Warum Staplerflotten künftig mit Wasserstoff fahren
09.07.2019
Dietmar Poll, Juli 09, 2019, Produktion – Technik und wirtschaft für die Deutsche Industrie.
Flurförderzeughersteller bieten vermehrt den Brennstoffzellenantrieb an. Wie sich Wasserstoff-Stapler im Betrieb schlagen, testen mehrere Unternehmen aus und haben erste gute Erfahrungen gemacht. Was das für Lithium-Ionen- und Diesel-Stapler bedeutet.
Brennstoffzellentechnologie auf dem Vormarsch im BMW-Werk in Leipzig. Die Betankung von Flurförderfahrzeugen mit Wasserstoff ähnelt einem Autogastankprozess. – Bild: BMW
„Unsere Kunden suchen nach wirtschaftlichen Energielösungen, deren CO2-Fußabdruck immer öfter eine entscheidende Rolle spielt“, sagt Markus Weinberger, International Product Manager Energy Solutions bei Linde Material Handling. Mit dieser Meinung steht Linde MH nicht alleine da, ein Umdenken findet in der Branche statt.
Das ist bei Still oder Toyota MH (siehe Interviewkasten unten) nicht anders. Linde MH habe die Brennstoffzellentechnologie bei ersten Geräten ab 2010 in die Serienfertigung aufgenommen. Rund 80 % aller Modelle seien bei Linde MH mit der zukunftsträchtigen Energievariante bestellbar. Dazu gehören Niederhubwagen, Schlepper oder Schubmaststapler sowie Gegengewichtstapler inklusive des Roadster-Modells.
Brennstoffzellen-Gabelstapler
„Weil der Roadster seine Stärken vor allem im Indoor-Bereich ausspielt, erschien uns die Kombination mit der Brennstoffzellentechnologie ideal“, begründet Linde-Experte Weinberger die Erweiterung des Portfolios. Schließlich erzeuge das Energiesystem im Betrieb keinerlei Emissionen. Die Energiegewinnung erfolge durch die chemische Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff.
Der so erzeugte Strom speise eine Lithium-Ionen-Batterie, die wiederum Fahr- und Hubmotoren versorgt; zugleich diene der Akkumulator als Zwischenspeicher für rückgewonnene Bremsenergie und ‚Kraftreserve‘ bei Leistungsspitzen. Als Nebenprodukte fielen im Prozess lediglich Wärme und reines Wasser an. Letzteres werde beim Nachtanken von Wasserstoff abgepumpt.
Welche Vorteile die Technik für Gabelstapler bietet
Stichwort Tanken: Hier offenbare sich die größte Stärke der Brennstoffzellentechnologie: Ein kompletter Tankvorgang nehme gerade einmal drei Minuten in Anspruch. Das sorge für maximale Verfügbarkeit – speziell bei harten Mehrschichteinsätzen, wo das Energiesystem darüber hinaus durch seine kontinuierliche Leistungsabgabe Vorzüge mit sich bringe. Da der einfache, schnelle und saubere Tankvorgang Batteriewechsel obsolet mache, prädestiniere dies den Brennstoffzellen-Roadster selbst für die Verwendung in hygienekritischen Branchen wie der Pharma- oder Food-Industrie.
Natürlich spiele auch der Faktor Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle. Linde-Experte Markus Weinberger: „Unsere Untersuchungen und Praxistests belegen, dass sich Brennstoffzellensysteme ab einem Gebrauch von rund 20 Fahrzeugen wirtschaftlich rechnen können. Verfügt das Unternehmen bereits über eine eigene Wasserstoff-Infrastruktur, da Wasserstoff in der Produktion ohnehin benötigt wird, wird das Konzept ökonomisch noch attraktiver.“
Erneuerbare Energien für Wasserstoff-Gabelstapler
Hinzu komme eine ganze Reihe ökologischer Benefits, angefangen bei der mit rund 10 000 Betriebsstunden vergleichsweise langen Lebensdauer einer Brennstoffzelle bis hin zu den CO2-Einsparungen, wenn der erzeugte Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie beispielsweise Biogas oder einer Elektrolyse durch Sonnen- und/oder Windenergie stamme.
Eigentlich seien doch Lithium-Ionen-Akkus bei Flurförderzeugen in den letzter Zeit dabei, die Blei-Akkus abzulösen. Warum BMW im Werk Leipzig jetzt bei den Routenzügen auf den H2-Antrieb setzt, erklärt Thomas Stiede, dortiger Prozessspezialist Logistik: „Die Brennstoffzellensysteme bieten neben der schnellen Füllzeit weitere Vorteile gegenüber der Batterietechnik. Unsere Brennstoffzellensysteme besitzen ebenfalls ein kleine Batterie der neuesten Generation und verbinden somit die Vorteile aus beiden Welten.“
Wasserstoff-Tankstelle bei Carrefour für 137 Lagertechnik-Fahrzeuge der Still GmbH. – Bild: StillVerzicht auf Blei-Säure-Batterie
Innerhalb der bestehenden Flotte habe BMW die Blei-Säure-Batterie entnommen und die Brennstoffzellensysteme eingesetzt. Ein Rücktausch sei zudem jederzeit möglich (Plug & Play). „Die Handhabung des Tankvorgangs ist ebenfalls unkompliziert und ist dem Autogastankprozess sehr ähnlich“, erklärt Stiede. Aktuell sehe der Intralogistik-Mix an Flurförderzeugen im Werk Leipzig noch wie folgt aus: Circa 55 % Bleisäure-Batterien-, 20 % Brennstoffzellen- und 25 % Lithium-Ionen-Technik. Dieses Verhältnis unterliege jedoch einer stetigen Veränderung.
Wie aufwendig die Errichtung einer H2-Infrastruktur ist, erklärt Stiede: „Die Errichtung der Infrastruktur erfolgte während des Produktionsbetriebes und ist mit intensiver Planung nicht komplexer als eine Elektroinfrastruktur. Vor Baubeginn sind jedoch die behördlichen Genehmigungen – zum Beispiel Prüfung im Rahmen des Bundesimmissionsschutzgesetz und der Betriebssicherheitsverordnung – notwendig.“
Wie H2 günstiger hergestellt werden kann
Während Wasserstoff landläufig ‚umweltneutral‘ klingt, braucht es für die Elektrolyse und somit die Herstellung schließlich auch Energie, die ja erst produziert werden muss. Dazu erläutert Stiede: „Ja genau, der Strom ist jedoch regelmäßig zu viel im Netz, vor allem bei Sonnen- und Windspitzen, sodass der Strompreis gen null Euro geht beziehungsweise negativ wird. Diese Zeiträume für eine dynamische Elektrolyse zu nutzen, ist eine Herausforderung für die Zukunft.“ Des Weiteren könne H2 auch umweltfreundlich durch die kostengünstige Reformierung von Biogas hergestellt werden. Dieser grüne und CO2-freie Wasserstoff könne auch für synthetische Kraftstoffe interessant werden. „Die politischen und preislichen Abhängigkeiten wie bei Öl, Seltenen Erden, Lithium, Kobalt gehen somit zurück“, zeichnet Stiede weitere Vorteile der Wasserstoffnutzung auf.
FFZ mit Brennstoffzellentechnologie: Das sind die Vorteile im BMW-Werk Leipzig
- Schnellere Füllzeit (ca. 1,5 min inklusive Rüstzeit zu ca. 1 h Laden bei 17 h Nutzungszeit)
- Lebensdauererwartung ca. 20 000 Betriebsstunden
- Geringes Gewicht
- Tankstellen sind optimal im Logistikprozess positioniert und somit entfallen unproduktive Wegzeiten
- Kosten Brennstoffzelle analog mit Li-Ionen Batterie
- Vermeidung Netzlastspitzen (bei Li-Ionen hohe Anschlusswerte pro Gerät)
- Verringerung Regelenergiebedarf
- Stromspeicher Tank (Kostengünstig durch konventionelle Gasflasche 350 bar)
- Hohe Skalierbarkeit (eine Tankstelle bei BMW kann ca. 300 Routenzüge betanken)
- Abwärme für Hallenheizung nutzbar
- Nutzung von grüner Energie
- Gas unterliegt nicht EEG Umlage / geringe Netzentgelte
- Regenerativer Überschussstrom kann per Elektrolyse zu grünem Wasserstoff umgewandelt und gespeichert werden (Beitrag Energiewende / Sektorenkopplung)
Carrefour setzt auf Stapler von Still
Auch das französische Handelsunternehmen Carrefour setzt in seiner neuen Logistikbasis in Vendin-Le-Vieil, Nordfrankreich, auf eine wasserstoffbetriebene Flotte von 137 Lagertechnik-Fahrzeugen der Still GmbH. Das sei europaweit der bisher größte Einsatz von Brennstoffzellen-Staplern. 36 FM-X-Schubmaststapler, 78 CX-S Horizontalkommissionierer, 6 EXD-S Doppelstockhochhubwagen und 17 EXU-S Niederhubwagen. „Seit 2013 hat Still regelmäßig Wasserstoff-Projekte mit unterschiedlichen Fahrzeugtypen umgesetzt. Unser Ziel ist es, unseren Kunden die für sie beste Lösung zu bieten. Die wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle ist dabei eine Technologie, die viele Vorzüge bietet wie zum Beispiel eine maximale Verfügbarkeit“, erklärt Björn Grünke, Produktmanager Energiesysteme bei Still.
Besserer CO2-Footprint
Carrefour-Standortdirektor Alain Audegond ist von der Leistung und Handhabung der Brennstoffzellen-Stapler überzeugt: „Durch den Einsatz der wasserstoffbetriebenen Fahrzeugflotte konnten wir nicht nur unseren CO2-Footprint reduzieren, sondern durch den Wegfall des Batteriewechsels auch das Handling für unsere Mitarbeiter vereinfachen und ergonomischer gestalten. Außerdem benötigt die Befüllstation keinen abgeschlossenen Raum, sondern konnte direkt neben den Rampen installiert werden. Und schließlich benötigen wir insgesamt weniger Fahrzeuge und für die Brennstoffzellen-Fahrzeuge keine Wechselbatterien und sonstige Infrastruktur für einen Batteriewechsel.“
Tankzeit, Lebenserwartung und Skalierbarkeit
Stiede sieht ebenfalls Vorteile gegenüber batteriebetriebenen FFZ und führt Aspekte wie Tankzeit, Lebenserwartung, Skalierbarkeit, Entfall von Laderäumen sowie Entfall von Wechselbatterien auf. Ferner sieht er eine Wegzeitenoptimierung, Poolingeffekte in der Großflotte sowie die Möglichkeit der Onsite-Wasserstofferzeugung über einen Pipelineanschluss (H2/Erdgas) oder Elektrolyse. Auch die Verringerung der Elektroinfrastruktur (Trafo, Kabel, Verteilungen) sowie reduzierte Netzlastspitzen spielten für ihn eine positive Rolle.
Interview: Kai Hesse, Toyota MH: „Der Anspruch, die CO2-Emissionen weiter zu senken, ist ein wesentlicher Treiber“
Herr Hesse, in welche Richtung bewegen wir uns in der Antriebstechnologie?
Neben dem Interesse an der Technologie können wir heute beobachten, dass unsere Kunden immer mehr dazu bereit sind, auch in neue Energielösungen zu investieren. Der Anspruch, die CO2-Emissionen weiter zu senken, ist ein wesentlicher Treiber für den steigenden Einsatz von Antriebsalternativen wie Lithium-Ionen-Systeme und Brennstoffzellen. Die bei vielen Geräten realisierte Gewichtsreduktion sowie die gute Energie-Effizienz der Lithium-Ionen-Technologie ermöglichen es dem Betreiber, nicht nur Energiekosten zu sparen, sondern auch den CO2-Ausstoß zu verringern.
Wie steht es denn um den Diesel, hat diese Technologie inzwischen bei Flurförderzeugen ausgedient?
Die immer strengeren Abgasnormen, beim Diesel demnächst die Stufe 5, erfordern eine aufwendigere Technik, die natürlich ihren Preis hat. Daher werden die Produktionskosten für Verbrenner steigen – sowohl für Treibgas- als auch insbesondere für Dieselgeräte. Auch nationale Regeln wie die TRGS554, die sich derzeit in der Überarbeitung befindet, könnten die Hemmschwelle für eine Investition für Diesel-Stapler erhöhen. Denn zukünftig wird eine schriftliche Dokumentation erforderlich sein, die darlegt, ob das optimale Gerät für den Inneneinsatz ausgewählt wurde. Bereits heute bedeutet der Einsatz von Dieselstaplern in Innenräumen einen Mehraufwand, daher sind die Anwendungsmöglichkeiten Flurförderzeuge mit dieser Antriebsart auf wenige Bereiche begrenzt. Dennoch wird es immer Einsätze geben, in denen der Dieselstapler seine Vorteile voll ausspielt – vor allem im Außenbereich werden die Stapler für besonders schwere Lasten gerne genutzt. Momentan ist der Markt in diesem Segment stabil, das könnte sich aber zukünftig ändern.
Toyota ist ebenfalls Anbieter von Lösungen mit Brennstoffzellen-Technologie. Welche Vorteile hat diese Antriebslösung und wie weit ist ihr Einsatz in der Intralogistik?
Ursprünglich für den Antrieb von Raumfahrzeugen entwickelt, besitzt die Brennstoffzelle heute das Potenzial für viele weitere Anwendungsgebiete. Reines Wasser wird zum Beispiel mithilfe von elektrischem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, dieses Verfahren nennt sich Elektrolyse. Wenn der dafür benutzte Strom aus Windkraftanlagen, Solaranlagen oder anders umweltfreundlich hergestellt wird, bietet Wasserstoff eine absolut saubere beziehungsweise grüne Energie. Wasserstoffbetriebene Geräte emittieren kein CO2 und auch keine anderen schädlichen Gase wie flüchtige organische Verbindungen, Kohlenmonoxid und Stickoxide.
Einziges Abfallprodukt der Brennstoffzelle ist Wasser. Die Brennstoffzellentechnologie kann mittlerweile als marktreif betrachtet werden, denn wir haben inzwischen ganze Flotten in Nordamerika, Europa und Asien realisiert.
Was sollten Kunden bei der Auswahl eines umweltfreundlichen Antriebs beachten?
Zuerst einmal sind Lithium-Ionen- oder Brennstoffzellen-Technologien beratungsintensiv, denn je nach Betrieb, Architektur und dergleichen benötigt man unterschiedliche Fahrwerke. Brennstoffzellen-Flurförderzeuge haben den Vorteil, dass Sie nach drei Minuten Betanken für durchschnittlich sechs Stunden laufen können. Elektrostapler brauchen bis zur vollen Aufladung mehrere Stunden, sind demnach eher für eine Schicht geeignet. Mit Lithium-Ionen-Batterien können die Stapler auch mehrschichtig eingesetzt werden, dafür braucht man wiederum die Möglichkeit der Zwischenladung mit entsprechender Infrastruktur. Noch ist Strom preiswerter als Wasserstoff, das könnte sich aber ändern, wenn die H2-Produktion steigt. Aufgrund des Kosten- und Zeitdrucks in der Logistik kann sich bereits heute eine Investition in die Brennstoffzellen-Technologie sowie die zugehörige H2-Infrastruktur rentieren. Empfehlenswert ist dann die komplette Umstellung des Standorts.