Pressemappe: Die Geschichte der Brennstoffzellen-Entwicklung bei Mercedes-Benz
Stuttgart
25.06.2007
Mit NECAR und NEBUS in die Zukunft
NECAR 1, 1994: Transporter mit Labor-Charakter
Am 13. April 1994 lädt Daimler-Benz die internationale Presse nach Ulm auf den Eselsberg ein, Standort der Ulmer Universität und des neuen Daimler-Benz Forschungszentrums. Dass etwas Besonderes anliegt, entnehmen die angereisten Journalisten der Tatsache, dass Edzard Reuter, Vorstands-Vorsitzender des integrierten Technologie-Konzerns, die Pressekonferenz eröffnen wird und nicht wie eigentlich erwartet der Hausherr, Prof. Hartmut Weule, verantwortlicher Vorstand für das Forschungsressort.
Sie werden nicht enttäuscht, denn was Reuter und Weule ihnen zu ihrer Verblüffung vorstellen, ist nicht das neue Forschungszentrum, sondern das erste Fahrzeug Europas mit unter Alltagsbedingungen arbeitenden Brennstoffzellen, getauft auf den Namen NECAR (New Electric Car). Zur Unterscheidung von späteren, weiter entwickelten Fahrzeugen wird es schließlich NECAR 1 genannt.
NECAR 1, der Mercedes-Benz Transporter vom Typ MB 100, hat bei seiner Vorstellung schon einige tausend Kilometer auf dem Tachometer, denn er ist mit seinem revolutionären elektrischen Antrieb schon seit Dezember 1993 auf Deutschlands Straßen störungsfrei unterwegs.
Das Forschungsfahrzeug ist mehr rollendes Labor denn alltagstaugliches Auto: Die 800 Kilogramm des zwar schon recht kompakten, aber trotzdem noch voluminösen Brennstoffzellen-Stromerzeugungs-Systems mit Wasserstoff als Kraftstoff einschließlich elektronischer Steuerung, Kompressor, Kühlung und Wasserstofftank, dazu eine ganze Reihe von Messgeräten, füllen den ganzen Laderaum.
Die Leistung der insgesamt zwölf Brennstoffzellen-Stacks von Ballard Power Systems Inc., Kanada, beträgt 50 Kilowatt (kW). Der auf 300 bar ausgelegte Druckgastank fasst 150 Liter, ausreichend für eine Fahrstrecke von rund 130 Kilometer. Der Elektromotor leistet 30 kW/41 PS, womit NECAR 1 ein Tempo von 90 km/h erreicht.
Mit diesem Fahrzeug beweist Daimler-Benz einer weltweiten Öffentlichkeit schlagartig die grundsätzliche Tauglichkeit der Brennstoffzellen-Technologie für den elektrischen Fahrzeugantrieb und stellt dabei auch ihre größten Vorteile heraus: dass sie einen erheblich höheren Wirkungsgrad bei der Energieumsetzung hat als alle bisher für Automobile eingesetzten Antriebe durch Verbrennungsmotoren, dass sie im höchsten Grade umweltfreundlich ist und zudem auch noch Ressourcen schonend.
Reichweite und Tempo von NECAR 1, wenngleich noch bescheiden, sind ermutigend. Das nächste Ziel heißt System-Verkleinerung, mehr Effizienz und natürlich auch weniger Gewicht. Außerdem sollen zukünftige Brennstoffzellen-Fahrzeuge von Daimler-Benz den Betrieb mit Methanol erlauben, ein flüssiger Treibstoff, der ähnlich wie Benzin zu handhabenden ist.
Prof. Weule kann stolz sein auf das in nur drei Jahren Erreichte, denn er ist es schließlich, der mit nie erlahmender Dynamik die Entwicklung des Fahrzeugantriebs durch Brennstoffzellen seit 1991 vorantreibt.
NECAR 2, 1996: V-Klasse mit sechs Sitzplätzen
Aggregateträger für das zweite Brennstoffzellen-Forschungsfahrzeug soll die erst im Entstehen begriffene Mercedes-Benz V-Klasse werden, eine Großraum-Limousine mit bis zu drei Sitzreihen. Am 14. Mai 1996 schließlich stellt Daimler-Benz NECAR 2 vor, den weltweit ersten Pkw mit Brennstoffzellen-Antrieb. Die V-Klasse – offiziell wird das Modell erst ab September verkauft – hat einen 45 kW/62 PS-Elektromotor unter der kurzen Haube und ein systemintegriertes Brennstoffzellen-Kraftwerk mit 50 kW Leistung an Bord.
Die beiden Wasserstofftanks mit je 140 Liter Inhalt liegen unter einer die Karosserielinie betonenden Haube auf dem Dach. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 110 km/h und die Reichweite gut 250 Kilometer. Den Insassen gehören die sechs Sitzplätze ohne Einschränkung.
Anstelle der zwölf Brennstoffzellen-Stacks im NECAR 1 mit einer Gesamtleistung von 50 kW gibt es im NECAR 2 nur noch zwei aus jeweils 150 Zellen bestehende Stacks mit der gleichen Gesamtleistung. Erreicht wird dies vor allem durch grundlegend neu gestaltete Brennstoffzellen, mit dem Ergebnis einer effektiveren Leistungsausbeute und höheren Betriebssicherheit. Die Abluft aus den Brennstoffzellen wird zur Energie-Rückgewinnung genutzt und zur energetisch optimalen Luftversorgung der Brennstoffzellen verwendet.
Insgesamt ist das in Größe und Volumen reduzierte Brennstoffzellen-System im NECAR 2 mit knapp 270 Kilogramm nur noch rund ein Drittel so schwer wie das des Vorgängers. Die Verkleinerung des Systems und die Erhöhung der Effizienz sind geglückt. Die Zukunft des Brennstoffzellen-Fahrzeugs ist etwas näher gerückt.
Der Konzern befindet sich“, so Daimler-Benz Forschungsvorstand Prof. Weule anlässlich der Vorstellung von NECAR 2, „mit dieser revolutionären Technologie weltweit weiter auf der Überholspur. Kein anderes im Automobilbau tätige Unternehmen, sei es in Europa, den USA oder Fernost, hat in seinen Forschungsaktivitäten zur Brennstoffzelle unseren Stand erreicht.
Die Vorstellung von NECAR 2 verursacht weltweit großen Wirbel: „The Times“ nennt NECAR 2 „einen Durchbruch im abgasfreien Autofahren“. „Reuters“ nennt es „einen Riesenschritt vorwärts für Daimler und Ballard, die die Zellen auf weniger als 1/5 ihrer ursprünglichen Masse ohne Leistungsverlust reduziert haben.“ Der spezialisierte „Hydrogen & Fuel Cell Letter“ weist darauf hin, dass der Zeitplan der Energiebehörde der USA ein Brennstoffzellen-Energiesystem nicht vor 1998, das Konzept für ein Auto bis 2000 und einen Prototyp nicht vor 2004 vorsieht. Nach Schätzung des Letters „ist Daimlers bekannt gegebener Zeitplan den US-Plänen um mindestens vier Jahre voraus“.
NEBUS, 1997: Umweltfreundlicher Linienbus
Erste Überlegungen zu einem Bus mit Brennstoffzellen-Antrieb werden bereits im März 1994 angestellt, noch vor der Vorstellung von NECAR 1. Am 26. Mai 1997 stellt Daimler-Benz schließlich den NEBUS (New Electric Bus) in Stuttgart vor. Er ist das Resultat der Zusammenarbeit der Daimler-Benz Forschung, der EvoBus GmbH, des Kompetenz-Zentrums für emissionsfreie Nutzfahrzeuge (KEN) des Konzerns und der Zahnradfabrik Friedrichshafen.
Basis des NEBUS ist der Mercedes-Benz Standardlinienbus O 405 OH. Er nutzt Wasserstoff als Energieträger und ist damit ein echtes „Zero Emission Vehicle“. Dank Elektroantrieb ist er extrem leise; zu hören ist lediglich das Summen der Radnabenmotoren und des Luftkompressors sowie die Reifengeräusche. Der praxisnahe Bus mit TÜV-Zulassung ist 2,50 Meter breit, 3,50 Meter hoch, 12 Meter lang, hat ein Leergewicht von 14 Tonnen und bietet Raum für 34 Sitz- und 24 Stehplätze. Die Einstiege sind nur rund 34 Zentimeter hoch. Dieses Niederflurkonzept wird möglich durch den von der ZF Friedrichshafen entwickelten Radnabenantrieb, bei dem radnahe Elektromotoren den Strom der Brennstoffzellen direkt auf die Räder übertragen. Beim Bremsen dienen die Radnabenmotoren als Motorbremse, produzieren dabei überschüssigen Strom, der in wassergekühlten Bremswiderständen auf dem Dach in Wärme umgewandelt und an die Luft abgegeben wird. Getriebe und Kardanwelle wie beim Dieselbus sind entbehrlich.
Mit einer Tankfüllung hat der NEBUS eine Reichweite von 250 Kilometer, ohne weiteres ausreichend für das durchschnittliche Tagespensum eines Linienbusses von 140 bis 170 Kilometern. Seine Höchstgeschwindigkeit liegt bei 80 km/h.
Dank der leistungsfähigen Radnaben-Motoren entfallen Schaltvorgänge, der Bus punktet bei den Passagieren mit einer stufenlos sanften Beschleunigung. Die Reaktionszeit der Brennstoffzellen ist sehr dynamisch, denn beim Druck auf das Gaspedal erfolgt die Leistungsabgabe in weniger als einer Sekunde und ist mit der eines guten Dieselmotors durchaus vergleichbar. An der Hinterachse sitzt links und rechts je ein luftgekühlter 75 kW/102 PS-Drehstrom-Asynchronmotor. Die Gesamtleistung von 150 kW/204 PS entspricht der eines guten Dieselantriebs. Hinzu kommen zusätzliche Versorgungssysteme und Reserven für das elektrische Bordnetz mit Lenkhilfe, Druckluft, Bremsen und Türsteuerung.
Zehn im Heck des Busses montierte Stacks mit je 150 Brennstoffzellen liefern im NEBUS eine Gesamtleistung von 250 kW und eine Spannung von 720 Volt. 21 Kilogramm Wasserstoff sind in sieben auf dem Dach installierten glasfaserummantelten Aluminium-Drucktanks mit einem Druck von 300 bar gespeichert.
Der NEBUS ist gegenüber einem konventionellen Dieselbus um rund 3,5 Tonnen schwerer und hat einen relativ hohen Schwerpunkt. Damit die Dachlast von etwa 1900 Kilogramm besonders bei Kurvenfahrten nicht jedes Nicken und Wanken verstärkt, unterdrückt eine speziell entwickelte, sensorgesteuerte adaptive Dämpferregelung diese Neigungen, indem sie Zug- und Druckstufen der Stoßdämpfer den unterschiedlichen Belastungen anpasst und nur geringe Schräglagen zulässt, sehr zum Wohle der Passagiere und deren Sicherheit.
Im gesamten elektrischen Bordnetz gibt es drei unterschiedliche Spannungsebenen: 600 Volt für den Fahrbetrieb und die ZF-Achse mit den Radnabenmotoren; 380 Volt für die Lenkhelfpumpe und den Druckluftkompressor und schließlich 24 Volt für die Bordspannungs-Versorgung sowie die Reserve-Lenkhelfpumpe. Ein weiteres umweltfreundliches Detail stellen die Solardachluken dar. Mit ihrer Hilfe wird der von Solarzellen erzeugte elektrische Strom für den Betrieb der Klima- und Lüftungskanäle umgesetzt, unanhängig vom übrigen Bordnetz.
Der NEBUS beweist seine Alltagstauglichkeit bei ersten realen Einsätzen in Mannheim, danach folgen weltweit entsprechende Demonstrationen an verschiedenen Orten.
1998 liefert der Daimler-Benz Kooperationspartner Ballard Power Systems Inc. je drei amerikanische „P3“-Prototypen-Busse mit Brennstoffzellen-Antrieb als Erprobungsträger an die Chicago Transit Authority und an die BC Transit, Vancouver.
NECAR 3, 1997: A-Klasse mit Methanol-Reformer im Kofferraum
Dr. Dieter Zetsche, seinerzeit Entwicklungschef, spricht sich im April 1996 im Vorstand nachdrücklich dafür aus, das nächste Brennstoffzellen-Konzeptfahrzeug – geplant ist der Aufbau einer Mercedes-Benz A-Klasse mit Methanol-Betrieb – so schnell wie möglich auf die Räder zu stellen, auch dann, wenn der in Entwicklung stehende Methanol-Reformer noch nicht so im Volumen minimiert sein sollte, dass er in den Sandwichboden der A-Klasse passt.
Mit dem geplanten Fahrzeug ist Prof. Weule endlich am Ziel seiner Vision von 1991, wonach er sich vorstellte, binnen fünf Jahren mit einem Fahrzeug unterwegs sein zu können, das als Treibstoff das leicht zu handhabende Methanol nutzt, welches an Bord zu Wasserstoff reformiert wird.
So beginnt am 10. September 1997 mit der Vorstellung von NECAR 3 in Frankfurt am Main eine neue Ära alternativer Fahrzeugantriebe – ein Wagen auf Basis der A-Klasse, dem kompakten Mercedes-Benz mit doppeltem Boden und bescheidenen 3,60 Metern Länge. Die bahnbrechende Innovation in diesem Wagen ist das weltweit erste Brennstoffzellen-System mit bordintegrierter Wasserstoff-Erzeugung. Als Kraftstoff dient Methanol, aus dem mit Hilfe eines Reformers der für den Betrieb der Brennstoffzelle nötige Wasserstoff erzeugt wird.
Der Reformer – eine umfangreiche Eigenentwicklung von Daimler-Benz und noch in einem frühen Entwicklungsstadium – ist im NECAR 3 eher ein Labormodell. Er benötigt viel Platz im hinteren Fahrgastraum und bedarf einer weiteren deutlichen Verkleinerung. Der „Rest“ des Brennstoffzellen-Systems arbeitet bereits „unterflur“. Beim Tritt auf das buchstäbliche Gaspedal reagiert das System in nur zwei Sekunden mit rund 90 Prozent der maximalen Leistung – ein Brennstoffzellen-Fahrzeug also mit der Antriebsdynamik eines Automobils mit Verbrennungsmotor.
Die Limousine ist die erste Version einer neuen Generation von Brennstoffzellen-Fahrzeugen, die sowohl zur Nutzung in dichtbesiedelten Innenstädten als auch für den individuellen Überland-Verkehr geeignet ist, denn die Betankung mit Methanol – jede Tankstelle könnte in Zukunft diesen Kraftstoff anbieten – wäre für den Besitzer eines solchen Fahrzeuges eine altbekannte Übung.
Wie bei NECAR 2 genügen bei NECAR 3 ebenfalls zwei Stacks mit jeweils 150 Brennstoffzellen, um 50 Kilowatt Leistung zu erzeugen. Sie arbeiten bei einer Temperatur von etwa 80 Grad Celsius. Das beim Betrieb der Brennstoffzellen anfallende Wasser wird wieder für die Reformierung des Methanols zu Wasserstoff genutzt.
Die Tankfüllung von 38 Liter Methanol ergibt eine Fahrstrecke von reichlichen 300 Kilometern, und sein 45 kW/61 PS leistender Elektromotor erlaubt eine – absichtlich begrenzte – Spitzengeschwindigkeit von 120 km/h.
NECAR 4, 1999: Fahrspaß ohne Emissionen
NECAR 4, ebenfalls auf Basis der Mercedes-Benz A-Klasse, ist ein „ZEV“, ein Zero Emission Vehicle, ein Null-Emissions-Fahrzeug mit reinem Wasserstoffbetrieb und wird am 17. März 1999 in Washington D.C. von den damaligen DaimlerChrysler Vorstands-Vorsitzenden Jürgen E. Schrempp und Robert J. Eaton der Weltöffentlichkeit vorgestellt. Hervorstechende Merkmale sind der Platz für fünf Personen samt Gepäck, die Reichweite von mehr als 450 Kilometer und der Fahrspaß mit 145 km/h Spitzengeschwindigkeit. Kurz: Emotion statt Emission.
Die zwei Stacks des NECAR 4 bestehen jeweils aus 160 einzelnen, eng gepackten Brennstoffzellen, die zusammen eine Leistung von 70 Kilowatt erreichen und damit rund 40 Prozent mehr als noch im Vorgänger NECAR 3. Sie passen zusammen in einen koffergroßen Kasten und finden so komplett im Unterboden der A-Klasse Platz.
Die Feinarbeiten an den Zellkomponenten ergeben eine deutliche Verbesserung der Stromerzeugung und der Stromstärke, die jetzt bei 340 Ampere liegt – im Gegensatz zu den 260 Ampere von NECAR 3 – ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen. Wirkungsgrad bedeutet in diesem Fall: Von der chemischen Energie, die im Wasserstoff steckt, werden bei Teillast bis zu 80 Prozent in elektrische Energie umgewandelt, bei Volllast noch immer gute 50 Prozent.
Beim NECAR 4 präsentieren sich auch Elektromotor und Getriebe in neuer Auslegung: Bei dem im Bug der A-Klasse quer liegenden Asynchronmotor mit einer Leistung von 55 kW/75 PS ist ein neues Bauprinzip verwirklicht, bei dem der Motor die Antriebsachse umschließt. Das Getriebe ist Platz sparend in die rechte Seite des Motors integriert. Von dort führt eine Halbwelle direkt zum rechten Vorderrad, die andere läuft durch den Motor hindurch zum linken Rad. Außerdem erreicht dieser Motor sein maximales Drehmoment bereits beim Anfahren, ausschlaggebend für ein sehr dynamisches Fahrverhalten.
Der minus 253 Grad Celsius kalte Flüssigwasserstoff befindet sich im Heck in einem 100 Liter oder fünf Kilogramm fassenden zylindrischen Tank, der von unten etwas in den Kofferraum hineinragt. Um die Extremtemperatur zu halten, besteht er aus zwei ineinander gefügten Stahlhüllen und gleicht so einer überdimensionalen Thermosflasche.
Da die Brennstoffzellen zum Betrieb jedoch gasförmigen Wasserstoff benötigen, geht der eiskalte Flüssigtreibstoff auf dem Weg zu ihnen in den Gaszustand über. Dafür sorgen zwei im Tank integrierte Heizstäbe, die bewirken, dass die Stacks beim Start sofort Wasserstoffgas erhalten und augenblicklich Strom liefern. Daraus ergibt sich ein Startverhalten, das mit dem herkömmlicher Fahrzeuge ohne weiteres vergleichbar ist.
NECAR 4 ist ein Fahrzeug, das sich sehr gut für den Flottenverkehr und Fuhrparks, für Lieferdienste und auch als Taxi eignet, die in einer begrenzten Region operieren. Die leisen und emissionsfreien Fahrzeuge können in ihren Stützpunkten an einer zentralen Wasserstoff-Tankstelle wieder mit neuer Energie versorgt werden. Die Betankung dauert kaum länger als bei einem Benzin- oder Dieselfahrzeug.
NECAR 4a (advanced) 2000: Mit Wasserstoff in die Praxiserprobung
Die NECAR 4a-Version dient der Praxiserprobung. Vorgestellt am 1. November 2000, wird NECAR 4a zum schon für Kleinserien vorbereiteten Grundstock geplanter weiterer A-Klasse-Fahrzeuge gleicher Ausführung. Sie sollen in Kalifornien bis 2003 intensive Feld- und Fahrversuche unter Alltagsbedingungen im Rahmen der „California Fuel Cell Partnership“ absolvieren.
Im Gegensatz zum 1999 vorgestellten NECAR 4 fährt der „kalifornische“ NECAR 4 mit Druckwasserstoff. Er erreicht ebenfalls eine Spitzengeschwindigkeit von 145 km/h, darüber hinaus aber eine noch höhere Fahrdynamik aufgrund des optimierten 55 kW/75 PS-Elektromotors.
Beim kompakten Brennstoffzellensystem, dessen Kern jetzt nur noch ein einziger Stack vom Typ Ballard Mark 900 mit 75 kW Leistung ist, kann das Volumen halbiert und das Gewicht nochmals um ein Drittel reduziert werden. Die drei Wasserstofftanks im Unterboden mit je 140 Liter Volumen stehen unter einem Druck von 350 bar. Die rund zwei Kilogramm Wasserstoff reichen für eine Fahrstrecke von 200 Kilometer. Der Einsatz von Leichtbaukomponenten im Fahrgastraum und bei der Karosserie mindert zusätzlich das Gewicht.
NECAR 5, 2000: Meilenstein auf dem Weg zur Serienreife
Vorgestellt wird NECAR 5, nach dem NECAR 4a eigentlich die sechste Version in der Reihe der NECAR-Konzeptfahrzeuge, am 7. November 2000 in Berlin vom damaligen Vorstands-Vorsitzenden von DaimlerChrysler, Jürgen E. Schrempp, im Beisein vom damaligen Bundeskanzler Gerhard Schröder.
NECAR 5 ist das weltweit modernste Brennstoffzellen-Auto und der gereifte Nachfolger von NECAR 3, mit dem der Konzern erstmals 1997 demonstrierte, dass sich der Wasserstoff für die Brennstoffzelle aus Methanol mit Hilfe eines Reformers an Bord des Fahrzeugs gewinnen lässt.
Der im NECAR 3 noch recht voluminöse Reformer wird in nur drei Jahren um die Hälfte verkleinert und sein Gewicht deutlich vermindert. Erstmals findet daher beim NECAR 5 das gesamte Brennstoffzellen-System einschließlich Reformer im Sandwichboden der Mercedes-Benz A-Klasse Platz, deren Innenraum nun uneingeschränkt Passagieren und Gepäck gehört. Die Höchstgeschwindigkeit liegt bei mehr als 145 km/h, und ein Nachtanken ist erst nach mehr als 400 Kilometern nötig – dank des 45-Liter-Tanks.
NECAR 5 ist insgesamt, auch aufgrund gewichtsreduzierender Maßnahmen an der Karosserie, rund 300 Kilogramm leichter als der direkte Vorgänger NECAR 3. Davon profitieren Fahrdynamik und Beschleunigung ebenso wie vom leistungsfähigeren 55 kW/75 PS-Elektromotor und der höheren Leistung der Brennstoffzelle, deren einziges Stackmodul wie bei NECAR 4a 75 Kilowatt liefert. Dieses Modul passt zusammen mit der Sensorik, den Befeuchtern und der Elektronik in einen vibrations- und schockresistenten Container von kompakten Ausmaßen (80 x 40 x 25 Zentimeter).
Der Stack Ballard Mark 900 ist bereits auf eine Produktion in größeren Stückzahlen ausgelegt. Dank eines neu entwickelten Kühlmittels auf Ethylen-Glykol-Basis ist das Antriebssystem nun auch frosttauglich und startklar selbst bei eisigem Winterwetter. Ähnlich wie früher der Dieselmotor braucht das System noch eine Aufheizzeit, bis die Arbeitstemperatur erreicht ist.
1111 Kilometer Rekordfahrt mit NECAR 5
Für die Mercedes-Benz Forschungsfahrzeuge der NECAR-Serie gilt stets das Motto: fahren, fahren, fahren. Möglichst viel, möglichst weit und möglichst lange. Um die Leistungsfähigkeit von NECAR 5 unter Beweis zu stellen, wird der Wagen im Dezember 2001 auf den Highways No. 1 und 101 in Kalifornien einer ersten Langstrecken-Prüfung unterzogen, die mit einem neuen Rekord endete: 1111 Kilometer in zwei Tagen. Bei dieser Rekordfahrt wird eine tägliche Betriebszeit von rund 13 Stunden erreicht, die der Wagen ohne nennenswerte Probleme bewältigt. Es ist die bis dato längste Testfahrt, die ein methanolbetriebenes Brennstoffzellen-Fahrzeug absolviert.
Damit erfüllt die Antriebs-Technik des NECAR 5 mit klassisch nachzutankendem Kraftstoff die in sie gesetzten Erwartungen in einem ersten größeren Ansatz. Das Testprogramm umfasst weitere Langstreckenfahrten, bei denen vor allem die Bewältigung schwieriger topographischer und klimatischer Gegebenheiten im Vordergrund stehen.
Ihr Presse-Kontakt
Birgit
Pillkahn
Redaktion & Themenmanagement Mercedes-Benz Classic
Tel.: +49 711 17-49049
Fax: +49 711 1790-97310
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