Brennstoffzelle vor dem Durchbruch?

Wer vor wenigen Jahren Flurförderzeug-Hersteller auf den Einsatz der Brennstoffzellentechnologie ansprach erntete meist nur ein schwaches Lächeln als Reaktion. Während der diesjährigen Flurförderzeugtagung aber wurde die These aufgestellt, dass der Brennstoffzelle in der Intralogistik der Durchbruch bevorsteht. Ist das aus Ihrer Sicht denn wirklich so?

Thomas Stiede, Prozess-Spezialist Logistik bei der BMW Group Werk in Leipzig: Ja, wenn es mehr Hersteller für Brennstoffzellensysteme gäbe beziehungsweise die Hersteller von FFZ selber Brennstoffzellensystem herstellen und entwickeln würden. Bisher gibt es weltweit nur sehr wenige Hersteller, die Brennstoffzellensysteme für FFZ anbieten. Flottenbetreiber prüfen intensiver ihre Prozesse und interne Kalkulation hinsichtlich der Kosten der Elektroinfrastruktur. Die wesentlichen Kriterien sind hierbei der enorme Aufwand bei der Umstellung von Blei- auf LI-Batterien, der Einfluss des Ladeverhaltens auf Energiespitzen (evtl. Zusatzzahlungen Regelenergie) und die Kosten des Wechselprozesses durch Weg-, Wechsel-und Wartezeiten. Aber auch die Kosten von Batterieladeräumen mit ihren hohen technischen Anforderungen bei beschränkter Skalierbarkeit, Poolingmöglichkeiten von FFZ in Flotten durch eingesparte Prozesszeit bei der Energieaufnahme, der Zeitverlust beim Balancing von Lithium-Ionen-Batterien und auch die Kosten für Wechselbatterien, um Ladezeiten zu kompensieren. Und natürlich spielen auch die voraussichtlichen Preise für Strom und Wasserstoff und nicht zuletzt die Anforderungen an Nachhaltigkeit eine Rolle.

Dennoch ist der Einsatz von Brennstoffzellen in der Intralogistik eine gute Entscheidung – da aktuell keine Batterie in anderthalb Minuten gesamthaft aufgeladen werden kann. Die Brennstoffzellensysteme arbeiten jedoch alle mit einer kleinen Pufferbatterie, die bei niedrigem Ladestand aus der Brennstoffzelle geladen wird. Diese Symbiose kann die Nachteile der einzelnen Technologien zugunsten des Gesamtnutzens ausgleichen. Wir brauchen also beides in der Hülle.

Dr. Kai Ruth, Director Sales & Service Motive Power Germany bei Exide Technologies, Büdingen: Die Brennstoffzelle hat den Ruf, eine besonders umweltfreundliche Alternative zu Verbrennungsmotoren zu sein. Dies wird oft dadurch plakativ dargestellt, dass bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie lediglich Wasser entsteht. Dieses grüne Etikett hat sich die Brennstoffzelle jedoch nur dann verdient, wenn der Wasserstoff zu 100 Prozent aus regenerativen Quellen stammt, z. B. der Elektrolyse mithilfe von Strom aus Windkraft.

Technisch lässt sich der Betrieb von Flurförderzeugen mit Brennstoffzellen mittlerweile gut abbilden, die Investitionskosten und laufenden Kosten – insbesondere im 100 Prozent-Öko-Betrieb – stellen sich jedoch in der Regel ohne Subventionen deutlich höher dar, als der Betrieb mit Batterien, die ebenfalls mit Ökostrom und sogar ohne schädliche Emissionen betrieben werden können.

Heiner Sternstein, Tagungsleiter der Flurförderzeugtagung und verantwortlich für technische Standards bei Linde Material Handling: Ja, ein Trend hin zum Brennstoffzellenantrieb von Flurförderzeugen (FFZ) ist gegenwärtig erkennbar. Der Blick nach Amerika zeigt uns, dass der Markt dort bereits etwas weiter ist. Vorangetrieben wird die Entwicklung durch den Markt, der zunehmend klimafreundliche Antriebe als Alternative zum Verbrennungsmotor fordert und stärker auf den Elektroantrieb setzt. Eine erfolgversprechende Alternative muss aber in Bezug auf die Leistungsfähigkeit des Antriebs Gleichwertigkeit erzielen können. Der Elektroantrieb kann beide Parameter bieten, benötigt jedoch eine ebenso performante on-board Bereitstellung der Energie wie der Verbrennungsmotor.

FFZ mit Brennstoffzellenantrieb sind technisch bereits seit längerem zur Serienreife entwickelt und mittlerweile gibt es Hersteller, die einen Großteil ihres Produktprogramms mit diesem alternativen Antrieb ausstatten können. Doch es bedurfte eines Anschubimpulses im Ringen um mehr Nachhaltigkeit und um die Brennstoffzelle für die Kunden interessant zu machen. Denn die Brennstoffzelle benötigt eine entsprechende Wasserstoffinfrastruktur, wodurch sich der Einsatz erst ab einer bestimmten Zahl von Geräten rechnet. Diese Anfangsinvestitionen sind auch der Grund, warum sich die meisten Projekte bisher nur mit öffentlicher Förderung wirtschaftlich darstellen lassen.

Mit Sicht auf die Sicherung des weltweiten Energiebedarfs ist Wasserstoff eine aussichtsreiche Alternative und somit wiederum die Brennstoffzelle eine gute Entscheidung. Damit dieser Antrieb komplett umweltverträglich wird, bedarf es in Deutschland aber der Energiewende. Mit dem aktuellen Anteil von über 50 Prozent der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen ist das noch nicht gegeben.

Der richtige Durchbruch der Brennstoffzelle als FFZ Antrieb steht zwar noch aus, mittelfristig sehe ich aber eine gute Chance.

Lithium-Ionen-Akkus versus Brennstoffzelle versus Bleibatterie: Welche Systeme werden sich aus Ihrer Sicht letztendlich und langfristig durchsetzen? Welche Gründe sprechen für – und welche gegen – die jeweiligen Energiespeicher?

Thomas Stiede: Jede Art des Energiespeicherns hat ihre Berechtigung. Die Auswahl hängt von vielen Faktoren ab, zum Beispiel von der Flottengröße, der Einsatzart, den Betriebszeiten, den notwendigen Investitionen und den Kosten für die Energie.

Die Blei-Säure-Batterie hat sicherlich ihren Vorteil auf der Investitionsseite, wenngleich sich dieser Vorteil im laufenden Betrieb durch hohe Ladezeit und kurze Lebensdauer relativiert.

Die Lithium-Ionen-Batterie kann die Reichweite des FFZ deutlich erhöhen bei gleichzeitig reduzierter Ladezeit. Aber: Dieses kurze, energieintensive Laden stellt höhere Ansprüche an die Elektroinfrastruktur. Das heißt, Leitungen müssen an die erhöhte Strommenge angepasst werden, was wiederum Investitionen auslöst. Diese Energiespitzen müssen – anwenderabhängig – als Regelenergie zusätzlich zum Ladeenergiebedarf vergütet werden. Die angebotenen intelligenten Ladegeräte kappen zwar die Spitzenlast, reduzieren jedoch auch den Ladezeitvorteil der Lithium-Ionen-Batterien. Die Lithium-Ionen- Batterie (z. B. 80 Volt) ist westlich teurer als eine Brennstoffzelle und um ein Vielfaches teurer als eine Blei-Säure-Batterie.

Die Brennstoffzelle ist hinsichtlich Reichweite und Tankzeiten mit der Dieseltechnologie vergleichbar und begeistert wie die Elektromobilität durch emissionsfreies Fahren. Die wichtigste Frage wird die Entwicklung der Energiepreise sein. Hier müssen und können Strom und Wasser-  stoff umweltfreundlich hergestellt werden. Es ist somit von einer gegenläufigen Preistrendentwicklung auszugehen.

Dr. Kai Ruth: Die intelligente Auswahl eines Antriebskonzepts setzt voraus, dass man dessen Kostenstruktur und ökologischen Fußabdruck dem Anwendungsprofil sowie den Einsatzbedingungen gegenüberstellt und analysiert. Nur die Betreiber, welche dazu unvoreingenommen in der Lage sind, werden tatsächlich das beste Antriebskonzept wählen und entsprechend nach Anwendungsszenario auf unterschiedliche Technologien setzen, um das beste Ergebnis für ihren Betrieb und die Umwelt zu erzielen.

Heiner Sternstein: Am Ende entscheidet immer der jeweilige FFZ-Einsatz, welchem Antrieb der Vorzug gegeben werden sollte. Jedes Antriebssystem, egal ob Lithium-Ionen-Batterie, Brennstoffzelle oder auch die altbewährte Blei-Säure-Batterie hat seine spezifischen Vorteile, setzt aber auch bestimmte Gegebenheiten voraus. Zum Beispiel Leistung und Verfügbarkeit der FFZ, (Stromnetz-) Infrastruktur oder die bereits erwähnte Energiewende, damit der Antrieb für den Kunden nicht nur wirtschaftlich, sondern auch klimafreundlich ist.

Neben den genannten Technologien sehe ich auch für den Verbrennungsmotor als FFZ Antrieb eine Zukunft. Neben sauberen Motoren (Stichwort neue EU-Abgasemissionen Stufe V) eröffnen neue CO₂-neutrale Kraftstoffe (Stichworte Biogas oder Gas-to-Liquid) noch ausreichend Potenzial für den Klimaschutz.

Ich bin überzeugt, dass wir zukünftig alle genannten Antriebe in FFZ finden werden und zudem Kombinationen als Hybridantriebe.

Die wichtigsten Vor- und Nachteile der einzelnen Antriebe auf den Punkt gebracht:

Elektroantriebe mit Lithium-Ionen-Batterie bieten einen hohen Wirkungsgrad, der auch das effiziente Laden des Akkumulators einschließt. Aus dieser Sicht für den Ingenieur die erste Wahl. Die Gewinnung der notwendigen Rohstoffe und das Recycling verbrauchter Batterien bedarf ökologisch noch der Nachbesserung.

Der Strom aus der kalten Verbrennung von Wasserstoff in der Brennstoffzelle ist sehr „sauber“, es entsteht Wasser und kein CO₂. Benötigt wird aber eine Wasserstoffinfrastruktur.

Die Blei-Säure-Technologie ist bewährt, die Batterien sind ausgereift und lassen sich zu 100 Prozent recyceln. Kunden, die ein FFZ tagsüber nur partiell nutzen und zudem nachts ggf. mit preiswertem Nachtstrom laden, werden auch in Zukunft entsprechend angetriebene FFZ sehr wirtschaftlich betreiben können.

Für alle drei Energiearten gilt mit Blick auf die CO₂ Emission: entscheidend ist, ob die Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen erfolgt.

Bleibt letztlich der FFZ Antrieb mit Verbrennungsmotor, welcher mit Blick auf die Performance nach wie vor das Maß der Dinge ist. In Kombination mit CO₂-neutralen Kraftstoffen und deren Herstellung aus erneuerbarer Energie lässt sich auch bei dieser Antriebsart die Auswirkung auf das Klima gebührend berücksichtigen.

Abschließend noch einen kleinen Blick in die Glaskugel: Worüber, denken Sie, werden wir uns während der FF-Tagung in zehn Jahren unterhalten?

Thomas Stiede: Bei zukünftigen Entwicklungen wird sich mehr denn je die Frage stellen, wie deren Energiebedarf auf grünem Wege gedeckt werden kann. Grüner Wasserstoff wird sowohl in puncto Energieerzeugung (Sektorenkopplung) als auch hinsichtlich Energiebedarf (stationäre und mobile Anwendungen) ein Schlüsselelement sein.

Dr. Kai Ruth: Interessanterweise sind die Schwerpunktthemen über die Jahrzehnte praktisch gleich geblieben, lediglich die Akzente haben sich ein wenig verschoben. Beste Beispiele sind der Verbrennungsmotor, der vor 40 Jahren im Zeichen der Ölkrise und heutzutage wegen der Abgasvorschriften zur Disposition steht oder das Thema Batterien, wo neben der etablierten Bleibatterie nun verstärkt über Lithium-Ionen Batterien referiert wird. Die substanziellste Veränderung sehe ich definitiv im Bereich Fahrerlose Transport Systeme (FTS). Diese werden autonom und kooperativ, was den Menschen aus der Intralogistik weitgehend verdrängen wird.

Heiner Sternstein: Wenn ich in die Glaskugel schaue, möchte ich dieses faktenbasiert tun. Die Bevölkerung auf der Erde wächst ständig. Einerseits müssen alle diese Menschen ernährt werden und möchten am Wohlstand teilhaben. Anderseits wird die Globalisierung weiter fortschreiten, was letztlich zu einem weiteren Anstieg von Warentransport und –umschlag führen wird. Alles in allem positive Aussichten für die Intralogistik.

Flurförderzeuge der Zukunft werden in jedem Fall einen Antrieb benötigen – unabhängig, ob diese von einem Fahrer bedient werden oder autonom arbeiten. Denkbar ist zudem die Ausweitung der Intralogistik in die dritte Dimension und der verstärkte Einsatz von UAS (Unmanned Aircraft System – umgangssprachlich als Drohnen bezeichnet), um weiter steigende Warenströme zu bewältigen.

Sicher wird sich der Trend zum fahrerlosen Transport fortsetzen. Unter Berücksichtigung der Chancen, die sich durch Digitalisierung und künstliche Intelligenz bieten, ist außerdem vorstellbar, dass die Produktion von Gütern autonom und sich selbst optimierend erfolgt.

Das konventionelle FFZ wandelt sich zum AGV (Automated Guided Vehicle) und wird sich zum mobilen Roboter weiterentwickeln. Mit Blick auf den gesamten FFZ Markt der Zukunft sei bemerkt, dass es auch weiterhin einen Bedarf an einfachen, fahrerbedienten FFZ geben wird. Ein Auslaufdatum existiert für diese bisher nicht. Das Programm einer Flurförderzeugtagung in zehn Jahren wird also durchaus spannend sein.