Betriebsanalyse einer Brennstoffzelle in einem Nutzfahrzeug mittels Längsdynamik-Simulation

Abstract

Der anthropogene Treibhauseffekt führt zu einer kontinuierlichen Erwärmung des Weltklimas. Dazu trägt der Transportsektor, durch die ausgestoßenen Treibhausgase, einen großen Anteil bei. Um dem entgegenzuwirken, werden die Emissionsgrenzwerte vom Gesetzgeber kontinuierlich abgesenkt. Alleinig durch die Optimierung des Verbrennungsmotors lassen sich diese vorgegebenen, ambitionierten Ziele jedoch nicht mehr erreichen. Ein vielversprechendes, umweltfreundliches Konzept für einen Sattelschlepper mit 40 Tonnen höchstzulässigem Gesamtgewicht stellt der Brennstoffzellenantrieb dar, mit welchem sich bereits einige Nutzfahrzeughersteller intensiv beschäftigen. Um die spezifischen Probleme sowie die Potenziale dieses Fahrzeugkonzepts aufzuzeigen, wurde ein Modell eines 40 Tonnen Sattelschleppers mit Brennstoffzellenantrieb für eine Längsdynamik Simulation in GT-Suite erstellt. Der Schwerpunkt wurde dabei auf den Energiefluss inklusive Wirkungsgrade, sowie der Wärmeströme gelegt. Ausgehend von den Anforderungen durch den Gesetzgeber, sowie den Transportunternehmen, wurden die einzelnen Komponenten dimensioniert. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems gelegt, da dies als eines der kritischen Systembestandteile gilt.Dabei hat sich bei der Simulation herausgestellt, dass eine hohe Lastanforderung bei niedriger Geschwindigkeit eines der Hauptprobleme ist. Dies tritt vor allem beim Befahren von längeren Steigungsstrecken auf, welche vorzugsweise bei Alpenpassüberquerungen auftreten. Eine zusätzliche Verschärfung des Problems stellen erhöhte Umgebungstemperaturen dar.Zur Bewertung des Antriebskonzepts bezüglich des Raumbedarfs wurde ein Konzept, auf Basis einer in Serie befindlichen Sattelzugmaschine, zur Anordnung der Einzelkomponenten erstellt. Dabei hat sich gezeigt, dass die gesetzlichen Rahmenbedingungen in der EU angepasst werden müssen, sodass der Brennstoffzellenantrieb konkurrenzfähig ist. Mit den heutigen geltenden Längenbeschränkungen kann nicht ausreichend Wasserstoff für eine Schichtleistung von 720 km ohne Nachzutanken im Fahrzeug gespeichert werden.Zur Bewertung des Wasserstoffverbrauchs wurden der World Harmonized Vehicle Cycle (WHVC), sowie der Long Haul Testzyklus herangezogen. Hierdurch konnten die in der Literatur genannten Wasserstoffverbräuche von 8 kg/100km – 10 kg/100km bestätigt werden.Um das Verhalten des Gesamtsystems unter herausfordernden, jedoch realen Bedingungen zu testen, wurden Teilabschnitte realer Transitstrecken auf der österreichischen Autobahn implementiert und simuliert. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine prädiktive Betriebssteuerung für den Antriebsstrang bei einem brennstoffzellenbetriebenen Sattelschlepper von großer Bedeutung ist. Mit dieser wäre es möglich das Brennstoffzellensystem sowie den Ladezustand der Pufferbatterie auf eine bevorstehende Steigungsstrecke vorzubereiten und dadurch ein Derating zu verhindern.Trotz der Herausforderungen hat dieses Antriebskonzept ein großes Potential in Zukunft den Dieselmotor im Fernverkehr abzulösen und dadurch einen emissionslosen und CO2 freien Gütertransport zu ermöglichen.

The anthropogenic greenhouse effect leads to continuous global warming. The transport sector contributes a large part, because of the emitted greenhouse gases. To counteract this problem, the legislator continuously lowers the emission limits. These ambitious goals cannot be achieved by optimizing the internal combustion engine, any further. A promising and environmental friendly concept for a semitrailer with 40 tons maximum permissible total weight is the fuel cell electric powertrain. Several commercial vehicle manufacturer conduct research and development in this field.To show the specific problems and the potential of this vehicle concept, a model for a longitudinal dynamics simulation in GT-Suite of a 40 ton semitrailer with a fuel cell powertrain was created. Energy flow including efficiencies and heat flow in the vehicle are the main focus of this paper. The individual components were dimensioned based on the legal requirements and the demand of the carrier. As the cooling system of the fuel cell is considered to be a critical component of the powertrain, special attention was paid in this regard.The simulation turned out, that a high power demand at a low vehicle speed constitutes one of the main problems. This kind of load mainly occurs on longer inclined routes, which are often present at alpine pass crossings. Further intensification of this problem is contributed by higher air temperatures.To evaluate the fuel cell powertrain in relation to the space requirement, a concept to arrange the individual components, based on a semitrailer in series production, was created. This process has shown, that the legal framework in the EU has to adjust in a way, that the fuel cell propulsion system can be competitive. With the current length restrictions it is not possible to store enough hydrogen in the vehicle for a shift with 720 km without the need of refuelling.To evaluate the hydrogen consumption of the semitrailer, the Harmonized Vehicle Cycle (WHVC) and the Long Haul test cycle were consulted. Hereby the hydrogen consumption of 8 kg/100km – 10 kg/100km, which is stated in the literature, could be confirmed.To test the behaviour of the whole system under challenging but real conditions, sections of real transit routes on the Austrian motorway were implemented and simulated. This has showen, that a predictive operation control for the propulsion system of the fuel cell electric semitrailer has a high importance. With this control strategy it would be possible to prepare the fuel cell and the state of charge of the battery for an incoming inclined route. This could prevent derating of the system.Despite the challenges this propulsion concept has a high potential to substitute the diesel engines in long haul applications. Thereby an emission and CO2 free cargo transport is possible.