CO2-Emissionen, Material- und Energieverbrauch sinken auf den Brücken durch den Einsatz von Wasserstoff- und E-Fahrzeugen, Leichtbauweise und intelligenter Steuerung

Durch die innovativen Antriebsformen im Zusammenspiel mit autonomem Fahren auf einer extra dafür entworfenen Strecke eröffnen sich neue Möglichkeiten, ein Fahrzeug besonders nachhaltig zu gestalten. Bei einer geplanten Haltbarkeit von 100 Jahren und mehr kann sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb ein signifikanter Teil der CO₂-Emissionen und des Materials eingespart werden. Zudem bewirkt die zentrale intelligente Steuerung der Fahrzeuge eine deutliche Senkung des Energieverbrauchs.

Inhalt: Die Brückenflotte ist besonders umweltfreundlich, weil beim Antrieb, der Auswahl der Baumaterialien und der Rahmen-Konstruktion stets die nachhaltigste Lösung gewählt wird

Auf den Brücken gibt es batterie-elektrische und wasserstoff-elektrische Fahrzeuge. Die dafür benötigte Betankungsinfrastruktur wird von den Brücken nicht nur für die eigenen Fahrzeuge zur Verfügung gestellt; vielmehr können auch unten auf den Straßen E-Autos ihre Batterien aufladen und Wasserstoff-Fahrzeuge ihre Tanks an den Wasserstoff-Tankstellen befüllen, die sich an den sieben Außenarmen der Brücken sowie am Brückenring befinden.

Der zweite große Hebel für die Nachhaltigkeit der Flotte liegt darin, Material zu sparen, und zwar durch Strukturoptimierung, eine deutlich geringere Anzahl an Fahrzeugen sowie der langen Lebenszyklen der Fahrzeuge.

Darüber hinaus wird bei der Materialauswahl der Schwerpunkt auf nachhaltige Baustoffe bzw. wo möglich auf nachwachsende Rohstoffe gelegt, da die Fahrzeugflotte der Brücken genauso wie die gesamten Frankfurter Brücken ein Vorreiter und Schaufenster der Innovationen sein soll, das die Entwicklung in den Städten der Zukunft beflügelt.

Auf den Frankfurter Brücken werden sowohl Wasserstofftank als auch Batterien in den Fahrzeugen eingesetzt

Wenn es um klimafreundliche Antriebe geht, stehen sich immer wieder batterie-elektrische und wasserstoff-elektrische Antriebe gegenüber.

Für die Frankfurter Brücken ist beides eingeplant, denn es ist davon auszugehen, dass je nach geographischer Lage und der jeweiligen Transportaufgabe mal die eine und mal die andere Technologie vom Gesamt-Öko-Fußabdruck her umweltschonender und damit „besser“ ist.

Da die deutsche Automobilindustrie nach wie vor eine maßgebliche Rolle spielen will, nicht nur in Deutschland, sondern auch mit Exporten weltweit, werden folgerichtig in einem deutschen „Schaufenster der Innovationen“ wie den Frankfurter Brücken beide Technologien als zukunftsträchtige Antriebe eingeplant.

Fahrzeuge auf den Brücken werden je nach Größe mit Brennstoffzelle oder Batterie ausgestattet

Da die Forschung sich derzeit intensiv damit auseinandersetzt, Batterien zu entwickeln, die ohne schädliche oder kritische Materialien gebaut werden können, ist das Rennen zwischen Wasserstoff und Batterie noch nicht endgültig entschieden. Daher wurde das Konzept auf den Brücken unter Berücksichtigung der Vor- und Nachteile der einzelnen Technologien so entwickelt, dass beide Technologien zum Einsatz kommen.

Da die schweren Fahrzeuge auf den Brücken auch sehr schwere und große Batterien benötigen würden, fahren sie größtenteils wasserstoffelektrisch, während kleinere Busse und PKW batterieelektrisch fahren.

Der Unterschied zwischen Wasserstoff- und Batteriefahrzeugen

Vorweg: Beide Fahrzeugarten werden elektrisch angetrieben. Zur Fortbewegung wird also immer elektrischer Strom benötigt.

Der Unterschied: Elektroautos verfügen über eine Batterie, welche den Strom zur Verfügung stellt. Bei Wasserstoffautos wird Wasserstoff von einer Brennstoffzelle in elektrischen Strom umgewandelt. Das Wasserstoffauto hat daher nur eine kleine Batterie, um Energie zwischenzuspeichern.

Da auf den Brücken viel grüne Energie vorhanden sein wird, ist es sinnvoll, einen Teil der Flotte wasserstoffelektrisch zu betreiben

Für die Herstellung von Batterien werden spezielle Rohstoffe benötigt, insbesondere Lithium, Kobalt und Nickel, deren Abbaubedingungen und anderen Faktoren besonders kritisch sind. Wasserstoff hingegen kann durch Elektrolyseure erzeugt und dann in Tanks gespeichert werden, deren Produktion keine vergleichbaren Rohstoffe zur Herstellung benötigt. Darüber hinaus kann Energie in Form von Wasserstoff auch über längere Zeiten ohne große Verluste gespeichert werden, wohingegen Speicherung in entsprechend großen Batterien lediglich für Tage oder wenige Wochen möglich ist.

Mithilfe der Frankfurter Brücken wird ein Überschuss an elektrischer Energie produziert, der sowohl für kurzfristige Nutzung in Redox- oder Lithium-Batterien als auch längerfristig in Form von Wasserstoff in Tanks gespeichert wird.

Die Energie-Überschüsse der Brücken werden den Frankfurter Bürgern für ihre E-Autos und Wasserstoff-Fahrzeuge zur Verfügung gestellt

Nicht nur auf den Brücken, sondern auch unter den Brücken können Fahrzeuge betankt werden

Die Wasserstofftankstellen auf den Brücken wurden so konzipiert, dass alle wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge für den Brückenverkehr damit automatisiert betankt werden können. Das bedeutet, dass die autonomen Fahrzeuge automatisch in die Wasserstofftankstelle einfahren und dort verweilen, bis der Tankvorgang abgeschlossen ist.

Doch nicht nur die Brückenfahrzeuge werden angeschlossen, sondern auch die Frankfurter Bürger erhalten durch die Brücken sieben Wasserstoff-Tankstellen an verschiedenen Orten in Frankfurt.

Die Frankfurter Bürger können ihre Elektroautos an brückeneigenen Elektrotankstellen mit grünem Strom betanken

Die Frankfurter Brücken stellen jede Menge grüne Energie bereit, da viele Flächen mit Photovoltaikpaneelen ausgestattet sind. Diese Energie wird nicht nur für die Stromversorgung der Häuser und Geschäfte auf den Brücken verwendet, sondern auch für die Versorgung der batterieelektrischen Brücken-Fahrzeugen.

Zusätzlich können auch Brücken-Anwohner die Ladeplätze an den Säulen der Brücken zum Aufladen ihrer Elektrofahrzeuge verwenden.

Es gibt neben den Brücken-Ladesäulen auch entferntere Ladestationen der Stadt, die mit Strom aus Photovoltaik-Überschüssen der Brücken-PV versorgt werden.

Überschüssiger Strom aus Brücken-Solarmodulen und der Photovoltaik der Energiebänder um Frankfurt wird in Form von Wasserstoff gespeichert und sowohl der Brückenflotte als auch Frankfurter H2-Tankstellen zur Verfügung gestellt

Es gibt 200 wasserstoff-elektrisch betriebene Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken, die mithilfe der Energie-Infrastruktur der Brücken versorgt werden können. Es wird allerdings ein so hoher Überschuss an grünem Wassersstoff produziert, dass rund 80 Frankfurter Busse der Verkehrsgesellschaft Frankfurt mitversorgt werden können – das entspricht 20 Prozent der Frankfurter Buslinien.

Hinzu kommt der Energie-Überschuss aus den (Brücken-unabhängigen) Energiebändern entlang der Autobahnen und Bundesstraßen rund um Frankfurt, die ihren überschüssigen Strom ebenfalls zu den Elektrolyseuren der Wasserstoff-Tankstellen im erweiterten Stadtgebiet leiten.

Frankfurter Wasserstoff-Tankstellen werden sich voraussichtlich an den großen Ausfahrt-Straßen befinden, weil die wichtigste Klientel Schwerlaster sein werden.

Da voraussichtlich außer der Betankung keine sonstigen Services angeboten werden und die H₂-Tanks ebenso wie die Elektrolyseure unterirdisch, also sehr platzsparend installiert werden, bietet sich die räumliche Nähe zu den heutigen bestehenden Tankstellen an.

Vorausschauendes Fahren ist nicht nur angenehm, sondern spart auch Energie

Die zentrale Steuerung gewährleistet, dass Fahrzeuge reibungslos fahren und generell nur bei Bedarf halten. So müssen sie nicht sinnlos bremsen und wieder anfahren, was im Stadtverkehr die meiste Energie verbraucht.

Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken bremsen seltener, und wenn dann mit Rekuperation

Beim elektrischen Fahren wird während des Bremsens durch den Motor Energie in die Batterie zurückgespeist: Diese sogenannte Rekuperation findet bereits in heutigen Fahrzeugen Anwendung und steigert signifikant die Energgieeffizienz.

Profis zu dem Thema

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung - TU Dresden Professur für Elektrische Maschinen und Antriebe - ZSW Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung - Forschungszentrum Jülich IEK Institut für Energie und Klimaforschung - Forschungsnetzwerke Energie - DWI Leibnitz-Insittut für Interaktive Materialien

Die zentral gesteuerten Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken bieten einen deutlich reduzierten CO2-Ausstoß durch bedarfsorientierte Streckenplanung

Keine Fahrtwege „umsonst“, was bedeutet: keine Umwege, keine Leerfahrten, nicht ein zu großes Fahrzeug für nur wenige oder einen Passagier etc.etc. Diese Form der maximalen Effizienz lässt sich nur mit zentraler Organisation des Verkehrs erreichen.

Ein zentral optimiertes System mit Fahrzeugen im Car-Sharing-Modell benötigt weniger Fahrzeuge und Ressourcen, wodurch ebenfalls Energie gespart wird

Durch intelligente, bedarfsorientierte Flottenplanung benötigt man weniger Fahrzeuge, da nicht für alle Personen parkende Einzelfahrzeuge vorgehalten werden müssen.

Ein PKW steht bis zu 90 % seiner Lebenszeit, d.h. er wird nur 10% seiner Zeit genutzt (wenn man einer Studie des Instituts der Sozial- und Wirtschaftsforschung der Universität Köln glauben darf, dann wird ein PKW sogar nur 5% seiner Zeit genutzt).

Beim autonom fahrenden Verkehr auf den Brücken werden viele Menschen von den gleichen Fahrzeugen transportiert, sowohl bei den Bussen und Bahnen, als auch bei den PKW. Man muss die Fahrzeuge für komfortable Nutzbarkeit also nicht besitzen, sondern kann sie nach Bedarf per App rufen.

Da dieses System preislich attraktiv ist, werden voraussichtlich immer mehr Menschen in der Stadt keine Notwendigkeit mehr für ein eigenes Auto sehen. Das reduziert die Nachfrage nach Autos generell – und damit auch die Nachfrage nach Lithiumbatterien und anderen Materialien. Um dieses Ziel zu erreichen, muss insbesondere auf die Sauberkeit der Fahrzeuge und eine einfache Buchung Wert gelegt werden.

Nachhaltigkeit bedeutet auf den Frankfurter Brücken weniger Auto-Ersatz-Zyklen aufgrund von Wertschätzung

Durch Handarbeit und Liebe zum Detail werden Fahrzeuge wertgeschätzt

Karosserien sollen in der Meisterakademie teilweise per Hand gefertigt werden. Zierelemente und die für Oldtimerfahrzeuge typische Liebe zum Detail sollen die Schönheit der Fahrzeuge immer wieder vor Augen führen. Ziel ist es, von der Wegwerf-Kultur wegzukommen, wieder hin zu einer Wertschätzung der Dinge. Das spart signifikant Material und Energie.

Durch weniger Unfälle müssen Fahrzeuge nur sehr selten ersetzt werden

Die zentrale Steuerung und die autonome Fahrweise verhindern Unfälle sehr zuverlässig. Die Brücken-Fahrzeuge können in der Regel nicht durch Unfälle oder Unachtsamkeit zerstört werden, da das autonome System zu jederzeit zuverlässig und korrekt steuert. Übermut und Fahrlässigkeit können ausgeschlossen werden. Entsprechend aufwändig können die Fahrzeuge auf den Brücken gestaltet werden.

Durch die Langlebigkeit der Fahrzeuge auf den Brücken müssen nicht ständig neue Autos, Busse und Bahnen gekauft werden – vor dem Hintergrund sich stärker verknappende Ressourcen ist dies ein wichtiger Faktor in der Stadt der Zukunft

Für die Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken wird eine Lebensdauer von einhundert und mehr Jahren angestrebt. Dass eine solche Langlebigkeit auch für regelmäßig genutzte Fahrzeuge möglich ist, zeigen noch heute fahrtüchtige Autos aus den fünfziger, sechziger oder siebziger Jahren, wie man sie zum Beispiel in Ländern wie Kuba oder Marokko sieht.

Die Langlebigkeit der Fahrzeuge muss durch regelmäßige Wartung und Pflege sowie ganz klassisch durch zügige Reparaturen im Bedarfsfall sichergestellt werden: Durch „predictive maintenance“ wissen die Fahrzeuge, wann es Zeit für einen Check-up oder eine Reparatur ist und fahren in eine der Werkstätten an den Brückenenden. Dort werden sie überprüft, Teile kurz vor dem Defekt repariert oder – falls dies nicht möglich ist – ausgetauscht. Der modulare Aufbau der Fahrzeuge ermöglicht es nämlich, Einzelteile problemlos auszutauschen. So muss nicht – wie heute so oft – ein ganzer Komplex ausgetauscht werden, obwohl nur ein einziges Element defekt ist.

Profis zu dem Thema

Fraunhofer ISI Institut für System- und Innovationsforschung - Hyson - Zentrum für Brennstoffzellentechnik ZBT - DVGW Forschungsprojekte zu Wasserstoff - FFE Forschungsstelle für Energiewirtschaft - Rainer Lemoine Institut

Bei der Auswahl der Materialien für die Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken wurde die Umweltverträglichkeit - von der Gewinnung bis zur Entsorgung - berücksichtigt

Bei den Materialien, aus denen die Fahrzeuge gefertigt werden, wird konsequent auf Umweltverträglichkeit geachtet – sowohl bei der Gewinnung und Verarbeitung als auch bei der Entsorgung – selbst wenn diese erst in 100 Jahren oder mehr erfolgen soll. Ziel ist es, bei allen Materialien den vollständigen Lebenszyklus zu berücksichtigen, also vom Abbau bis zur Entsorgung und eventuellen Wiederverwendung. Betrachtet man alte Holzbahnen, so ist es beeindruckend, wie lange sie ihren Dienst tun.

Für die Fahrzeuge auf den Brücken werden wenn möglich immer nachwachsende und recyclebare Stoffe eingesetzt

Wo immer möglich, werden nachwachsende Rohstoffe verwendet, wie z.B. Holz beim Bau der Bahnen, oder wie Hanf, Flachs und andere Naturfasern bei der Innenverkleidung und der Innenausstattung. Für die Dämmung kann beispielsweise sogar Popcorn verwendet werden. Auf den Frankfurter Brücken können viele unterschiedliche nachhaltige Einsatzstoffe ausprobiert werden.

Soweit möglich, sollten alle Materialien nach Ende der Nutzungsdauer entweder wieder dem Rohstoffkreislauf zugeführt oder durch Up-,Down- oder Recycling wiederverwendet werden können.

Extrem haltbare Materialien haben zwar den Vorteil längerer Lebenszyklen, aber den Nachteil, dass sie häufig nicht recyclebar oder rückstandsfrei abbaubar sind

Auf Faserverbundstoffe, die in ihrer Recycelbarkeit problematisch sind, wird beim Karosseriebau der Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken weitestgehend verzichtet: Bei Faserverbundstoffen werden Glas- oder Kohlefasern zu einem Trägerstoff verwebt und anschließend mit Harz verbunden. Dies macht den Stoff hochfest und haltbar. Die beiden Komponenten lassen sich jedoch nicht mehr voneinander trennen.

Allerdings ist es nicht sinnvoll vollständig auf Faserverbundstoffe zu verzichten. Beispielsweise werden Schläuche und Zuleitungen aus Faserverbundmaterial gefertigt, das deutlich leichter ist als Stahl. Die schlechte Recyclebarkeit des Faserverbundmaterials wird ausgeglichen durch die lange Lebensdauer der Fahrzeuge.

Profis zu dem Thema

DECHEMA - Fraunhofer IFAM - Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband - Mission Hydrogen - TU Chemnitz Institut für Automobilforschung - DWI Leibnitz-Insittut für Interaktive Materialien

Fahrzeuge auf den Brücken sind in Leichtbauweise gefertigt

Die wichtigste Rahmenbedingung für die Fahrzeuge auf den Brücken: Leicht müssen sie sein! Dies hat mehrere Gründe: Einerseits kann durch leichtere Fahrzeuge Material beim Brückenbau eingespart werden, weil diese durch die Fahrzeuge nicht so stark zusätzlich belastet wird. Anderseits kann durch das zentral steuernde System sowie die geschützten Verkehrswege auf schwere Crashstrukturen in der Fahrzeugkarosserie verzichtet werden.

Um dieses Ziel zu erreichen wurden alle „Massen“, also Gewichte der Fahrzeug-Einzelteile, in einer „Massenbilanz“ zusammengestellt. Im nächsten Schritt wurde bei jedem Bauteil geprüft, ob und wie es leichter gemacht werden könnte als bisher.

Während die Original-Oldtimer noch mit dem schweren Verbrennungsmotor fuhren und schwere Stahlkarosserien hatten, gibt es heute die Brennstoffzellen-Technologie als Alternative und ein breites Angebot an Leichtbaumaterialen zur Konstruktion der Karosserie.

In den vergangenen Jahrzehnten sind Autos im Schnitte immer schwerer geworden – erst seit einigen Jahren ist Leichtbau in den Fokus gerückt

Dabei hat das eine das andere bedingt: Wer schneller fährt, ist bei einem Unfall einer größeren Kraft ausgesetzt. Um die Insassen zu schützen, verstärkten die Hersteller die Karosserien und packten zahlreiches Sicherheitsequipment in die Autos.

Das Ergebnis: Die Autos wurden noch schwerer. Das führte sowohl zu Material- als auch zu Energieverschwendung: Zum einen steigt die Rohstoffproduktion für die Autofertigung, zum anderen benötigt ein schwereres Fahrzeug mehr Energie zum Beschleunigen.

Da die Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken in Leichtbauweise gefertigt werden, wird viel Antriebsenergie eingespart

Ob Busse, Bahnen oder PKW – die gesamte Fahrzeugflotte ist in Leichtbauweise gefertigt, was durch die signifikant gesenkte Unfallgefahr und verringerte Aufprallstärke ermöglicht wird.

Denn alle Fahrzeuge sind über ein zentrales Leitsystem vernetzt, worüber stets Informationen über die Positionen, Geschwindigkeiten und nächsten Manöver aller Fahrzeuge ausgetauscht werden, was Unfälle verhindert. Hinzu kommt, dass die Fahrzeuge nicht schneller als 30 Stundenkilometer fahren, so dass sich die heute üblichen Verstärkunngen der Karosserie ebenfalls in weiten Teilen erübrigt.

Und mit jedem Gramm weniger wird auch Antriebsenergie eingespart: Die Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken wiegen etwa 20 bis 40 Prozent weniger als herkömmliche Autos. Das führt zu einem etwa 10 Prozent geringeren Energieverbrauch.

Ein Leichtbau-Modell ist für den längsten Bus und die längste Bahn auf den Brücken exemplarisch entwickelt worden (s.u.).

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat bereits einige Leichtbau-Karosserien entwickelt – z.B. diese Multimaterial-Karosseriestruktur mit einem hohen Anteil faserverstärkter Kunststoffe

Um Leichtbauweise gut umsetzen zu können, wurden die Komponenten-Gewichte des Fahrzeuges „Neoplan NH 6/7“ in einer Massenbilanz dokumentiert

Die Gewichte der wesentlichen Fahrzeug-Komponenten wurden in eine Massen-Bilanz-Tabelle eingetragen. So kann eine relativ genaue Gewichtsabschätzung der Fahrzeuge getroffen werden.

Zur besseren Übersicht werden die Gewichte in verschiedene Kategorien aufgeteilt: „Rahmen, Bodywork und Fahrwerk“, „Autonomes System, Klima, leichte Elemente“, „Antriebsstrang“ und „Passagiere“.

Für jede Kategorie gibt es umfangreiche Einzelaufstellungen mit den jeweilig zugehörigen Komponenten und Gewichten.

Einsparpotentiale liegen insbesondere in der Optimierung der Rahmenstruktur und bei einer FEM Analyse der Achsträger.

Ein Auszug aus der Massenbilanz zeigt die Einzelgewichte von Komponenten

Die Gewichte der Bereiche „Rahmen“, „Interieur“ und „Exterieur: Beplankung außen“ sind als Auszug aus der Originaldatei der Massenbilanz vereinfacht abgebildet.

Die wichtigsten Gewichtskomponenten dieser Bereiche können der Liste entnommen werden.

Fazit: Die Optimierung der Fahrzeugflotte auf Nachhaltigkeit hin dient als Vorbild für die Fahrzeugwelt der Zukunft

Aufgrund des „Strecken-Biotops“, das sich auf den Brücken realisieren lässt, sind die Brücken-Fahrzeuge deutlich verringerter Belastung ausgesetzt: Die Fahrtgeschwindingkeit ist gering, die Crash-Gefahr gegen Null, die Kipp-Gefahr ist ebenfalls so gut wie nicht vorhanden – alles Faktoren, die eine nachhhaltige Materialauswahl und geringen Materialverbrauch (und damit geringes Gewicht) begünstigen.

Auch wenn es noch Jahrzehnte dauern dürfte, bis sich ein vergleichbarer Verkehr auf den Straßen realisieren lässt, können hier jedoch schon im Vorfeld die richtigen Ausprägungen für die Fahrzeugwelt der Zukunft entwickelt und angewandt werden.