Wasserstofftechnologie verbessert Produktivität elektrischer Logistikfahrzeuge Per Brennstoffzelle durchs Lager

Redakteur: Silvano Böni

Täglich docken rund 250 LKW am Speditionsterminal von DB Schenker in Hörsching bei Linz an, Fracht wird entladen, umgelagert und weiterverladen. Innen wechselt die Szene mehrmals am Tag komplett: Wo vor kurzem jeder Stellplatz belegt und bis unter die Decke vollgestapelt war, ein Dutzend Stapler und Lagerfahrzeuge durch die Gänge schossen und in die LKW rumpelten, herrscht nun fast Ruhe. Die Reihen sind fast leer, hier und da wird eine Ladung für den nächsten Transport bereitgestellt.

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Zehn Linde-Niederhubwagen, die anstatt Bleisäurebatterie mit einem Brennstoffzellen-Hybridsystem ausgerüstet sind, beweisen sich seit kurzem bei DB Schenker.
Zehn Linde-Niederhubwagen, die anstatt Bleisäurebatterie mit einem Brennstoffzellen-Hybridsystem ausgerüstet sind, beweisen sich seit kurzem bei DB Schenker.
(Bild: Linde)

Wie in anderen Warehouses und Lieferzentren zählt hier nur die Umschlagleistung. In Hörsching sind das etwa 100 000 Tonnen im Jahr, maximal 600 Tonnen am Tag. Darauf sind die 30 Lagerkräfte, die Sommer wie Winter in Schichten von 0 bis 24 Uhr im Einsatz sind, stolz. Für die Mitarbeiter ist das eine starke Beanspruchung: Zeitdruck, Hitze und Kälte, physische Belastung. Aber auch das Arbeitsmaterial – sechs Gabelstapler und neun Lagertechnikgeräte – wird nicht geschont. Stapler 14 ist seit 2010 und damit am längsten in Einsatz, der Zähler zeigt 7500 Betriebsstunden.

Unter den gleichen Einsatzbedingungen, müssen sich seit kurzem auch zehn Linde-Niederhubwagen beweisen, die anstatt Bleisäurebatterie mit einem Brennstoffzellen-Hybridsystem ausgerüstet sind. Ein Jahr lang werden sie in der Feldphase des Projekts E-LOG-Biofleet getestet. Der Flurförderzeugehersteller Linde Material Handling und der Batterieladespezialist Fronius wollen belegen, dass die Produktivität elektrischer Gabelstapler und Lagertechnikgeräte mit der Wasserstofftechnologie gesteigert werden kann, die Fahrzeuge zudem wirtschaftlich zu betreiben sind. Bislang begrenzen der Aufwand für Laden und Wechseln der Batterie, beschränkte Lebensdauer und hoher Wartungsaufwand die Einsatzbereitschaft der Fahrzeuge.

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Von der Studie zum Feldversuch

Schon 2011 hatten Fronius und Linde Material Handling mit der Machbarkeitsstudie HyLOG ein Antriebskonzept mit Brennstoffzelle gezeigt. Für den nächsten Schritt zur Serienreife eines Brennstoffzellenfahrzeugs für die innerbetriebliche Logistik starteten die beiden Firmen das Forschungsprojekt E-LOG-Biofleet und holten DB Schenker als Projektkunden und die OMV AG als Lieferanten der Wasserstoffinfrastruktur mit ins Boot. Die Institute HyCentA und Joanneum Research konnten als Partner aus der Forschung gewonnen werden, welche die Umweltverträglichkeit sowie technische und wirtschaftliche Aspekte der Wasserstoffanwendung bewerten und die Partner im Projektmanagement und bei sicherheitstechnischen Fragen unterstützen. Folgende Projektziele wurden anfangs festgeschrieben:

  • Entwicklung, Zertifizierung und Demonstration einer Logistikfahrzeugflotte mit Brennstoffzellen-Range-Extender
  • Behördliche Genehmigung, Installation und Demonstration einer Hallenbetankungsanlage mit Bio-Wasserstoff für die Logistikfahrzeuge
  • CO2-neutrale Herstellung von Bio-Wasserstoff durch Reformierung von Biogas
  • Umweltbilanz und sozioökonomische Bewertung der Logistik-Anwendung
  • Vorbereitung einer erweiterten Markteinführung

Herausforderung Lastenheft

Ausgangspunkt für die Entwicklung des aus Zelle, Tank und Li-Ionen-Akku bestehenden Systems HyLOG-Fleet 26F für den Niederhubwagen T20 SP war das Lastenheft von Linde. Um bewerten zu können, welche Parameter für die Entwicklung relevant sind, mussten die Linde-Ingenieure verstehen, wie zum Beispiel die Brennstoffzelle aufgebaut ist und arbeitet und antizipieren, wie sich das Gesamtsystem im Einsatz verhält.

Dabei war abzuwägen, wo bei Fahrzeugauslegung und Betriebsverhalten Abstriche gemacht werden konnten. Eine zentrale Frage beispielsweise: Darf das Gerät erst am Ende oder auch während der Schicht betankt werden? So wurde das Tankvolumen verkleinert und alle Komponenten in den Abmessungen eines Standardbatterietrogs verbaut. Keine Kompromisse waren bei Bedienung und Fahrverhalten möglich. Die Fahrer sollten die Lagergeräte ohne Umgewöhnung nutzen können. Dafür mussten wegen des im Vergleich zur Bleibatterie geringeren Gewichts des Brennstoffzellensystems an einigen Stellen im Fahrzeug Zusatzgewichte angebracht werden, beispielsweise unter den Gabelzinken. Zudem rüsteten die Techniker die Fahrzeuge mit akustischen und optischen Signalgebern für Fehlermeldungen und einer Füllstandsanzeige aus. Sonst waren keine Umbauten notwendig.

Baugrösse reduzieren, Leistungsdichte erhöhen

Für das Energy-Cell-Team von Fronius waren die Entwicklungsschritte von der HyLOG-Studie zum neuen System ungleich grösser. Der Wasserstofftank musste in den 4PzS-Batterietrog integriert – Baugrösse minus 20 Prozent – und die Leistungsdichte der Zelleneinheit gleichzeitig um 62 Prozent gesteigert werden. Erreicht wurde dies durch eine insgesamt kompaktere Anordnung der Bauteile, die bereits erwähnte Verkleinerung des Tanks sowie durch Einsatz eines Zellenstacks mit 2,6 kW anstelle von zuvor 2 kW Output.

Angesichts der mechanischen Belastung, die Logistikfahrzeuge aushalten müssen, war die sicherheitstechnisch einwandfreie Ausführung der Energieeinheit gemäss Produktnorm EN 62282-5-1:2007 für portable Brennstoffzellen nicht minder anspruchsvoll – schliesslich ist Wasserstoff nicht einfach zu handhaben. Stösse mit 50-facher Erdbeschleunigung, Vibrationen und Temperaturschwankungen, elektromagnetische Felder, Einwirkung von korrosiven Stoffen dürfen die Funktionstüchtigkeit nicht beeinträchtigen. Die Lagertechnikexperten von Linde unterstützten hier die Arbeit der Fronius-Ingenieure mit zahlreichen Tests. Die Zertifizierungen wurden vom TÜV Süd in München durchgeführt.

Ex-Schutzzone mit Luftabsaugung in der Halle

Verlässliche und CO2-neutrale Bereitstellung des Energieträgers vor Ort sowie kurze Wege bei der Betankung. Diese Vorgaben galt es umzusetzen, damit die Feld-Erprobung der Brennstoffzellenhubwagen bei DB Schenker in Hörsching unter vergleichbaren Bedingungen durchgeführt werden konnte. Dafür war es notwendig, die Wasserstoffinfrastruktur von OMV in die Betriebsabläufe des Terminals einzubinden – das heisst, die Tankanlage in der Halle installieren und den Wasserstoff-Reformer direkt an die Halle bauen. Diese Ausführung erfordert spezielle Sicherheitseinrichtungen an der Tankanlage, denn der Wasserstoff, 14-mal leichter als Luft, kann sonst im Fehlerfall nicht wie im Freien nach oben entweichen und sich mit Luft zu einem gefahrlosen Gemisch verdünnen.

Bis dahin gab es in Europa keine Indoor-Tankanlage für Wasserstoff. Daher war es recht schwierig, die Anlage genehmigungsfähig zu planen und auszuführen. Mangels Vorgaben wurde im gewerberechtlichen Genehmigungsverfahren die ÖVGW-Richtlinie G97 für CNG-Tankstellen auf Wasserstoff als Treibstoff übertragen. Weitere Hinweise zur betriebssicheren Ausführung von Wasserstofftankanlagen in Innenräumen fanden sich im VdTÜV-Merkblatt 514. Auf dieser Basis wurden Explosions- und Brandschutzkonzept sowie Ausschreibungsunterlagen und Genehmigungsvorlagen erstellt.

In der Umsetzung wurde in der Halle um die Tankanlage nach drei Seiten eine rund vier Meter breite Zone abgegrenzt, um den reibungslosen Ablauf der Tankvorgänge zu gewährleisten. Als zusätzliche Sicherheitsvorkehrung muss das Fahrzeug bei der Betankung unter einer Abzugshaube stehen, die dabei die Umgebungsluft ansaugt. Im Fehlerfall wird entweichendes Wasserstoffgas sofort abgeleitet. Das bei der chemischen Reaktion in der Zelle entstehende Wasser läuft bei der Betankung über einen zweiten Schlauch ab.

Ökologische und wirtschaftliche Kosten-Nutzen-Rechnung

Bereits heute betreibt DB Schenker die elektrischen Fahrzeuge in Hörsching zu 100 Prozent mit Strom aus Wasserkraft. Daher liegt die Menge der beim Betrieb entstehenden klimaschädlichen Emissionen weit niedriger als bei Fahrzeugen, die mit Strom aus dem österreichischen Energiemix fahren. Dennoch gehen die Projektpartner davon aus, mit Brennstoffzellensystem und aus Biogas reformiertem Wasserstoff den CO2-Ausstoss noch etwas weiter reduzieren zu können. Genaue Daten wird der Feldversuch ergeben.

Durchaus ambitionierter sind die Erwartungen der Projektgruppe hinsichtlich Produktivität und Flexibilität. Hier sind direkte Steigerungen durch konstante Leistungsabgabe, erhöhte Verfügbarkeit und reduzierte Wartungsintervalle zu realisieren, da die Komponenten Tank, Brennstoffzelle und Lithium-Ionen-Akku aufeinander abgestimmt gesteuert und überwacht werden und grundsätzlich weniger wartungsanfällig sind als Bleisäurebatterien. Das HyLOG-Fleet-System weist zum Beispiel ein sanftes Ladeprofil auf und die Steuerung vermeidet schädliche Ladezyklen der Batterie. Zudem gibt die Energieeinheit bei niedrigen Temperaturen die Leistung noch zuverlässig und konstant ab, wenn Bleiakkumulatoren an die Leistungsgrenze kommen.

Kostenvorteile ergeben sich zudem aus der längeren Lebensdauer – über 10 000 Betriebsstunden werden für das HyLOG-Fleet-System angestrebt, eine Bleisäurebatterie hält etwa 4400 Stunden – und höheren Wirkungsgraden. Die erzielen die Fronius-Experten durch eine optimierte Betriebssteuerung und Rückgewinnung der Brems-Energie. Auch wenn derzeit das Hybridfahrzeug noch fünf- bis sechsmal mehr kostet als sein Pendant aus der Grossserie, die Mehrkosten für ein serienreifes System werden deutlich niedriger liegen und können sich dank der vielen Vorteile der Brennstoffzellentechnik schnell amortisieren. Aus heutiger Sicht werden die Erkenntnisse aus der Feldphase die Annahmen sehr wahrscheinlich verifizieren. <<

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