Große Reichweite ohne aufwendige Zwischenladung: Der Mercedes-Benz eCitaro Range Extender mit Brennstoffzelle

• Nächster Baustein auf der Roadmap des eCitaro für 2023,
• eCitaro Range Extender: konsequent, praxisnah sowie kostenbewusst
• Die Brennstoffzelle: hocheffizient, kompakt und langlebig
• Modular aufgebaute Wasserstofftanks, leicht und sicher
• High-Performance-Batterien der neuesten Generation
• Große Reichweite, hohe Zahl an Fahrgastplätzen
• Neues Thermomanagement nutzt die Abwärme der Brennstoffzelle

Ohne Nachladen rund 400 Kilometer Reichweite bei durchschnittlichen Anforderungen mit einem vollelektrisch angetriebenen Solobus im Stadtverkehr, rund 350 Kilometer mit dem entsprechenden Gelenkbus – der Mercedes-Benz eCitaro Range Extender macht es möglich. Der leistungsfähige und lokal emissionsfreie Niederflurbus deckt selbst anspruchsvolle Umläufe und annähernd 100 Prozent aller Forderungen von Verkehrs­betrieben nach maximaler Reichweite ab. Damit kann er die Verkehrswende hin zur E-Mobilität mit Stadtbussen in Städten beschleunigen. Darüber hinaus demonstriert der eCitaro Range Extender mit maßgeschneiderten Lösungen erneut die faszi­nierenden Möglichkeiten der Citaro Familie. Die Premiere des Fahrzeugs und die ersten Auslieferungen sind für das Jahr 2023 geplant.

eCitaro Range Extender: konsequent, praxisnah sowie kostenbewusst

Fahrzeugantriebe mit Brennstoffzelle gelten als Antwort, sind vollelektrisch angetriebene Stadtbusse mit sehr hoher Reichweite gefragt. Schließlich produzieren sie die Energie für Elektromotoren an Bord. Doch Antrieb ist nicht gleich Antrieb: Er kann sehr unterschiedlich konfiguriert sein.

Notwendig ist stets eine Pufferbatterie, da Brennstoffzellen bei der Stromproduktion kontinuierlich arbeiten, anders als es der typische Einsatz eines Stadtbusses mit fortlaufendem Wechsel von Beschleunigungs- und Bremsmanövern verlangt. Die individuellen Varianten umfassen die Spanne von einer sehr leistungsstarken Brennstoffzelle mit kompakter Batterie bis zur kompakten Brennstoffzelle mit High-Performance-Batterien.

Daimler Buses hat sich aus guten Gründen für den zweiten Weg ent­­­schieden. Der eCitaro Range Extender ist konsequent, praxisnah sowie kostenbewusst auf den Einsatz als Stadtbus ausgelegt. Strom ist als Betriebsstoff deutlich günstiger als Wasserstoff – deshalb handelt es sich um einen batterieelektrisch angetriebenen Niederflur-Stadtbus, seine mit Wasserstoff betriebene Brenn­stoffzelle dient daher der Verlängerung der Reichweite und nicht etwa als Hauptenergiequelle an Bord.

Bei der Brennstoffzelle greift Daimler Buses auf ein erprobtes Aggregat zurück, aber in neuester Ausführung. Der Wasserstoff schließlich wird gasförmig und mit einem Druck von 350 bar verwendet. Daher kann auf eine hohe Verdichtung und entsprechend hohen Aufwand für Tankstellen verzichtet werden.

Die Brennstoffzelle: hocheffizient, kompakt und langlebig

Die Brennstoffzelle des eCitaro Range Extender stammt von Toyota und gehört bereits zur zweiten Generation. Es handelt sich um ein Heavy-Duty-Aggregat mit einer Maximalleistung von 60 kW. Im eCitaro Range Extender wird sie sehr effizient im Bereich des Bestpunkts bei rund 30 kW betrieben. Sie arbeitet in einem Spannungsbereich von 400 bis 750 Volt.

Die verwendete Brennstoffzelle hat zahlreiche Vorteile. So eignet sie sich aufgrund ihrer flachen und kompakten Bauweise ideal für eine Montage auf dem Dach des eCitaro. Sie arbeitet hocheffizient, das ergibt einen vergleichsweise geringen Verbrauch von Wasser­stoff zur Stromerzeugung. Ein Spannungswandler ist bereits integriert. Beachtlich ist ebenfalls die sehr hohe Lebensdauer von rund 40.000 Stunden im Einsatz als Range Extender. Auch im Anschluss stellt sie nicht schlagartig den Betrieb ein. Vielmehr lässt ihr Wirkungsgrad langsam nach und es ist mit einer Alterung der Komponenten zu rechnen.

Montiert ist das zirka 240 Kilogramm schwere Brennstoffzellen­modul beim Solobus auf dem Dach in einer Position kurz nach der Vorderachse. Beim Gelenkbus ist sie vorn auf dem Dach des Hinterwagens platziert.

So funktioniert der Brennstoffzellenantrieb

Die Brennstoffzelle erzeugt aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff – auch „kalte Verbrennung“ genannt – elektrischen Strom und Wärme. Die einzelne Zelle besteht aus einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), einer negativen und einer positiven Elektrode sowie zwei Separatoren. Brennstoffzellen gehören zu den galvanischen Zellen.

Der Wasserstoff gelangt von den Tanks auf dem Dach über Leitungen zur negativen Elektrode und reagiert dort mit Sauerstoff. Elektronen setzen sich frei und wandern zur positiven Elektrode. Dabei entsteht ein elektrischer Strom. Die Wasserstoff-Atome verwandeln sich durch die Abgabe der Elektronen in Wasserstoff-Ionen. Sie fließen durch die Polymer-Elektrolyt-Membran zur negativen Elektrode. Dort entsteht aus Sauerstoff, Wasserstoff-Ionen und Elektronen durch eine chemische Reaktion als einzige Emission Wasser. Für einen Antrieb eines eCitaro Range Extender sind mehrere hundert Brennstoffzellen notwendig. Sie bilden zusammen eine Brennstoffzellen-Einheit, den sogenannten Brennstoffzellen-Stack.

Da der Antrieb des eCitaro Range Extender auf einer sehr leistungs­starken Batterie basiert, handelt es sich streng genommen um einen vollelektrisch angetriebenen Hybridbus, der als Stromquelle Batterien und Brennstoffzelle miteinander kombiniert.

Modular aufgebaute Wasserstofftanks, leicht und sicher

Die Wasserstofftanks zur Versorgung der Brennstoffzelle des eCitaro Range Extender fassen jeweils fünf Kilogramm. Mit einem Innenbehälter aus Kunststoff und einer äußeren Ummantelung aus Kohlefasern entsprechen sie dem sogenannten Typ 4, sind sowohl leicht als auch hoch belastbar.

Die Anordnung quer zur Fahrtrichtung ermöglicht eine einfache Zugänglichkeit zu den Ventilen. Sicherheit wird groß geschrieben: Jeder einzelne Behälter verfügt über einen eigenen Druck- und Temperatursensor. Die Tanks erfüllen bereits die Norm UN ECE R 134 u. a. zur Verhütung von Brandgefahren, die erst ab dem Jahr 2024 verbindlich sein wird.

Die Tankanlage ist modular aufgebaut. Beim Solobus finden wahlweise fünf oder sechs Tanks mit zusammen 25 oder 30 Kilogramm Wasserstoff Verwendung. Beim Gelenkbus sind es ganz nach Wunsch sechs oder sieben Tanks mit 30 bzw. 35 Kilogramm Wasserstoff. Sie sind jeweils auf dem Dach in Höhe der Vorder­achse und des vorderen Überhangs montiert. Die Betankung erfolgt durchweg in Fahrtrichtung rechts über der zweiten Achse. Unter optimalen Bedingungen beläuft sich die Betankungszeit im Solobus zum Beispiel auf rund zehn Minuten.

High-Performance-Batterien der neuesten Generation

Beim eCitaro Range Extender kommen High-Performance-Batterien der neuesten Generation zum Einsatz. Diese Lithium-Ionen Batterien des Typs NMC 3 (NMC = Nickel-Mangan-Cobalt) werden im eCitaro ab Ende des Jahres 2022 eingeführt und verfügen über einen sehr hohen Energieinhalt und sind sehr langlebig.

Ähnlich wie die Wasserstofftanks sind auch die Batterien skalierbar. Beim Solobus finden wahlweise zwei oder drei Batteriepakete mit zusammen 196 oder 294 kWh Kapazität Verwendung. Beim Gelenk­bus sind es wahlweise drei oder vier Batteriepakete mit maximal 392 kWh Energiekapazität. Bereits diese Batterie­bestückungen sichern eine beachtliche Reichweite.

Da sowohl die Batteriekapazität als auch die Menge des mitgeführten Wasserstoffs wählbar sind, erhält jedes Verkehrs­unternehmen den für sein individuelles Einsatzprofil maßge­schneiderten eCitaro Range Extender.

Aufgrund der Brennstoffzelle als Range Extender ist eine Zwischen­ladung der Batterien auf der Strecke nicht notwendig und auch nicht vorgesehen. Die Aufladung erfolgt durchweg per Stecker im Depot mit einer maximalen Ladeleistung von 150 kW. Wie vom eCitaro gewohnt, stehen drei Steckerpositionen zur Wahl, links und rechts oberhalb der Vorderachse und am Heck. Für eine flexible Positionierung auf dem Betriebshof oder in der Fahrzeughalle sind pro Fahrzeug bis zu zwei Steckerpositionen möglich.

Große Reichweite, hohe Zahl an Fahrgastplätzen

Je nach Bestückung mit Batterien und Wasserstofftanks wird der eCitaro als Solobus ohne Zwischenladung oder zwischenzeitliches Auftanken eine Reichweite von rund 400 Kilometern bei durch­schnittlichen Anforderungen erreichen. Beim Gelenkbus wird sich die Reichweite auf rund 350 Kilometer belaufen. Diese heraus­ragenden Werte decken die Wünsche nahezu aller Verkehrsbetriebe komplett ab. Mit diesem Schritt ist auch eine kraftstoffbetriebene Zusatzheizung überflüssig geworden.

Zusätzlich sichert die bis ins Detail optimierte Gewichtsverteilung von Batterien, Brennstoffzelle und Wasserstofftanks eine hohe Zahl von Fahrgastplätzen. Als Beispiel können zwei Eckmodelle dienen: Den zweitürigen Solobus mit zwei Batteriepaketen und sechs Wasser­stofftanks kalkuliert Daimler Buses auf etwa 88 Fahrgastplätze. Bei einem dreitürigen Gelenkbus mit einer angetriebenen Achse, drei Batteriepaketen und sieben Wasser­stofftanks wird sich die Zahl auf rund 128 Fahrgastplätze belaufen.

Neues Thermomanagement nutzt die Abwärme der Brennstoffzelle

Bei der Integration des Brennstoffzellenantriebs hat der Mercedes‑Benz Citaro erneut sein vielseitiges Konzept unter Beweis gestellt. Zwar waren umfangreiche Anpassungsmaßnahmen notwendig, jedoch keine komplette Neukonstruktion. Verkehrs­unternehmen profitieren daher vom gewohnten Fahrgastraum und einer Vielzahl identischer Komponenten und Teile von Citaro, eCitaro und eCitaro Range Extender.

Neu sind bei ihm zum Beispiel die Steuergeräte. Auch führt die Wärmeentwicklung der Brennstoffzelle zu einem komplett neuen Thermomanagement – ihre Abwärme lässt sich für die Heizung des Fahrgastraums nutzen. Daher verwendet Daimler Buses jetzt die kompakte Klimaanlage mit dem Kältemittel R134a, ebenfalls mit Wärmepumpe. Sie erreicht im Zusammenspiel mit der Abwärme der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen eine höhere Effizienz als die CO₂-Klimaanlage des eCitaro. Die Abwärme der Brennstoffzelle kann ebenfalls zur Temperierung der Batterien genutzt werden.

Auch beim eCitaro Range Extender sind die Wärme abgebenden Komponenten miteinander verbunden. Die Temperierung des Fahrgastraums und separat davon des Fahrerarbeitsplatzes erfolgt automatisch. Luftstromregulierung und eingesetzte Heizenergie sind analog zum eCitaro auch abhängig von der Zahl der Fahrgäste.

Bewährte Niederflur-Antriebsachse

Die Kraftübertragung erfolgt wie gewohnt auf die Niederflur-Portalachse ZF AVE 130 mit radnabennahen Motoren. Sie leisten pro Rad maximal 125 kW und erreichen ein Drehmoment von 485 Nm. Durch eine fixe Übersetzung bedeutet dies ein Drehmoment von maximal 11.000 Nm pro Rad. Beim Gelenkbus werden serienmäßig Mittel- und Hinterachse angetrieben, bei leichter Topografie genügt auch die angetriebene Achse des Hinterwagens.

Die wesentlichen Vorteile des Mercedes-Benz eCitaro Range Extender

Der neue, lokal emissionsfreie Mercedes-Benz eCitaro Range Extender erzielt hohe Reichweiten. Gleichzeitig bietet er aufgrund seiner Gewichts­verteilung eine überraschend hohe Zahl von Fahrgastplätzen. Sein Konzept hat auch die Total Cost of Ownership im Auge: Der Schwerpunkt auf den batterieelektrischen Antrieb, die geschickte Auslegung des Brennstoff­zellenantriebs und langlebige Komponenten hält die Kosten vergleichsweise günstig.