Mercedes-Benz eCitaro fuel cell: mehr Reichweite ohne Nachladen dank Brennstoffzelle

• eCitaro fuel cell: konsequent, praxisnah und kostenbewusst
• Entwicklung durch deutsches Verkehrsministerium gefördert
• Die Brennstoffzelle: hocheffizient, kompakt und langlebig
• So funktioniert der Brennstoffzellenantrieb
• 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
• Bewährte Niederflur-Antriebsachse
• Cockpit und Bedienkonzept erfordern keine Umgewöhnung
• Digitales Monitoring bereits integriert
• Die wesentlichen Vorteile des Mercedes-Benz eCitaro fuel cell

Leinfelden-Echterdingen / Barcelona – Der Mercedes-Benz Citaro ist ein echter Klassiker unter den Stadtbussen. Auf dem UITP-Kongress (heute GPTS) im Jahr 1997 erstmals vorgestellt, gibt es ihn seit 2018 auch als Elektrobus eCitaro. Bis heute wurden weit mehr als 60 000 Citaro und eCitaro ausgeliefert. Nun setzt der Niederflurbus mit dem Stern erneut Maßstäbe. Auf dem Global Public Transport Summit (GPTS) 2023 in Barcelona präsentiert Mercedes-Benz die neueste Erweiterung der Citaro Modellpalette: den eCitaro fuel cell. Rund 400 Kilometer Reichweite ohne Nachladen sind mit einem vollelektrisch angetriebenen Solobus mit Brennstoffzelle im Stadtverkehr möglich, rund 350 Kilometer sind es mit einem entsprechenden Gelenkbus.

eCitaro fuel cell: konsequent, praxisnah und kostenbewusst

Der Name ist Programm: Der eCitaro fuel cell ist der erste Citaro, der mit einer Brennstoff­zelle (englisch: fuel cell) ausgestattet ist. Fahrzeugantriebe mit Brennstoffzelle gelten als Antwort, wenn sehr hohe Reichweiten für vollelektrisch angetriebene Stadtbusse gefragt sind. Schließlich erzeugt die Brennstoffzelle mithilfe von Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft während der Fahrt Strom für die Elektromotoren. Allerdings sollten Brennstoffzellen eher kontinuierlich arbeiten und weniger dynamisch, wie es jedoch für den Stadtbus-Einsatz mit seinen häufigen Beschleunigungs- und Bremsmanövern typisch ist. Daher benötigen Brennstoff­zellenantriebe stets eine Pufferbatterie. Die Spanne der möglichen Kombinationen reicht von einer leistungsstarken Brennstoffzelle mit kompakter Pufferbatterie bis hin zu einem Antrieb mit großer Batteriekapazität und kompakter Brennstoffzelle.

Daimler Buses hat sich aus guten Gründen für letztere Konfiguration entschieden. Zum einen ist Strom aus dem Netz als Betriebsstoff auf absehbare Zeit deutlich günstiger zu haben als Wasserstoff. Die Brennstoffzelle des eCitaro fuel cell dient deshalb nicht als Hauptenergie­quelle, sondern sie wird lediglich zur Verlängerung der Reichweite eingesetzt. Darüber hinaus ist der eCitaro fuel cell – im Unterschied zu einem reinen Wasserstofffahrzeug mit kleiner Pufferbatterie – deutlich besser in der Lage, die beim Bremsen über die Rekuperation zurückgewonnene Energie vollständig und nutzbringend in den großen Batterien zu speichern. Gerade im Stadtverkehr mit seinen häufigen Verzögerungsvorgängen und ganz besonders bei anspruchsvoller Topografie trägt dies zur Gesamtwirtschaftlichkeit des eCitaro fuel cell bei. Nicht zuletzt ermöglicht die große Batteriekapazität den Abruf hoher Antriebsleistungen über längere Strecken hinweg, beispielsweise an Steigungen im Bergland, ohne dass die Brenn­stoff­zelle im oberen und damit ineffizienten Leistungsbereich arbeiten muss.

Mit einer intelligenten Steuerung des Energieflusses aus Batterie und Brennstoffzelle und einer optimalen Gewichtsverteilung der Batterien sowie der Brennstoffzelle und der Wasserstoffkomponenten erreicht der vollelektrisch angetriebene eCitaro fuel cell eine maximale Reichweite ohne Nachladen bei größtmöglicher Fahrgastkapazität. Damit zeigt er sich nicht nur als praxisnahe, sondern zudem als besonders wirtschaftliche Lösung für städtische Umläufe mit großer Streckenlänge. Der eCitaro fuel cell ist damit die ideale Ergänzung für Verkehrsbetriebe mit bestehendem batterieelektrischem Fuhrpark, die ihre langen Umläufe ohne Nachladen und ohne zusätzliche Busse bedienen wollen.

Entwicklung durch deutsches Verkehrsministerium gefördert

Die Entwicklung dieser Technologie wird im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) mit insgesamt 3,3 Millionen Euro durch das deutsche Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH (NOW = Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellen­technologie) koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.

Die Brennstoffzelle: hocheffizient, kompakt und langlebig

Bei der Brennstoffzelle greift Daimler Buses auf ein erprobtes Modul zurück, verwendet es aber in neuester Ausführung. Es stammt von Toyota und gehört bereits zur zweiten Generation. Es handelt sich um eine Heavy-Duty-Ausführung mit einer Maximalleistung von 60 kW. Im eCitaro fuel cell wird sie sehr effizient im Bereich des Bestpunkts bei rund 20 kW betrieben. Sie arbeitet in einem Spannungsbereich von 400 bis 750 Volt.

Das verwendete Brennstoffzellenmodul hat zahlreiche Vorteile. So eignet es sich aufgrund seiner flachen und kompakten Bauweise ideal für eine Montage auf dem Dach des eCitaro. Die Brennstoffzelle selbst arbeitet mit einem hohen Wirkungsgrad. Daraus ergibt sich ein vergleichsweise geringer Verbrauch von Wasserstoff zur Stromerzeugung. Ein Spannungs­wandler ist bereits integriert. Beachtlich ist zudem die sehr hohe Lebensdauer von rund 40 000 Stunden im Einsatz als Range Extender, was in Abhängigkeit vom Einsatz einer Nutzungsdauer von sieben bis zehn Jahren entspricht. Auch danach stellt die Brennstoffzelle nicht schlagartig den Betrieb ein. Vielmehr lässt ihr Wirkungsgrad langsam nach, und es ist mit einer Alterung der Komponenten zu rechnen.

Beim Solobus ist das rund 240 Kilogramm schwere Brennstoffzellenmodul auf dem Dach in einer Position kurz hinter der Vorderachse montiert. Beim Gelenkbus ist es vorn auf dem Dach des Hinterwagens platziert.

So funktioniert der Brennstoffzellenantrieb

Die Brennstoffzelle erzeugt aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom und Wärme. Die einzelne Zelle besteht aus einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), einer negativ geladenen und einer positiv geladenen 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 dem Sauerstoff aus der Luft. 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 den Antrieb eines eCitaro fuel cell sind mehrere hundert Brennstoffzellen notwendig. Sie bilden zusammen eine Brennstoffzellen-Einheit, den sogenannten Brennstoffzellen-Stack.

Modular aufgebaute Wasserstofftanks, leicht und sicher

Im eCitaro fuel cell wird der Wasserstoff gasförmig und mit einem Druck von 350 bar ver­wendet. Daher kann auf eine hohe Verdichtung und den entsprechend hohen Aufwand für Tankstellen verzichtet werden. Die Wasserstofftanks zur Versorgung der Brennstoffzelle fassen jeweils fünf Kilogramm nutzbaren Wasserstoffs. Mit einem Innenbehälter aus Kunst­stoff und einer äußeren Ummantelung aus Kohlefasern entsprechen sie dem sogenannten Typ 4. Dadurch sind sie sowohl leicht als auch hoch belastbar.

Die Anordnung quer zur Fahrtrichtung ermöglicht eine einfache Zugänglichkeit zu Ventilen und Sensorik. Sicherheit wird dabei großgeschrieben: Jeder einzelne Behälter verfügt über einen eigenen Druck- und Temperatursensor. So lassen sich eventuelle Leckagen zuverlässig detektieren, weshalb auf zusätzliche Wasserstoff-Sensoren und damit auf mögliche Fehlerquellen verzichtet werden kann. Die Tanks erfüllen bereits die Norm UN ECE-R 134, die erst ab dem Jahr 2024 verbindlich sein wird. Die Zertifizierung nach dieser Norm setzt einen erfolgreich absolvierten Stresstest voraus.

Die Tankanlage ist modular aufgebaut. Beim Solobus finden fünf Tanks mit zusammen 25 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, nach oben hin mit Abdeckungen verkleidet und so vor Verschmutzung und Sonneneinstrahlung geschützt. Die Verkleidungen lassen sich weit nach oben öffnen, sodass ein einfacher Zugang für Service­arbeiten sichergestellt ist. Sämtliche Hochdruckleitungen sind starr. Zwischen dem Tank­stutzen und dem Dach sind sie sogar durchgängig ohne Verschraubung ausgeführt, um ein maximales Maß an Sicherheit zu gewährleisten. Die Versorgung der Brennstoffzelle mit gasförmigem Wasserstoff aus den Tanks erfolgt über eine Niederdruck-Leitung. Dies ist insbesondere beim Gelenkbus ein großer Vorteil, da bei ihm die Brennstoffzelle auf dem Hinterwagen positioniert ist und somit auf eine flexible Hochdruckleitung im Bereich des Gelenks verzichtet werden kann.

Die Betankung erfolgt durchweg in Fahrtrichtung rechts über der zweiten Achse. Unter optimalen Bedingungen und in Abhängigkeit von der Tankinfrastruktur beläuft sich die Betankungszeit zum Beispiel im Solobus auf rund zehn Minuten.

High-Performance-Batterien der neuesten Generation

Wie beim aktuellen eCitaro kommen auch beim eCitaro fuel cell High-Performance-Batterien der neuesten Generation NMC 3 zum Einsatz. Herausragender Vorteil ist ihre enorme Leistungsfähigkeit, die eine große Reichweite ohne Zwischenladung ermöglicht. Hinzu kommt ein modularer Aufbau der Batteriebestückung. Auch bei der neuen Generation handelt es sich um Lithium-Ionen-Batterien. Präzise formuliert sind es Zellen mit einer neuen, hoch-energetischen NMC-Kathode (NMC: Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid), einem flüssigen Elektrolyten und einer „advanced“ Graphit-Anode. Von der Batteriechemie rührt auch die gängige Abkürzung NMC (Nickel, Mangan, Cobalt) her. Anstelle der bisher verwendeten prismatischen Batteriezellen in Form und Größe eines Taschenbuchs kommen jedoch sehr kompakte zylindrische Zellen mit einer hochenergetischen Zellchemie zum Einsatz. Die verbesserte Zellchemie führt in Kombination mit einem optimierten Batteriepaket zu einer Erhöhung der gesamten gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte des Batterie­pakets. Die Kapazität von 4,93 Ah pro Batteriezelle ergibt eine beachtliche Erhöhung der Kapazität um rund 50 Prozent bei gleichem Gewicht.

Jeweils 600 Batteriezellen sind innerhalb eines Batteriemoduls montiert. Sie sind in den Kühlkreislauf mit einbezogen, um die Idealtemperatur der Batterie von rund 25 Grad Celsius zu gewährleisten. Die Temperierung sichert eine maximale Lebensdauer und eine effiziente Aufladung. Neun Batteriemodule fügen sich zu einem Batteriepaket mit 5400 Zellen zusammen. Daraus errechnet sich eine nominelle Energie von 98 kWh pro Batteriepaket.

Ähnlich wie die Wasserstofftanks sind auch die Batterien skalierbar. Beim Solobus finden drei Batteriepakete mit zusammen 294 kWh Kapazität Verwendung. Beim Gelenkbus sind es wahlweise drei oder vier Batteriepakete mit einer Energiekapazität von maximal 392 kWh. 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 fuel cell.

Durch den Einsatz der Brennstoffzelle zur Verlängerung der Reichweite 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 links und rechts oberhalb der Vorderachse sowie am Heck zur Wahl. 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

Eine intelligente Steuerung übernimmt das Energiemanagement und regelt passend zur jeweiligen Anforderung und zur gewählten Betriebsstrategie, wann die Brennstoffzelle ihre Arbeit aufnimmt sowie mit welcher Leistung und wie lange sie Strom produziert, der dem Fahrzeug zusätzlich zur Verfügung gestellt wird. Dabei können die Verkehrsbetriebe zwischen zwei verschiedenen Betriebsmodi wählen.

Im Modus „Maximale Reichweite“ werden sowohl Batterieladung als auch Wasserstoff maxi­mal ausgeschöpft. Die Brennstoffzelle arbeitet dabei stets im effizientesten Betriebs­bereich. Dies gilt auch beim Betrieb im Modus „Minimaler H₂-Verbrauch“, in dem die Batterie den überwiegenden Teil der Energie für Antrieb und Nebenverbraucher liefert. Die Brennstoffzelle schießt nur so viel Energie zu, wie zum Erreichen der zuvor eingestellten Reichweite notwendig ist.

Je nach Bestückung mit Batterien und Wasserstofftanks und je nach Betriebsmodus erreicht der eCitaro fuel cell als Solobus ohne Zwischenladung oder zwischenzeitliches Auftanken eine Reichweite von rund 400 Kilometern bei durchschnittlichen Anforderungen. Beim Gelenkbus beläuft sich die Reichweite auf rund 350 Kilometer. Diese herausragenden Werte decken die Wünsche nahezu aller Verkehrsbetriebe komplett ab.

Zusätzlich sichert die bis ins Detail optimierte Gewichtsverteilung von Batterien, Brenn­stoffzelle und Wasserstofftanks eine hohe Zahl von Fahrgästen. Ein dreitüriger Gelenkbus mit einer angetriebenen Achse, drei Batteriepaketen und sieben Wasserstofftanks kann beispielsweise mit rund 128 Fahrgastplätzen aufwarten. Damit bietet der eCitaro fuel cell sogar eine höhere Fahrgastkapazität als ein batterieelektrischer eCitaro mit maximaler Batteriebestückung.

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 auch beim eCitaro fuel cell vom gewohnten Fahrerarbeitsplatz und Fahrgastraum sowie einer Vielzahl identischer Komponenten und Teile von Citaro und eCitaro.

Neu ist beim eCitaro fuel cell zum Beispiel auch die Software einzelner Steuergeräte. So führt beispiels­weise der Wämeeintrag der Brennstoffzelle zu einem komplett neuen Thermo­management – ihre Abwärme lässt sich gewinnbringend für die Heizung des Fahrzeuginnen­raums nutzen. Wie beim batterieelektrischen eCitaro verwendet Daimler Buses auch beim eCitaro fuel cell die kompakte Klimaanlage mit Wärmepumpe, jedoch mit dem Kältemittel R134a. Im Zusammenspiel mit der Abwärme der Brennstoffzelle erreicht sie bei niedrigen Temperaturen eine höhere Effizienz auch gegenüber der CO₂-Klimaanlage des eCitaro. Die Abwärme der Brennstoffzelle lässt sich zudem zur Temperierung der Batterien nutzen.

Auch beim eCitaro fuel cell sind die Wärme abgebenden Komponenten in den Heizkreislauf des Fahrzeugs integriert. 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.

Wie beim eCitaro lässt sich beim eCitaro fuel cell dank der elektrischen Heizung und Klimatisierung der Innenraum bereits während der Ladung der Batterien im Depot auf die gewünschte Temperatur vorkonditionieren. Somit wird die Energie für die notwendige Klimatisierung zu Fahrtbeginn nicht aus der Batterie bezogen, wodurch sich die Reichweite erhöht. Im Winter kann der Stadtbus also bei Bedarf schon während des Ladens im Depot vorgeheizt werden. Analog dazu wird im Sommer vorgekühlt.

Bewährte Niederflur-Antriebsachse

Die Kraftübertragung erfolgt wie gewohnt auf die Niederflur-Portalachse ZF AVE 130 mit radnabennahen Motoren. Diese leisten pro Rad maximal 125 kW und erreichen ein Dreh­moment von 485 Nm. Durch eine fixe Übersetzung ergibt sich daraus 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.

Cockpit und Bedienkonzept erfordern keine Umgewöhnung

Das Layout des Fahrgastraums im eCitaro fuel cell entspricht den gewohnten Modellen des eCitaro. Ebenso wenig wie die Fahrgäste muss sich der Fahrer umstellen: Cockpit und Bedien­­konzept entsprechen weitestgehend dem gewohnten Bild, und auch die Wahl der Fahrtrichtung erfolgt wie gehabt mit den Drucktasten D-N-R. Die nahezu identische Bedienung im Vergleich zum Citaro mit Verbrennungsmotor oder zum batterieelektrischen eCitaro erlaubt daher den gewohnt schnellen Fahrerwechsel.

Auch das Instrumentenfeld entspricht weitgehend dem des eCitaro. Hier wie dort zeigt ein Powermeter die aktuelle Leistungsanforderung an. Zudem wird der Ladezustand der Batterie angezeigt. Einziger Unterschied und Beleg für das Brennstoffzellen-Antriebskonzept ist die prozentuale Füllstandsanzeige für den Wasserstoff im Instrumentenfeld. Über das zentrale Display kann der Fahrer die Reichweite, die Leistungsverfügbarkeit, die Ladeanzeige sowie die verfügbare Wasserstoffmenge abrufen.

Der eCitaro fuel cell unterstützt seinen Fahrer außerdem beim energiesparenden Fahren mit einer Beschleunigungsregelung: Beim Anfahren aus der Haltestelle oder an der Ampel, gleich ob leer oder unter Volllast, wird das Drehmoment auf ein komfortables Maß gedrosselt. Das führt zu einer schonenden und fahrgastfreundlichen Fahrweise. Gleichzeitig reduziert es den Energieverbrauch.

Digitales Fahrzeug-Monitoring bereits integriert

Nicht erst seit Einführung der batterieelektrischen Antriebe steigt in den Verkehrsbetrieben der Bedarf an digitalen Diensten zur Kontrolle und Optimierung von Verbrauchswerten. Doch gerade bei Fahrzeugen mit ausschließlicher Depotladung – sei es mit Strom oder mit Wasserstoff – kann die Überwachung des Energieverbrauchs, des Batterieladestands, des Wasserstoffvorrats sowie des Fahrzeugzustands dabei unterstützen, die maximale Verfüg­barkeit und Wirtschaftlichkeit der Busse sicherzustellen.

Deshalb erhält der Mercedes-Benz eCitaro fuel cell bereits ab Werk alle dafür notwendigen Komponenten und erlaubt damit die einfache Integration des Fahrzeugs in das Omniplus On Portal zur Echtzeit-Überwachung der Fahrzeugfunktionen. So lassen sich unter Omniplus On monitor jederzeit die Füll- und Ladestände von Wasserstoff und Batterien sowie die sich daraus ergebende restliche Reichweite ablesen. Bei Fehlfunktionen oder bei einem Unterschreiten der Mindestlade- oder Füllstandswerte erhält der Fahrdienstleiter oder Fuhrpark­manager eine entsprechende Warnung. Bei Bedarf erfolgt diese nicht nur auf dem Monitor in der Zentrale, sondern auch per SMS auf das Mobiltelefon.

Darüber hinaus lassen sich in Omniplus On monitor Trends und Optimierungspotenziale beim Energieverbrauch detailliert anzeigen. Neben Diagrammen von Verbrauchswerten je Fahrzeug und Route unterscheidet Omniplus On monitor auch, ob die Energie für den Antrieb oder die Fahrzeugklimatisierung verwendet wurde. So lassen sich die einzelnen Fahrzeuge gut mit­einander vergleichen, und bei Bedarf können geeignete Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs ergriffen werden.

Die wesentlichen Vorteile des Mercedes-Benz eCitaro fuel cell

Der neue und lokal emissionsfreie Mercedes-Benz eCitaro fuel cell ergänzt hervorragend einen bestehenden Fuhrpark mit Elektrobussen. Mit seiner Brennstoffzellen-Technologie deckt er anspruchsvolle Umläufe mit großer Streckenlänge ohne Nachladen ab. Sein Konzept hat auch die Total Cost of Ownership im Auge: Die Energieversorgung des Antriebs erfolgt in erster Linie mit günstigem Netzstrom, während der derzeit noch teure Wasserstoff zur Verlängerung der Reichweite dient. Zudem sind Karosserie und Fahrwerk des eCitaro fuel cell weitgehend identisch mit dem tausendfach bewährten Citaro – im Schadensfall sind daher Ersatzteile schnell verfügbar. Dank der günstigen Gewichtsverteilung der Batterien sowie des Brennstoffzellen- und Wasserstoff-Systems bietet der eCitaro fuel cell eine hohe Zahl an Fahrgastplätzen.