Brennstoffzelle: Potenziale heben fürs Fernbus-Segment

Der Brennstoffzelle wird im Fernverkehr einiges zugetraut. Mit Freudenberg beteiligt sich ein bekanntes deutsches Technologieunternehmen an der Weiterentwicklung des Brennstoffzellenantriebs speziell für das Fernbus-Segment. Im Interview skizziert der verantwortliche Manager Michael Milch das Potenzial von Wasserstoff auf großen Distanzen.

Freudenberg hat sich als Schmiede für Einzelkomponenten bis hin zu integrierten Systemen einen Namen gemacht. Im Portfolio: allerhand Komponenten für E-Mobilitätsanwendungen – vom Entlüftungsventil für Batterien bis zum vollständigen Brennstoffzellensystem für Schiffe. Als Konsortialführer richtet das Unternehmen seit Neuestem einen Fokus speziell auf die Adaption der Brennstoffzelle für Fernbus-Anwendungen. Dazu besteht im Projekt HyFleet seit Kurzem eine Kooperation mit ZF Friedrichshafen, FlixBus und einem namentlich nicht genannten europäischen Bushersteller.

Im Interview sprechen wir mit Michael Milch, Freudenbergs Leiter Sales & Marketing für das Brennstoffzellengeschäft und Kopf hinter dem Projekt HyFleet, über die Wettbewerbsfähigkeit und das Entwicklungspotenzial von Wasserstoff im Fernbus-Segment und im weiteren Nutzfahrzeug-Bereich. Er klärt auf, wo es bei der Brennstoffzelle Nachholbedarf gibt, wie offen der Markt für die neue Antriebsart ist und welche Technologiesprünge wir bis 2030 erwarten können.

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Herr Milch, Freudenberg liefert bereits seit Jahren Brennstoffzellen-Komponenten für Lkw, Schiffe und weitere Heavy-Duty-Anwendungen. Warum lässt sich diese Erfahrung nicht einfach eins-zu-eins auf Brennstoffzellen-Fernbusse übertragen?

Gut erkannt. Freudenberg hat im Bereich nachhaltiger Technologien über 25 Jahre Erfahrung. Komponentenseitig sind wir sowohl in den Bereichen Batterie als auch Brennstoffzellen-Technologie aktiv – und zwar sowohl mit Blick auf Pkw-Anwendungen als auch im stationären Bereich und Heavy Duty wie zum Beispiel im maritimen Sektor. Als Technologieunternehmen mit hohem Wertschöpfungsanteil wissen wir, wo die einzelnen Branchen innerhalb der Technologie-Roadmap stehen und wo sie hin müssen. Im Heavy-Duty-Bereich – zu dem Fernbusse gehören – sehen wir, dass die Brennstoffzellen-Technologie noch adaptiert werden muss. Denn heutige Brennstoffzellensysteme stammen vor allem aus der Pkw-Entwicklung und besitzen eine komplett andere Zielstellung.

Wie macht sich das bemerkbar?

Unter anderem an der Lebenszeit der BZ-Systeme: Bei Pkw wird eine Mindestbetriebsdauer von 5.000 bis 8.000 Stunden angesetzt. Für Heavy-Duty-Anwendungen erwarten Kunden dagegen 35.000, im maritimen Sektor bis zu 50.000 Stunden. Das hängt mit den unterschiedlichen Anforderungsprofilen an die Anwendung zusammen: Pkw fahren am Tag manchmal nur eine Stunde und stehen 23 Stunden still. Aber Heavy-Duty-Fahrzeuge müssen Geld verdienen. Stillstand kostet Geld. Das Stichwort lautet Total Cost of Ownership (TCO). Deshalb fokussieren wir uns bei Freudenberg darauf, Brennstoffzellen-Fahrzeuge im Fernverkehr technisch und kommerziell wettbewerbsfähig zu machen.

Welche Faktoren ähneln sich konkret bei Brennstoffzellen-Fernbussen und anderen BZ-Nutzfahrzeugen, etwa Stadtbussen? Und wo müssen für BZ-Fernbusse Innovationen her?

Neben der Lebenszeit des Brennstoffzellensystems ist die Effizienzerwartung mit Blick auf den Kraftstoffverbrauch ein essenzieller Punkt bei Heavy-Duty-Anwendungen. Das gilt für Fernbusse gleichermaßen wie für Lkw. Genau genommen muss die Kombination aus Lebenszeit und Effizienz optimiert werden. In der Folge muss das BZ-System für diese Fahrzeuge eine Heavy-Duty-Design-Strategie verfolgen und standardisiert werden. Was Stadtbusse angeht: Die Anforderungen an solche Busse fallen wesentlich differenzierter aus, einige müssen nur 100 Kilometer, andere 400 Kilometer am Tag zurücklegen – dies bei unterschiedlichen Topografien. Auch das ist Heavy-Duty.

Ziel von HyFleet ist die Entwicklung eines „langstreckentauglichen Antriebsstrangs“, von welchen Distanzen reden wir genau?

Die Ausgangsfrage ist: Wie viel Energie kann ich ins Fahrzeug bringen und wie ist es um die Tankinfrastruktur beschaffen, das heißt: Wie schnell kann ich beim Tankvorgang Energie erneut ins Fahrzeug bringen? Die Reichweite wird dann über die an Bord befindliche Energie in Kombination mit der Effizienz des Antriebsstrangs definiert. Wir beschäftigen uns deshalb in HyFleet damit, die Effizienz bei Brennstoffzellensystemen zu steigern und dann – das ist nicht zu unterschätzen, es existieren erhebliche Unterschiede im Markt – auch über die gesamte Lebenszeit hoch zu halten. Konkret reden wir von notwendigen Reichweiten ab 500 Kilometern mit einer Tankfüllung. Das ist der Anspruch der Kunden und das ist ein Wert, der auch mit den heutigen Möglichkeiten zu schaffen ist. Davon zu unterscheiden sind zukünftig mögliche Reichweiten. Im eng verwandten Fern-Lkw-Bereich liegen etwa Forderungen in der Größenordnung von 1.000 Kilometer ohne Tankstopp auf dem Tisch, die aus Dieselanwendungen abgeleitet werden. Diese Zielsetzung ist erreichbar. Die Zulieferindustrie für die H2-Speicherung an Bord (flüssig als auch gasförmig bei unterschiedlichen Druckniveaus) investiert deutlich. Freudenberg trägt seinen Teil bei, fokussiert sich auf hocheffiziente – verbrauchsarme – und langlebige Brennstoffzellensysteme und kann mit diesem hohen Innovationstempo umgehen.

Was können Sie uns zu dem geplanten BZ-System für Fernbusse ansonsten bereits an technischen Daten verraten? Wie viel lässt sich am BZ-System selbst optimieren, welche Rolle spielt das Antriebs-Ökosystem, etwa das Right-Sizing zwischen Brennstoffzelle und Batterie, das Kühlsystem, die Software, die Leistungselektronik, etc.?

Oberste Priorität hat das Ziel, die Degradationsmechanismen in Schach zu halten, um eine Lebenszeit des Brennstoffzellensystems von 35.000 Stunden zu erreichen und gleichzeitig die Effizienz dauerhaft auf ein schwerlasttaugliches Niveau zu bringen. Der Wirkungsgrad der Systeme in Pkw liegt oft bei lediglich 40 Prozent bei nominaler Last. Für Heavy-Duty-Anwendungen wollen wir mit der Optimierung des BZ-Stack und weiteren Adaptionen einen Wirkungsgrad unter Berücksichtigung der kompletten Balance of Plant (DCDC, Kompressor sowie LT&HT-Pumpen) von mindestens 50 Prozent beim nominalen Lastpunkt erzielen. Das sind absolut zehn Prozentpunkte Differenz, macht bei der Kraftstoffeffizienz relativ gesehen aber einen Unterschied von 25 Prozent aus. Unser Ziel ist es nicht, beim Entwicklungsrennen die ersten auf der Straße zu sein, sondern wir wollen zum Hochlauf der Elektromobilität im Nutzfahrzeugbereich in absehbarer Zeit ein reifes Produkt anbieten können, das Flottenbetreibern erhebliche TCO-Vorteile verschafft.

Und zur Frage des Antriebs-Ökosystems: Jedes Subsystem muss seinen Beitrag leisten, um Lebenszeit und Effizienz des Gesamtsystems zu optimieren. Darüber hinaus sind wir überzeugt, dass Batterien und Brennstoffzellen dabei im Fernbus- und Truckbereich zusammen – als hybridisierter Antriebsstrang – zum Einsatz kommen sollten. Es sind komplementäre Lösungen, weshalb wir beide Technologien in-house vorantreiben. Die Kunst ist, das optimale Fitting zu finden, also die Größe und das Zusammenspiel beider Systeme per innovativem Energiemanagementsystem ideal aufeinander abzustimmen. Ein Beispiel: Wenn ein Truck bergauf fahren muss, arbeitet er kurzzeitig im hohen Powerbereich. Optimal wäre dann, wenn das Brennstoffzellensystem weiter die Basispower liefert, ohne zu hohe Dynamiken abzurufen und in der Folge an Effizienz und Lebenszeit einzubüßen. Die Batterie sollte in diesem Moment ergänzend ihre Stärke ausspielen und schnell, für kurze Zeit zusätzliche Power bereitstellen. Diese Abstimmung angepaßt auf jede Fahrsituation ist eine wichtige Herausforderung der kommenden Jahre

Warum sollte die von Ihnen beschriebene Konfiguration dem reinen Batterieantrieb bei Fernbussen überlegen sein? Bushersteller VanHool hat beispielsweise kürzlich erst einen Batterie-elektrischen Doppeldecker-Reisebus vorgestellt.

Wir sind technologieoffen und sehen keinen Wettbewerb zwischen Batterie und Brennstoffzellen. Aber wir führen mit Kunden durchaus ergebnisoffene Diskussionen über die verschiedenen Antriebstechnologien – vor allem mit Blick auf die Reichweite bzw. den spezifischen Use-Case. Dass wir aktuell vor allem Batterie-elektrische Fahrzeuge sehen, überrascht nicht. Das hängt damit zusammen, dass der technologische Reifegrad in diesem Bereich höher ist. Die Brennstoffzelle als Antrieb in Heavy-Duty-Anwendungen muss noch weitere Entwicklungsschritte machen. Der Rückstand im Reifegrad zur BEV-Technologie lässt sich aber bis Mitte des Jahrzehnts aufholen.

Für BZ-Antriebe im Fernverkehr spricht unter anderem das schnellere Tanken gegenüber dem Stromladen. Betreiber können es sich nicht erlauben, Fahrzeuge während des Ladevorgangs längere Zeit im Stillstand zu haben. Weiterhin ist es auch eine Frage des Flächenbedarfs, ob man sehr große Ladeparks für Nutzfahrzeuge schafft, an denen dann beispielsweise sechs Lkw an sechs Ladesäulen eine Stunde lang laden müssen und für diese Zeitdauer nicht einsatzfähig sind. Oder ob man eher nur eine H2-Tanksäule baut, die in einer Stunde sechs Fahrzeuge versorgen kann, jedoch mit dem signifikanten Unterschied, dass alle zehn Minuten ein Lkw vollgetankt ist und wieder umgehend seinen Job erledigen kann. Eine steigende Anzahl von Fahrzeugen braucht auch eine wachsende Tankstelleninfrastruktur. Beim Brennstoffzellenantrieb ist das Tanken einfacher und kosteneffizienter, bei geringerem Flächenbedarf. Solche Überlegungen hinsichtlich Flächen- und Kostenbedarf der Infrastruktur sind aktuell noch nicht sehr präsent, da bisher nur wenige elektrifizierte Nutzfahrzeuge unterwegs sind, aber sie werden an Relevanz gewinnen.

Wie schätzen Sie den Transformationswillen der Fernbus-Betreiber ein? Und wie offen stehen Fernbus-Hersteller der neuen Technologie gegenüber?

Wir treffen auf viel Offenheit. Es gibt eine große Bereitschaft, Prototypen zu testen beziehungsweise Geld in Fahrzeuge zu stecken, von denen bekannt ist, dass sie noch Optimierungsbedarf haben. Die Entwicklung wird toll flankiert von inzwischen definierten Regularien. Die Engstellen sehen wir derzeit klar bei den OEMs, also bei der Bereitstellung der Fahrzeuge. Dieser Bereich ist mit hohem Investitionsaufwand verbunden und Mittel sind begrenzt, was zu einer Priorisierung im zeitlichen Verlauf führt. Mit dem Projekt HyFleet wollen wir aber einen Beitrag leisten. Wichtig sind Partner mit ähnlichem Mindset, die die Auffassung teilen, wo man in der Technologie-Roadmap steht und wo man hin will – und die bereit sind, zielgerichtet Geld und Zeit zu investieren. Strategische Kooperationen sind essenziell für den schnellen Weg in die Serie.

Worin sieht Freudenberg konkret die Chancen des Projekts HyFleet für sich? Gehen Sie davon aus, dass Erkenntnisse später auch wieder auf andere Nutzfahrzeug-Sektoren rückübertragbar sind?

Die erste Phase von HyFleet widmet sich der technischen Entwicklung eines für Fernbusse adaptierten Brennstoffzellensystems. Dieses Thema weist eine hohe Übertragungsfähigkeit auf – insbesondere mit Blick auf Trucks, aber auch hinsichtlich Stadt- und Überlandbussen bis hin zum Off-Road-Bereich. Zu beachten ist natürlich, dass die Integration der Technologie in die spezifischen Bauformen der Modelle und applikationsspezifischen Begebenheiten auch weiterhin stets individuelle Adaptionen erfordern wird.

Sie engagieren sich auch in einem Konsortium namens „StasHH“, um erstmals eine europäische Norm für Brennstoffzellenmodule für Schwerlastanwendungen zu erarbeiten, zu entwickeln und zu testen. Wofür braucht es solch einen Standard?

Die Diskussion zwischen Industrieakteuren ist wichtig, um zu klären, inwiefern und in welchen Bereichen sich eine Standardisierung realisieren lässt. Ein Beispiel: Kann man sich auf ein bestimmtes Spannungsniveau einigen, lassen sich davon bestimmte Steckertypen ableiten, was wiederum für die Zulieferer von großer Bedeutung ist. Der Gegenentwurf wären Sonderanfertigungen für alles und jeden. OEMs und Systemanbieter als auch Endanwender haben also bereits aus Kosteneffizienz-Gründen ein großes Interesse an Standardisierung. Das gilt auch für Fragestellungen der Homologation, Zertifizierung usw.

Wie sehen Sie Europa im Vergleich zu anderen Überseemärkten in puncto Elektrifizierung des Fernbus-Sektors aufgestellt?

Wir sehen Europa bei der Elektrifizierung generell sehr gut aufgestellt. Europa dominiert nicht umsonst den Automobilbereich und besitzt die Fähigkeit, anspruchsvolle Technologien in Großserie zu industrialisieren. Während es bei der Batterietechnologie schwierig wird, gegenüber Asien die Leadership-Position zurückzugewinnen, beurteilen wir das Rennen bei der Brennstoffzellentechnologie noch als völlig offen. Das Investment ist massiv, was uns zuversichtlich macht, dass BZ-Technologien künftig aus Deutschland und Europa in die Welt exportiert werden. Die Elektrifizierung des Fernverkehr-Sektors steht und fällt mit dem Reifegrad der Technologie, der kosteneffizient industrialisiert werden muss. Einer weiteren Kernkompetenz von Freudenberg.

Und zum Schluss eine kleine Prognose: Wann sehen wir mit Wasserstoff angetriebene Fernbusse in größerer Stückzahl auf unseren Straßen?

Das lässt sich ganz gut am Zeitfenster des HyFleet-Projekts bemessen: Kurz nach Projektende der ersten Phase, in 2025 plant Flixbus beispielsweise, mindestens 50 Brennstoffzellen-Fahrzeuge in seine Flotte aufzunehmen. Bis 2027/28 rechnen wir mit einem weiteren technologischen Entwicklungssprung bei der Brennstoffzellentechnologie, was uns zu der Annahme führt, dass noch vor 2030 die TCO-Parität mit Diesel-Pendants erreicht werden kann – und damit die technische und kommerzielle Wettbewerbsfähigkeit. Kurzum: Um 2030 werden wir Diesel im Truck- und Fernbusbereich nicht mehr vermissen.

Herr Milch, besten Dank!

Über HyFleet

Im vergangenen Herbst haben Freudenberg Fuel Cell e-Power Systems, ZF Friedrichshafen, FlixBus und ein namentlich nicht genannter OEM das Forschungsprojekt HyFleet gestartet. Bis 2024 wollen die Partner ein Brennstoffzellen-Antriebssystem für Fernbusse entwickeln. In der ersten Phase des auf drei Jahren angelegten Vorhabens wollen die Partner den Fokus auf die technische Performance der Brennstoffzelle legen. Dies beinhaltet unter anderem die Optimierung des Dauerbetriebsverhaltens des Brennstoffzellen-Systems auf eine Mindestbetriebsdauer von 35.000 Stunden. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt sind die Hybridisierungsstrategien für den Antriebsstrang, dem sogenannten „Right-Sizing“ zwischen Brennstoffzelle und Batterie.

Konsortialführer Freudenberg initiiert bereits seit 2018 verschiedene Kooperationsprojekte mit namhaften Partnern zur Entwicklung von Brennstoffzellensystemen für den Heavy-Duty-Bereich. Unter anderem ist das Unternehmen Technologiepartner beim „Pa-X-ell2“-Projekt, dessen Ziel die Entwicklung einer neuen Generation von Brennstoffzellen für den Einsatz auf Hochsee-Passagierschiffen ist. Außerdem besteht auch außerhalb des HyFleet-Projekts eine Partnerschaft mit ZF zur Entwicklung weiterer Brennstoffzellenlösungen für Mobilitätsanwendungen und den industriellen Einsatz.