Anlage kann hiermit
nahezu verlustfrei arbeiten.
Zusätzlich hat TOTAL gemeinsam mit Vattenfall Europe zwei Brennstoffzellen installiert, die
aus überschüssigen Abdampfungen elektrischen Strom und Wärme für den Tankstellenshop
erzeugen. Die elektrische Leistung der Brennstoffzellen beträgt jeweils 5 kW. Die

Brennstoffzelle des Herstellers Axane ist luftgekühlt und wird nur zur Stromerzeugung
genutzt während die Brennstoffzelle des Herstellers EPS wassergekühlt ist und neben
elektrischem Strom auch Wärme bereitstellt.
Für größere Busflotten stößt aber die verfügbare Technik schnell an ihre Leistungsgrenze, so
dass die Installation eines innovativen Ionenverdichters in 2007 geplant ist. Dieser Verdichter
arbeitet ähnlich einem Kolbenverdichter, nutzt aber anstelle des Kolbens eine ionische
Flüssigkeit zur Trennung von Hydraulikflüssigkeit und Wasserstoff. Die Vorteile sind ein
deutlich gesenkter Reibungsverlust im Verdichter und eine damit einhergehende deutliche
Leistungserhöhung. Aufgrund der geringeren mechanischen Belastungen wird von einer
höheren Zuverlässigkeit dieser Technologie ausgegangen.
Mit Wasserstoff fahren
Die von Neoman im Rahmen des Projekts aufgebaute Busflotte setzt sich aus vier Bussen mit
Saugmotorantrieb und zehn mit aufgeladenen Turbo-Motoren zusammen. Die grundlegende
Funktionsweise der MAN-Wasserstoffverbrennungsmotoren entspricht weitgehend den
bewährten Erdgasmotoren. Obwohl Wasserstoff keine Kohlenstoffatome enthält emittiert der
Motor Kohlenwasserstoffverbindungen, Kohlenmonoxid, Stickoxide und Partikel in sehr
geringem Maße. Diese Mengen sind auf den beim Verbrennungsmotor unvermeidlichen
Ölverbrauch sowie die Verbrennung mit der Umgebungsluft zurückzuführen.
Die Abgasemissionen des Wasserstoffmotors liegen weit unterhalb der ab 2008 geltenden
Euro-5-Norm und erfüllen damit bereits heute zukünftige Abgasstandards.
Der Saugmotor leistet 150 kW, der Turbomotor 200 kW. Bei den bereits im Einsatz
befindlichen vier Omnibussen sind die wasserstoffrelevanten Ventile im Motorraum
untergebracht. Dazu gehört ein Hochdruckregler, der hinter einem Magnetsperrventil
angeordnet ist, und den Wasserstoff vom maximalen Tankspeicherdruck von 350 bar auf 5,5
bar entspannt.
Anschließend folgt ein Niederdruck-Sicherheitsventil, das bei 10 bar Überdruck öffnet und
das Gas über eine Rohrleitung über dem Fahrzeugdach ins Freie ableitet. Dadurch wird
verhindert, dass bei einem fehlerhaft arbeitenden Hochdruckregler Beschädigungen am
Niederdruckteil auftreten.
Der für den Betrieb des Wasserstoffverbrennungsmotors benötigte gasförmige Wasserstoff
wird in zehn auf dem Dach des Busses montierten Druckbehältern mit jeweils 205 Litern
Fassungsvermögen gespeichert. Der maximale Betriebsdruck beträgt 350 bar bei einer
Nenntemperatur von 15 °C, die Gasamtkapazität beträgt 2.050 l (= rd. 45 kg) Wasserstoff.
Die zugehörige Betankungseinheit ist zentral unter einer Klappe neben der vorderen Tür
angebracht. Nachdem der Befüllungsstutzen auf den Füllanschluss aufgesetzt und der
Absperrhahn zum Speichersystem geöffnet wurde, kann der Wasserstoff in die Druckbehälter
strömen. Der Befüllzustand kann über ein zugehöriges Manometer kontrolliert werden.
Zur Instandsetzung der Busse dient eine speziell für die Wasserstoffbusse konzipierte
Werkstatt. Die dort durchzuführenden Wartungsarbeiten werden grundsätzlich unterschieden
in Arbeiten am Gassystem und sonstigen Arbeiten. Nur bei Schweißarbeiten wird das
Gassystem zusätzlich inertisiert, die Anlage von Wasserstoff entleert und mit Stickstoff
gespült.
Bei sonstigen Wartungsarbeiten werden keine Vorkehrungen getroffen, da mit gasförmigem
Wasserstoff betriebene Omnibusse als betriebsmäßig dichtes System gelten. Für das
Werkstattpersonal wird durch Hinweis-, Verbots- und Gefahrenschilder im Bereich der
allgemeinen Anlagentechnik auf die einschlägigen Gefahren im Umgang mit brennbaren
Gasen hingewiesen. Sollte im Havariefall Wasserstoff austreten, spricht das Schutzkonzept
der Gebäudetechnik über die Wasserstoffsensorik an. Die Reparaturhalle wird kontinuierlich,
auch zu Nachtzeiten, durch eine Be- und Entlüftungsanlage einer natürlichen dreifachen
Luftwechselrate je Stunde unterzogen. Der Steuerung der Lüftungsanlage vorgeschaltet, sind

in der Halle befindliche Gassensoren, die bei erhöhter Wasserstoffkonzentration (80 Prozent
unter Explosionsschwellenwert) das Signal zu einer Erhöhung der Luftwechselrate auf den
fünffachen Faktor je Stunde anheben. Somit wird dem Entstehen einer explosionsfähigen
Atmosphäre entgegengewirkt.
Akzeptanz von Wasserstoffbussen
Für die Betreiber von Wasserstoffbussen ist die Akzeptanz der Kunden natürlich von zentraler
Bedeutung. Die allgemeine Akzeptanz von Wasserstofftechnologien in der Bevölkerung ist
für eine zukünftige Nutzung entscheidend. Nur wenige Experten verfügen über ein
grundlegendes Verständnis zu Wasserstofftechnologien und können entsprechend die mit
dieser Innovation verbundenen Technikfolgen beurteilen. Demgegenüber hat die
überwiegende Mehrheit der Bevölkerung ein nur begrenztes Wissen über Wasserstoff-
Techniken. Zwar haben derzeit nur etwa 10 Prozent der Bevölkerung negative Assoziationen
mit Wasserstoff, doch kann sich aus dem fehlenden Wissen leicht eine gefühlsmäßige und
irrationale Beurteilung der Sicherheit und Verlässlichkeit entsprechender Technologien
entwickeln.
Ein Forschungsteam der TU Berlin hat sich deshalb in einer bereits abgeschlossenen
Untersuchung gezielt der Frage zugewendet, welche Faktoren die Einstellungsdynamik der
Bevölkerung beeinflussen. Im empirischen Teil der Studie wurden rund 3.400 Personen in
acht HYFLEET:CUTE-Städten aus sechs Ländern befragt und die Ergebnisse in eine
Datenbank abgelegt. Bei der Auswertung dieser Datensätze stellte sich heraus, dass es neben
Personen mit bereits weitgehend stabilen Einstellungen gegenüber dem Energieträger
Wasserstoff auch etwa 30 Prozent von Befragten gibt, die ihre heute zumeist positive
Einstellung durch extreme Ereignisse, beispielsweise Störfälle, plötzlich ändern könnten. Im
Rahmen der Untersuchung wurden soziale, ökonomische und kulturelle Merkmale dieser
Personengruppe identifiziert. Außerdem ist untersucht worden, wie sich dieser Personenkreis
insgesamt politisch informiert und welche Medien dabei besonders wichtig sind.
Messprogramm zur Kalibrierung
Das inzwischen begonnene Messprogramm der stationären Brennstoffzellen-Aggregate dient
dem Ziel, ein an der TU Berlin entwickeltes Modell über den Markteintritt von
Brennstoffzellen-Heizgeräten zu kalibrieren. Im Zentrum stehen das wirtschaftliche Potenzial
von stationären Brennstoffzellen sowie die Auswirkungen der Marktpenetration dieser
Technik auf die Elektrizitäts- und Wärmemärkte. Dabei geht es nicht nur um die klassischen
Fragen der Wirtschaftlichkeitsrechnung und der Umweltbilanzen, sondern auch darum,
Akteure zu identifizieren, die aus dieser innovativen KWK-Technik (Kraft-Wärme-Kopplung)
einen so großen Vorteil erwarten können, dass sie sich für die Markteinführung einsetzen
werden, wenn der Zeitpunkt der Marktreife gekommen ist.
Die von der TU Berlin übernommenen Arbeiten im Rahmen dieses weltweit einzigartigen
Projekts werden vom Fachgebiet Energiesysteme der Fakultät III mit großem Engagement
durchgeführt. Besonders hervorzuheben ist aber neben der wissenschaftlichen Bedeutung des
HYFLEET:CUTE-Projekts auch die hervorragende Zusammenarbeit der Berliner Partnern.
Burkhard Eberwein
Berliner Verkehrsbetriebe (BVG)
burkhard.eberwein@bvg.de
Prof. Dr. Georg Erdmann
Dipl.-Ing. Boris Heinz
TU Berlin

Institut für Energietechnik – FG Energiesysteme
Einsteinufer 25, 10587 Berlin
georg.erdmann@tu-berlin.de
http://www2.tu-berlin.de/~energiesysteme/
Henning Niemeyer
MVV Consulting GmbH, Berlin
h.niemeyer@consultants.mvv.de
Abbildungen:
Wasserstoffbusse in Berlin.
Die weltweit größte Wasserstofftankstelle wurde im März 2006 in Berlin-Spandau in Betrieb
genommen.
Fotos: BVG