Worauf muss alles geachtet werden, um ein Fahrzeug effizient und sinnvoll zu elektrifizieren? Die Frage lässt sich schnell beantworten: Auf Vieles! Vor Allem auf parasitäre Wechselwirkungen einzelner Komponenten und auf die richtige Auslegung für den angestrebten Einsatzzweck sowie das geplante Lastprofil. Wird hierbei optimal geplant, lassen sich wesentliche Vorteile bzgl. Wirtschaftlichkeit und Effizienz realisieren. Denn: DIE richtige Auslegung des Antriebsstranges gibt es nicht. Um die bestmögliche Lösung für ein spezifisches Projekt zu finden, empfiehlt sich die Konsultation eines Systemanbieters wie ARADEX, der aus einer Vielzahl unterschiedlicher Optionen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen und des Anforderungsprofils eine ausgeklügelte Lösung erarbeitet. Anhand der Energieversorgung eines 18 Tonnen schweren Elektrobusses wird im Folgenden die Unterschiedlichkeit in den Anforderungen erläutert.

Energieversorgung ausschließlich über eine Batterie

Der in Serie produzierte, mit ARADEX Leistungselektronik ausgestattete, rein Batterie betriebene Elektrobus liefert folgendes Lastprofil: Während einer Tagesschicht von durchschnittlich 11 Stunden und 40 Minuten im Stadtverkehr hat dieser einen Leistungsbedarf von durchschnittlich 0,67 kWh pro Kilometer und ist damit europaweit der effizienteste Elektrobus. Die erforderliche Energie bezieht der Bus aus einer 200 kWh Lithium-Eisenphosphat Batterie. Durch den effizienten Verbrauchswert und die hervorragenden Rekuperationseigenschaften der ARADEX-Leistungselektronik ergibt sich aus den aufgezeichneten Lastprofilen im Tagesbetrieb eine Rekuperationsrate von bis zu 40%. Somit kann der Bus mit einer Batteriekapazität von 200 kWh bis zu 400 km fahren ohne am Depot aufgeladen werden zu müssen.

Betrieb mit Brennstoffzelle als Range Extender

Doch was, wenn eine größere Reichweite realisiert werden soll, ohne dabei größere und schwerere Batterien verbauen zu müssen? Da sich die Lebensdauer von Brennstoffzellen bei Nutzung unter möglichst konstanter Leistung (bei ca. 80% der Maximalleistung) erheblich verlängern kann (bis zu 1,7 fache Lebensdauer) und Brennstoffzellen pro kWh meist teurer sind als Batterien, eignet sich die Brennstoffzelle vor allem für die Leistungszuführung im mittleren Lastbereich. In diesem Szenario würde die Batterie die Leistungsspitzen abdecken. In dem Beispiel des 18 Tonnen schweren Omnibusses, der im Stadtverkehr eingesetzt wird, ergeben sich Spitzenleistungen bis 250 kW und eine recht konstante mittlere Leistung von 18 kW.

Für die Dimensionierung von Batterie und Brennstoffzelle ist es nun entscheidend, wie lange die Batteriepufferzeit gewählt wird. Soll diese beispielsweise 60 Minuten betragen, bietet sich bei dieser Anwendung die 25 kW Brennstoffzelle in Kombination mit einer Li-Fe-Po oder NMC-Batterie an. Um welchen Faktor die Batterie dabei kleiner gewählt werden kann, hängt neben der Kapazität der Brennstoffzelle auch vom geplanten Streckenprofil ab. Im vorliegenden Fall nehmen wir eine Verkleinerung um den Faktor 2,5 an. Somit würde statt einer 300 kWh Batterie eine 25 kW Brennstoffzelle (über ARADEX erhältlich: PM Modul S25 von "Proton Motor") und eine 125 kWh Batterie eingesetzt, zusätzlich wird ein DC/DC Wandler zur Anhebung der Ausgabespannung der Brennstoffzellen benötigt. Hier bietet ARADEX mit der Produktlinie VP5000 überaus effiziente und regelungsschnelle Lösungen an.

Vorteile durch eine Brennstoffzelle als Range Extender wäre somit die Möglichkeit einer schnelleren Betankung. Hierfür müssen ein komplexeres System sowie geringe Effizienzverluste durch die zusätzlich erforderliche Energiewandlung hingenommen werden.

Fazit

Der für das Beispiel ausgewählte Elektrobus hätte auch mit einer Brennstoffzelle als Range Extender bestückt werden können, wodurch die Batterie hätte kleiner dimensioniert werden können. Um hier jedoch die anwendungsspezifisch beste Lösung zu finden, müssen verschiedene Aspekte genauestens betrachtet und in die Berechnungen mit einbezogen werden. Dazu zählen neben den oben bereits erwähnten Wechselwirkungen der Komponenten die gewünschte Reichweite, Lade-/Betankungszeiten, Lade-Infrastruktur, Streckenprofil, Anschaffungskosten, Effizienzwerte sowie Preise für Strom bzw. Wasserstoff. Hierbei gilt: Je präziser das Anforderungsprofil der Anwendung dargestellt werden kann, desto exakter kann die Antriebstechnologie hierfür optimiert werden.
Die Frage, welche Lösung die vorteilhaftere ist, lässt sich also nicht universell beantworten, sondern hängt von der spezifischen Anwendung und dem jeweiligen Lastprofil ab. Als Systemanbieter bietet die ARADEX AG Lösungen für nahezu alle Anforderungen und Lastprofile. Um den Antrieb der jeweiligen Anwendung optimal zu dimensionieren und auszulegen, prüfen und berechnen die ARADEX-Ingenieure diesen unter Berücksichtigung verschiedener Wechselwirkungen und der geplanten Anforderungen.