HydroBot ist eine Demonstrationsplattform, die den praktischen Einsatz einer Brennstoffzelle veranschaulicht. Das Antriebskonzept des HydroBot entspricht kommerziellen Brennstoffzellenfahrzeugen.
Das Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) forscht an elektrochemischen Energiewandlern wie Brennstoffzellen und Wasserelektrolyseuren, die dabei helfen können, Energie aus erneuerbaren Energien zu speichern und wieder freizusetzen. Dabei konzentrieren sich die Forschenden der Abteilung für elektrokatalytische Grenzflächenverfahrenstechnik vorwiegend auf einzelne Brennstoffzellen und Wasserelektrolysezellen, die besser verstanden und weiterentwickelt werden müssen, um kosteneffiziente und langzeitstabile Geräte zu erhalten.
Diese einzelnen Zellen können jedoch nicht allein betrieben werden, sondern werden im Forschungsalltag in aufwendigen Testanlagen detailliert untersucht. Dabei geht allerdings allzu leicht der Blick aufs große Ganze verloren:
Was wird denn eigentlich benötigt, um von einer einzelnen Wasserstoff-Brennstoffzelle aus dem Forschungslabor zu einem Fahrzeug zu kommen, das einen emissionsfreien Elektroantrieb mittels Brennstoffzellen ermöglicht?
Der HydroBot veranschaulicht den praktischen Einsatz einer Brennstoffzelle.
Entwicklung einer Demonstrationsplattform
Mit dieser Fragestellung haben die Forschenden des HI ERN HydroBot entwickelt. Diese Demonstrationsplattform ist ein ferngesteuerter Roboter, dessen Antriebskonzept analog zu kommerziellen Brennstoffzellfahrzeugen ausgelegt worden ist: Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle wandelt chemische Energie, die im gasförmigen Wasserstoff gespeichert ist, in elektrischen Strom um, der wiederum dazu genutzt wird, die Elektronik und Motoren des Fahrzeugs mit Energie zu versorgen.
HydroBot soll sowohl Studierenden und Promovierenden am HI ERN, als auch interessiertem Publikum von extern als Anschauungsmaterial für den praktischen Einsatz einer Brennstoffzelle dienen. Deshalb wird das Projekt unter anderem bei der Langen Nacht der Wissenschaften 2025 im Städtedreieck Nürnberg, Fürth und Erlangen vorgestellt.
Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, der die chemische Energie aus einem Brennstoff wie Wasserstoff in elektrische Energie umwandelt, also Strom erzeugt. Doch eine einzelne Brennstoffzelle liefert eine Spannung von weniger als 1 V, weniger als eine herkömmliche AA-Batterie. Deshalb müssen mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, zu einem sogenannten Stack („Stapel“), um brauchbare Spannungen zu generieren, analog zu batteriebetriebenen Elektrogeräten, die mehr als eine Batteriezelle benötigen, oder Batteriepacks in E-Bikes und E-Autos.
Was wird für den Betrieb einer Brennstoffzelle benötigt?
Neben dem Stack, den in Reihe geschalteten Einzelzellen, benötigt eine Brennstoffzelle einige weitere Komponenten für den Betrieb: Der gasförmige Wasserstoff muss sicher gespeichert und kontrolliert dem Stack zugeführt werden, der Stack muss im Betrieb aktiv gekühlt werden und die Brennstoffzelle muss überwacht und angesteuert werden. Für diese Funktionen wird sowohl die passende Elektronik als auch eine externe Stromquelle benötigt, denn die Elektronik muss bereits vor dem Start der Brennstoffzelle mit Energie versorgt werden, also noch bevor die Brennstoffzelle Energie liefern kann.
Wieso enthält ein Brennstoffzellenfahrzeug eine Pufferbatterie?
Brennstoffzellen können sich zwar schnell an wechselnde Lasten anpassen, doch um die benötigten Leistungsspitzen bei starken Beschleunigungen liefern zu können, ist es hilfreich, eine Pufferbatterie einzusetzen. Dadurch wird es möglich, die Brennstoffzelle kleiner zu dimensionieren, sodass sie lediglich die durchschnittlich benötigte Leistung für das Fahrzeug zur Verfügung stellen muss. Die Brennstoffzelle lädt bei geringer Last die Batterie, und bei Bedarf kann die Batterie zusätzlich Energie zur Verfügung stellen, um Spitzenlasten abzudecken. Die Pufferbatterie dient außerdem als externe Stromquelle, um die Brennstoffzelle sicher starten zu können. Zudem ermöglicht der Einsatz einer Pufferbatterie das Speichern von Energie bei Bremsvorgängen. Da eine Brennstoffzelle lediglich Strom erzeugen, aber nicht speichern kann, profitiert das Brennstoffzellenfahrzeug dadurch vom regenerativen Bremsen (Rekuperation) des Elektroantriebs. So wird durch eine geeignete Dimensionierung von Brennstoffzelle und Batterie ein möglichst platz- und gewichtssparendes sowie effizienz- und kostenoptimiertes Energieversorgungssystem möglich.
Welches Ziel verfolgt das Projekt HydroBot?
HydroBot soll das generelle Konzept hinter einem Brennstoffzellenfahrzeug möglichst anschaulich darstellen. Dazu nutzt der Roboter als Brennstoffzelle einen 60-W-Stack der Firma Horizon Educational, der mit Wasserstoff aus Metallhydrid-Speicherkartuschen versorgt wird. Diese Brennstoffzelle wird durch eine eigens entwickelte Elektronik in das Bordspannungsnetz des Roboters integriert. Eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie mit 12.8 V Spannung dient hierbei als Pufferbatterie und definiert die Bordspannung des Fahrzeugs. Als Antrieb nutzt HydroBot sogenannte Mecanum-Räder. Dabei handelt es sich um einen Vierradantrieb mit Spezialrädern, der es dem Fahrzeug erlaubt, sich ohne klassische Lenkung zur Veränderung der Radwinkel auf der Stelle zu drehen und in jede beliebige Richtung zu fahren. Die Räder werden von vier Gleichstrom-Bürstenelektromotoren angetrieben.
Wie erlaubt HydroBot einen Blick hinter die Kulissen?
HydroBot wird mit einer selbst entwickelten Fernsteuerung kontrolliert, die es dem Nutzenden erlaubt, die relevanten Sensordaten der eingesetzten Batterie und Brennstoffzelle zu überwachen und die Brennstoffzelle per Knopfdruck an- oder abzuschalten, sodass HydroBot anschaulich demonstriert, wie Brennstoffzelle und Batterie miteinander verschaltet werden, um ein Elektrofahrzeug betreiben zu können. Die Dokumentation des Fahrzeugs ist frei verfügbar, sodass Interessierte selbst einen Blick in die Details werfen können und Weiterentwicklungen auf Basis dieser Plattform jederzeit möglich sind.
