28.02.2022

Innsbrucker Forscherteam untersucht Einsatz von Wasserstoff-Bussen in Österreich – erster Bus bereits in Wien unterwegs

Der HyBus von Hyundai bringt wasserstoffbetriebene Busse in den österreichischen Nahverkehr. Nach Wien, sollen die Busse auch andere österreichische Städte auf dem Weg zur Klimaneutralität unterstützen.
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HyBus-Konsortorium (v.l.): Nikolaus Fleischhacker, Theresia Vogel, Mari Matsuo, Andreas Solymos, Mark Perz, Peter Wiesinger © Stefan Gruber
HyBus-Konsortorium (v.l.): Nikolaus Fleischhacker, Theresia Vogel, Mari Matsuo, Andreas Solymos, Mark Perz, Peter Wiesinger © Stefan Gruber

Österreich plant bis 2040, spätestens 2050, Klimaneutralität zu erreichen. Zur Verfolgung dieses Ziels müssen auch Alternativen in der Mobilität und in der öffentlichen Infrastruktur geschaffen werden. Nun sind im österreichischen Nahverkehr erstmals Wasserstoff-Busse im Einsatz. Der ELEC CITY Wasserstoff-Bus des südkoreanischen Automobilherstellers Hyundai stellt eine Alternative zu Batterie-Bussen dar und bietet eine Möglichkeit, die vorgeschriebenen Mindestquoten von Null-Emissions-Fahrzeugen in öffentlichen Verkehrsbetrieben zu erreichen. Im Kontext eines Innsbrucker Forschungsprojekts sollen die Busse zukünftig nicht nur in Wien, sondern auch in Graz und im Zillertal eingesetzt und getestet werden. Ziel ist es, im Zuge einer Langzeituntersuchung die Implementierung von Wasserstoffbussen in Österreich durchzusetzen.

Innsbrucker Forschungsteam ermöglicht das Projekt

Das europäische “Clean Vehicle Directive” legt fest, dass öffentliche Verkehrsbetriebe bei Neubestellungen zukünftig eine Mindestzahl an Null-Emissions-Fahrzeugen erreichen muss. In Österreich liegt dieser Wert bis 2025 bei 45 Prozent und bis 2030 bei 65 Prozent (mit Ausnahmen beim Einsatz von Doppeldeckerbussen). Österreichs Verkehrsbetriebe haben also eine wachsende Notwendigkeit, grüne Alternativen in ihren Fuhrpark zu integrieren. Bereits im Dezember wurde der ELEC CITY Wasserstoff-Bus von Hyundai auf Wiens Straßen in Betrieb genommen.

Das österreichweit ausgerichtete Projekt “HyBus-Implementation” soll zudem im kommenden Sommer auf die Straßen von Graz und dem Zillertal ausgeweitet werden. Ermöglicht wird es durch das Innsbrucker Forschungsteam der FEN Research GmbH. Außerdem erhält es Fördermittel in Höhe von 1,8 Millionen Euro vom Klimaschutzministerium. Die Forschungsergebnisse werden wiederum im Innsbrucker Wasserstoffzentrum HyWest zusammengeführt, wo verschiedene Projekte mit Fokus auf dem Aufbau und der Entwicklung einer grünen Wasserstoffwirtschaft in Zentraleuropa aktiv sind.

Das Projektteam wurde am Green Energy Center Europe in Innsbruck zusammengestellt und besteht aus der Hyundai Import GmbH, der Holding Graz Kommunale Dienstleistungen GmbH, der Wiener Linien GmbH & Co KG, der Zillertaler Verkehrsbetriebe AG sowie der FEN Research GmbH und weiteren Partnern aus dem Bereich der Wasserstoff-Infrastrukturwirtschaft. Das Green Energy Center Europe wurde vom Geschäftsführer der Hyundai Import GmbH, Roland Punzengruber, und Ernst und Nikolaus Fleischhacker von FEN Research in Innsbruck gegründet. Diese bezeichnen das Center als privatwirtschaftliche Initiative zum Bau von Brücken in eine grüne Zukunft.

In den kommenden drei Jahren will das Projektkonsortium rund um das Forscherteam herausfinden, welche Bedingungen den Realbetrieb der 700 bar Wasserstoff-Busse von Hyundais erster Serie ermöglichen und wichtiges Know-how für die Verkehrsbetriebe gewinnen.

“Mit den Langzeiterfahrungsdaten erforschen wir die kritischen Punkte für die Beschaffung, die systemisch-, logistischen Voraussetzungen für den regional-autonomen Betrieb und die Anpassung des weltweit ersten Serien-Buskonzeptes aus Korea für den europäischen Markt. Darüber hinaus gehen wir gezielt der in Europa viel diskutierten Frage nach dem „richtigen“ Betriebsdrucklevel – 700 bar vs. 500 bar vs. 350 bar – nach,” erklärt Nikolaus Fleischhacker, HyBus-Projektleiter und Geschäftsführer der FEN Research GmbH am Green Energy Center Europe in Innsbruck.

Das “HyBus-Implementation”-Projekt will also Wasserstoff-Busse in drei verschiedenen Betriebsfällen einsetzen. Im Forschungszeitraum von drei Jahren werden 700 bar Wasserstoff-Busse aus der Serie Hyundai ELEC CITY FC Busse im urbanen Betriebsfall bei den Wiener Linien, im regionalen Betriebsfall bei den Graz Linien und im alpinen Tourismusbetriebsfall bei den Zillertaler Verkehrsbetrieben untersucht. Besonderer Fokus wird hier auf den Punkten fehlende Wasserstoff-Infrastruktur, hohe Anschaffungskosten der FCE-Busse, Anpassung des koreanischen ELEC CITY FC Buskonzeptes auf den europäischen Standard und die Nicht-Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff liegen.

Batterie-Busse vs. Wasserstoff-Busse

Mit Blick auf die Klimaziele stellen neben Wasserstoff-Bussen auch Batterie-Busse eine relevante Option für die Verkehrsbetriebe dar. Dabei gilt es die hohe Effizienz von Batterie-Bussen, aber auch die ausbaufähigen Anforderungen an Ladedauer und Reichweite zu beachten. Auch das Laden selbst benötigt hohe (und immer teurer werdende) Strombereitstellungsleistungen und für viele Höhenmeter sind sie eher ungeeignet.

An dieser Stelle können Wasserstoff-Busse punkten. Sie sind dazu in der Lage über weite Strecken auch schwere Lasten zu befördern. Zudem hat der erfolgreiche Einsatz im ersten Winterbetrieb 2021 gezeigt, dass die Busse auch im Winter verlässlich starten und nur kurze Zeiten zur Betankung beanspruchen. Dadurch, dass grüner Wasserstoff lokal-regional produziert und gespeichert werden kann, hätte man hier außerdem die Möglichkeit zu einem krisensicheren und energie-autonomen System.

Allerdings ist bei Wasserstoff-Bussen von Nachteil, dass sie aktuell noch sehr teuer sind, da sie ausschließlich in ersten Klein-Serien verfügbar sind. Die nötige Infrastruktur muss somit erst noch entwickelt werden. Für die Umstellung fehlt also noch das nötige Know-how. An dieser Stelle möchte das Forschungsprojekt ansetzen.

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OVE, LCM
(c) OVE/Fürthner - (v.l.) Johann Hoffelner, Josef Passenbrunner und Hubert Mitterhofer von LCM.

Seit August des heurigen Jahres hat das LCM mit Johann Hoffelner einen neuen CEO – brutkasten berichtete. Rund drei Monate später darf man sich über den OVE Innovation Award freuen.

Pankl Turbosystems beschäftigt sich mit Brennstoffzellen-Luftversorgungssystemen (FCAS – Fuel Cell Air Supply) sowie mit elektrisch unterstützten Abgasturboladern (EAT – Electrically Assisted Turbocharger) für Kleinserien. Weil aber Turbosysteme technologisch extrem anspruchsvoll sind, setzt die Mannheimer (Deutschland) Firma bei der Optimierung spezieller Komponenten auf externe Entwicklungspartner.

LCM mit Neuauslegung des E-Motors

“Die Elektromotoren für den Antrieb der Verdichterräder sind das Herzstück in FCAS-Systemen. Mit der kompletten Neuauslegung dieses Elektromotors hat LCM einen unentbehrlichen Beitrag zum gelungenen Innovationssprung und Wettbewerbsvorsprung geleistet”, erklärt Pankl Turbosystems-Geschäftsführer Gerhard Krachler.

Konkret hat es neun Monate gedauert, bis das LCM-Team rund um Hubert Mitterhofer und Josef Passenbrunner die ersten Funktionsmuster für den Elektromotor lieferte. Diese erfüllten die Erwartungen von Pankl und liefern Drehzahlen von bis zu 140.000 U/min und eine Nennleistung von 22kW. In diesem Sinne könnte ein FCAS von Pankl Turbosystems, in dem ein von LCM ausgelegter Motor arbeitet, schon bald bei einem Stratosphärenflug an Bord sein, heißt es.

Im Auftrag der britischen Stratospheric Platforms Ltd, eines Herstellers von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt, hat Pankl gemeinsam mit weiteren internationalen Unternehmen an der Entwicklung eines unbemannten Zero-Emission-Flugobjekts gearbeitet: “Selbst wenn dieses Projekt noch in einem sehr frühen Stadium ist, unterstreicht es die enorme Dynamik in der Brennstoffzellen-Technologie”, so Krachler weiter.

“Begrenzter Bauraum”

So unterschiedlich die Einsatzgebiete der FCAS sind, haben sie doch eine Gemeinsamkeit: Der Bauraum ist immer extrem begrenzt. Mithilfe der LCM-Software-Plattform “SyMSpace” konnte aus dieser Not eine Tugend gemacht werden. Damit wurden alle Komponenten – von der Baugröße des Motors über die Materialauswahl bis zur Dimensionierung jedes Bauteils – so aufeinander abgestimmt, dass die errechnete Motorauslegung nicht mehr verbessert werden kann, wie es in einer Aussendung heißt.

“Aus mehreren tausenden Varianten entsteht auf diese Art ein Elektromotor in der geforderten Baugröße, der in der Simulation 97 Prozent Wirkungsgrad erreicht. Es lässt sich kein Parameter weiter verbessern, ohne einen anderen zu verschlechtern”, erklären Passenbrunner und Mitterhofer.

Welches enorme Potential Brennstoffzellen haben, unterstreicht auch das Projekt SkalTABs (skalierbares Thermomanagement und Antriebsstrang für Brennstoffzellen-Nutzfahrzeuge). In dem vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsprojekt arbeiteten mit der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH) neben Infineon, GreenIng, AVL LIST und MACCON auch Pankl Turbosystems zusammen.

Das Ziel war es, für mittelständische Unternehmen und Fahrzeughersteller mit kleineren Stückzahlen einen Baukasten für verschiedene Leistungsstufen eigener Brennstoffzellensysteme zu erforschen: “Selbstverständlich war auch unser gemeinsam mit LCM entwickeltes FCAS mit an Bord”, sagt Krachler. Weitere Förderprojekte für Antriebssysteme im Megawatt-Bereich werden gerade vorbereitet.

Award für LCM mit Signalwirkung

Dass LCM und Pankl Turbosystems für ihr Projekt mit dem OVE Innovation Award ausgezeichnet werden, hat für Hoffelner Signalwirkung. Gerade bei nicht-fossilen Antriebtechnologien sei Reichweite das entscheidende Kriterium: “Reichweite ist immer eine Frage der Effizienz. Je effizienter Antriebsysteme arbeiten, desto mehr Reichweite ist möglich. Mit der Zusammenarbeit am FCAS haben wir die Grenzen des Möglichen gemeinsam ein wenig verschoben”, sagen Hoffelner und Krachler.

Bernhard Jakoby, OVE-Juryvorsitzender und Vorstand des Instituts für Mikroelektronik und Mikrosensorik an der Linzer Johannes Kepler Universität (JKU), begründet die Entscheidung LCM zu prämieren wie folgt: “Das ausgezeichnete Projekt zeigt wieder einmal, dass es in Österreich gelingt, innovative Technologien aus der Forschung in die Praxis zu bringen und am Weltmarkt zu etablieren.”

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