Baumaschine mit Brennstoffzelle
Dieser 20-Tonner baggert mit Wasserstoffantrieb

Auch Baumaschinen müssen in Zukunft CO₂-neutral werden. Hersteller wie JCB entwickeln bereits Alternativen zum Diesel, stoßen aber an Grenzen – wie der 20-Tonnen-Bagger 220X mit Wasserstoff-Brennstoffzelle zeigt.

JCB 220X Hydrogene Wasserstoff Brennstoffzelle
Foto: Markus Schönfeld

Es herrscht friedliche Stille auf dem Firmengelände von JCB in den englischen Midlands. Dann reißt plötzlich eine riesige Schaufel den steinigen Boden auf, hebt sich in die Luft und setzt den Kubikmeter Erde ein paar Meter weiter wieder ab. Fast lautlos arbeitet hier ein großer 20-Tonnen-Kettenbagger. Kein Motoren-Geräusch, keine stinkenden Diesel-Abgase. Nur ein paar Lüfter sind zu hören. Und aus dem Auspuff strömt Wasserdampf.

Tatsächlich läuft dieser weiß-grün lackierte JCB 220X elektrisch. Den Strom zieht er nicht aus einem dicken Kabel oder einer riesigen Batterie, sondern aus der Wasserstoff-Brennstoffzelle in seinem Heck. Die versteckt sich genau dort, wo normalerweise der 4,8-Liter-Vierzylinder-Turbodiesel (173 PS) bei etwa 1.500 Umdrehungen arbeitet. Einen Auspuff trägt der Wasserstoff-Bagger dennoch. Aus ihm strömen aber kein CO2, keine Stickoxide oder andere Schadstoffe mehr – sondern nur sauberer Wasserdampf.

Unsere Highlights

Fünf Jahre lang weiterentwickelt

Das hier gezeigte Vorführmodell ist bereits der zweite Prototyp, den der britische Bau- und Landmaschinenhersteller JCB mit Brennstoffzellen-Antrieb entwickelt hat. Denn die Engländer setzten die CO₂-Neutralität schon sehr früh auf ihre Agenda, analysierten seither sämtliche alternativen Antriebe. Banal ist ein solches Brennstoffzellen-Projekt bei Weitem nicht. Denn während in herkömmlichen Baumaschinen nur ein Großserien-Dieselmotor die Hydraulikpumpen antreibt, ist die Abstimmung von E-Motoren, Leistungselektronik, Brennstoffzelle und Puffer-Akku extrem komplex.

Technisch gesehen schien sich der Aufwand für den Bau- und Landmaschinenhersteller JCB aber zu lohnen. Die Idee eines reinen Batterie-elektrischen 20-Tonners verwarfen die Engländer dagegen früh. Schließlich müsste ein solches Modell mit einem 10.000-kWh-Akku ausgerüstet sein, damit er wenigstens eine lange Arbeitsschicht durchhält. Doch damit wäre der Batterie-Bagger nicht nur zehn Tonnen schwerer, sondern auch knapp fünfmal so teuer wie sein Diesel-Pendant. Wasserstoff hingegen lässt sich einfach bei 350 bar wieder nachtanken. So kann die Maschine wie konventionelle Modelle auch einfach durchgängig betrieben werden.

Vorteile der Wasserstoff-Technik

Gerade im Vergleich zur batterieelektrischen Alternative bietet die Brennstoffzelle noch mehr Vorteile. Denn lange Stillstandszeiten zum Wiederaufladen braucht ein solcher Bagger nicht – ein wichtiges Argument in der vom Zeitdruck geprägten Baubranche. "Wir wissen aus unseren Telemetriedaten von 500.000 Maschinen weltweit, dass gerade große Baumaschinen nicht selten 15 bis 20 Stunden am Tag laufen", betont Entwicklungschef Tim Burnhope. "Ladepausen sind für unsere Kunden nicht akzeptabel". Hinzu käme ja noch der hohe Akkuverschleiß bei so vielen Lade- und Entladezyklen.

Wasserstoff kann dagegen einfach über einen Tankwagen nachgetankt werden. Auch ein solches Modell hat JCB bereits auf Basis des Allzweck-Traktors "Fastrac" entwickelt. Der Allradler kann 100 Kilogramm Wasserstoff auf die unwegsamsten Baustellen bringen. Ein Kilogramm Wasserstoff hat einen Energiegehalt von 33 kWh. Ein Liter Diesel etwa 10 kWh. In einem vollen Tanker steckt also etwa so viel mobile Energie wie in 330 Litern Diesel. Weil Elektroantriebe viel effizienter arbeiten als Dieselmotoren, ist der angelieferte Energievorrat für die Baustelle in der Praxis noch viel größer.

Wasserstofftanker auf Basis eines JCB Fastrac. In den Tank-Rucksack passen gut 100 Kilogramm Wasserstoff bei einem Druck von bis zu 500 bar.

Das ist schon deshalb wichtig, weil große Baumaschinen oft ganz allein in entlegensten Gegenden der Welt arbeiten, um beispielsweise Straßen oder Gruben zu bauen. "Stromanschlüsse zum Wiederaufladen gibt es dort in aller Regel nicht", sagt Burnhope. Die Energieversorgung muss also weiterhin transportabel und flexibel sein.

Der größte Vorteil von Wasserstoff ist die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen und all ihren Schattenseiten. Dazu gehören die Abgase, die bei konventionellen Verbrennern entstehen. Eine Brennstoffzelle verwandelt zur Stromerzeugung nur Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) zu Wasser (H2O). Und das steigt als warmer Dampf aus dem Auspuff. Damit ist ein solcher Antrieb frei von Kohlenstoffen – also auch von CO2.

Nachteile der Brennstoffzelle

Als ideale Lösung sieht JCB die Brennstoffzelle im schweren Bausektor trotzdem nicht. Schon, weil der Preis für Technik und Komponenten viel zu hoch ist. In der Brennstoffzelle selbst steckt beispielsweise viel Platin, das als Katalysator und Reaktionsbeschleuniger dient. Mit dem sehr teuren und seltenen Edelmetall werden selbst große Stückzahlen den Preis nicht senken. Ein Problem, mit dem auch Brennstoffzellen-Marktführer Toyota zu kämpfen hat.

Hinzu kommen die speziellen Anforderungen an den Pufferspeicher, denn Bagger fordern beim Schaufeln kurze aber hohe Leistungsspitzen ab. Die 5-kWh-Batterie im JCB 220X ist dafür als spezieller Lithiumtitanat-Akku konstruiert, der im Dauerbetrieb extrem heiß wird und für sicheren Betrieb und lange Lebensdauer gekühlt werden muss.

Hohe Kühlleistung nötig

Das Kühlthema betrifft nicht nur den Akku, sondern auch Leistungselektronik und Brennstoffzelle. Im Gegensatz zum Dieselmotor arbeitet die idealerweise nicht bei 90 °C, sondern bei 60 °C. Die Kühlflüssigkeit selbst darf zudem nicht elektrisch leitend sein – muss also deionisiert werden und trotzdem einen hohen Korrosionsschutz gewährleisten. Geeignete Flüssigkeiten sind extrem teuer. Der Kühlaufwand ist also konstruktiv und energetisch enorm.

Bleibt die Preisfrage. Allein Brennstoffzelle, Leistungselektronik und Batterie kommen im Prototyp auf knapp 170.000 Euro. Zum Vergleich: Die Diesel-Antriebseinheit eines herkömmlichen JCB 220X kostet rund 22.000 Euro. Der ganze Bagger steht normalerweise mit rund 150.000 Euro in der Preisliste. Ein Brennstoffzellenbagger müsste insgesamt mit knapp 400.000 Euro kalkuliert werden. Und dabei wäre der letzte große Nachteil noch nicht einmal erwähnt: die Robustheit.

Dieser 20-Tonnen-Kettenbagger macht den Traum von lautlosen Baustellen wahr. In Serie wird die Brennstoffzellen-Technik wohl kaum gehen.

"Die filigrane Komplexität der Brennstoffzelle passt eigentlich nicht zu unserer Branche", muss JCB-Entwicklungschef Tim Burnhope einsehen. Baumaschinen arbeiten auf unwegsamem Gelände, in staubigem Umfeld und werden extrem durchgeschüttelt. Müssen Brennstoffzellen in Pkw durch den hohen Fahrzeugkomfort und die ebenen Straßen Beschleunigungen von höchsten 2,0 g verkraften, werden bei Baumaschinen häufiger sogar 9,0 g gemessen. Haltbarkeitsprognosen sind für diese Technik wegen der geringen Stückzahl ohnehin schon schwer zu treffen. Reparaturen an einem havarierten Brennstoffzellenbagger abseits der Zivilisation sind undenkbar.

Die Zukunft auf Baustellen?

Steht die klimaneutrale Zukunft der Bau-Industrie also auf der Kippe? Die Brennstoffzelle ist in absehbarer Zeit wohl keine Alternative zum Dieselmotor. Beide Prototypen von JCB werden Einzelstücke bleiben. Vom Wasserstoff verabschieden wollen sich die Engländer aber keinesfalls. Schließlich haben sie parallel mit einem 100-Millionen-Euro-Budget neue Verbrennungsmotoren entwickelt, die zuverlässig mit Wasserstoff laufen und in den Maschinen kaum bauliche Veränderungen zum Dieselmotor erfordern. Eine geräuschlose Baustelle wie hier im Steinbruch bleibt damit aber ein Wunschtraum.

Umfrage
Batterie-Lkw oder Brennstoffzellen-Lkw: Womit funktioniert der Gütertransport in naher Zukunft?
39377 Mal abgestimmt
Batterie-Lkw - davon gibt es schließlich schon Serienfahrzeuge.Brennstoffzellen-Lkw – Reichweite, Gewicht und Kosten sprechen für Wasserstoff.

Fazit

Der britische Bau- und Landmaschinenhersteller JCB hat einen 20-Tonnen-Kettenbagger auf Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb umgebaut, um Alternativen zum Dieselmotor zu erforschen. Die Technik funktioniert bis auf Lüftergeräusche nahezu lautlos und ohne Verbrenner-Emissionen. Getankt wird der Wasserstoff mit 350 bar. Der technische Aufbau des Antriebs ist komplex, die nötigen Komponenten extrem teuer und die Robustheit nicht gewährleistet. Für große Bagger wird sich die Wasserstoff-Brennstoffzelle kaum durchsetzen. Batterieelektrische Varianten sind in dieser Gewichtsklasse aber auch keine Alternative, dafür eventuell Wasserstoff-Verbrennungsmotoren, in die die Branche große Hoffnungen setzt.