Das Anwendungsgebiet der Brennstoffzelle – sie wandelt Wasserstoff und Sauerstoff in elektrischen Strom und Wasser um – geht jedoch weit über den PKW-Bereich hinaus. Sie wird nicht nur bei Langstreckenfahrzeugen wie Lkws unterschiedlicher Größenklassen eine wichtige Rolle spielen, sondern auch bei Bussen oder Gabelstaplern sowie in der Schifffahrt, dem Schienen- und Luftverkehr.
„Vision ohne Handlung ist ein Tagtraum. Handeln ohne Vision ist ein Alptraum“, so eine japanische Weisheit.
Toyota hat seine Unternehmens-Visionen stets klar formuliert und sie seit Jahrzehnten mit großer Beharrlichkeit und Konsequenz in Taten umgesetzt.
Die aktuelle Vision lautet: Mobilität für alle – unabhängig von Alter und Gesundheit, stets im Einklang mit der Umwelt und möglichst CO2-frei. Der Anspruch geht aber noch weiter. Er heißt Beyond Zero, über die Null hinaus und unterstreicht die Ambitionen, dem Kunden die größte Auswahl an Elektrifizierungsmöglichkeiten zu geben.
Auf dem Weg in die CO2-Neutralität und darüber hinaus geht Toyota deshalb auch in die Modell-Offensive: Bis 2030 führt der internationale Automobilhersteller weltweit 30 Elektroautos ein. Der globale Absatz vollelektrischer Fahrzeuge soll dadurch auf 3,5 Millionen Einheiten steigen. Europa ist dabei einer der Schlüsselmärkte: Toyota offeriert ab 2035 in Westeuropa ausschließlich emissionsfreie Fahrzeuge. Lexus wandelt sich bereits bis 2030 zum ausschließlichen E-Anbieter in der Region, aber auch in China und Nordamerika – fünf Jahre später weltweit. Bis 2050 will das Unternehmen die CO2-Emissionen seiner gesamten Fahrzeuge gegenüber 2010 um 90 Prozent reduzieren.
Im März 2022 hat die Toyota Motor Corporation auf dem Weg zu diesem Ziel den nächsten Meilenstein gesetzt: Weltweit hat der Automobilkonzern mehr als 20 Millionen elektrifizierte Toyota und Lexus Fahrzeuge verkauft. Die E-Modellpalette, die neben Hybrid- inzwischen auch Plug-in-Hybrid-, Brennstoffzellen- und reine Elektroautos umfasst, hat internen Schätzungen zufolge rund 160 Millionen Tonnen CO2 und 65 Milliarden Liter Benzin eingespart.
Die Ausweitung und Umstellung der emissionsfreien Modellpalette begleitet die CO2-neutrale Fertigung: Durch die kontinuierliche Reduzierung des Energieverbrauchs und den Einsatz innovativer Produktionstechniken werden die weltweiten Fertigungsstätten bis zum Jahr 2035 klimaneutral arbeiten. „Wir leben in einer diversifizierten Welt und in einer Zeit, in der die Zukunft schwer vorhersehbar ist“, erklärt Akio Toyoda, Präsident und CEO der Toyota Motor Corporation. „Daher ist es schwierig, mit einer Einheitslösung alle zufriedenzustellen. Deshalb möchte Toyota seinen Kunden auf der ganzen Welt so viele Optionen wie möglich anbieten.“
Toyota bZ4X (Batteriekapazität 71,4 kWh): Stromverbrauch kombiniert: 18,0–14,4 kWh/100 km, CO₂-Emissionen kombiniert: 0 g/km, elektrische Reichweite (EAER): 415–513 km und elektrische Reichweite (EAER city): 547–686 km. Werte gemäß WLTP-Prüfverfahren.
Wasserstoffverbrauch Mirai, Elektromotor 134 kW (182 PS), kombiniert: 0,89–0,79 kg/100 km, Stromverbrauch kombiniert: 0 kWh/100 km, CO₂-Emissionen kombiniert: 0 g/km. Werte gemäß WLTP-Prüfverfahren.
Mit Wasserstoff in eine emissionsfreie Zukunft
Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge wie der aktuelle Mirai, im japanischen bedeutet das „Zukunft“, spielen daher in Toyotas Zukunftsvision eine zentrale Rolle. Das Anwendungsgebiet der Brennstoffzelle – sie wandelt Wasserstoff und Sauerstoff in elektrischen Strom und Wasser um – geht jedoch weit über den PKW-Bereich hinaus. Sie wird nicht nur bei Langstreckenfahrzeugen wie Lkws unterschiedlicher Größenklassen eine wichtige Rolle spielen, sondern auch bei Bussen oder Gabelstaplern sowie in der Schifffahrt, dem Schienen- und Luftverkehr. Toyota ist bereits in all diesen Bereichen involviert. Selbst der zukünftige japanische Lunar Rover wird Toyotas Brennstoffzellentechnologie nutzen. Trotz der geringeren Energiemenge, die ihm zur Verfügung steht, soll er auf dem Mond mehr als 10.000 km zurücklegen können.
Doch es geht noch um mehr als überlegene Reichweiten. Grüner Wasserstoff soll zum zentralen Energieträger und nachhaltigen Speichermedium einer emissionsfreien Zukunft in allen Lebensbereichen werden. Toyota engagiert sich deshalb, indem es seine Technologien und Patente auch anderen Herstellern lizenzfrei zur Verfügung stellt, nicht nur im Bereich der Brennstoffzelle selbst. Auch bei der Erzeugung, Lagerung und Transport treibt das Unternehmen die Entwicklung voran. Die Idee: Hohe Stückzahlen und die bedarfsgerechte Skalierung der Kernkomponenten machen die Wasserstoff-Technologie für alle erschwinglicher. Ende 2020 hatte der japanische Autokonzern dazu in Brüssel eine Geschäftseinheit für Wasserstoff gegründet. Die Fuel Cell Business Group soll die Verbreitung des alternativen Energieträgers in Europa vorantreiben.
Toyota ebnet auch den Weg für einen nachhaltigeren Schienenverkehr: Der Mobilitätskonzern hat jetzt die ersten von sechs Brennstoffzellenmodulen für einen emissionsfreien Zug ausgeliefert. Ein entsprechender Prototyp mit bimodalem Hybridantrieb wird derzeit im Rahmen des europäischen „FCH2RAIL“-Projekts entwickelt, an dem sich neben Toyota verschiedene internationale Partner aus Deutschland, Belgien, Spanien und Portugal beteiligen. Der von der spanischen Staatsbahn Renfe zur Verfügung gestellte Nahverkehrszug erhält ein sogenanntes „Fuel Cell Hybrid Power Pack“. Das bimodale Antriebssystem kombiniert die elektrische Energieversorgung aus der Oberleitung mit einem wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen- und Batteriesystem. Sie weisen mehr Leistung und eine höhere Dichte in einem kompakteren Paket auf; in der flachen Konfiguration lassen sie sich zudem problemlos in das Dach des Zuges integrieren.
Wasserstoffverbrauch Mirai, Elektromotor 134 kW (182 PS), kombiniert: 0,89–0,79 kg/100 km, Stromverbrauch kombiniert: 0 kWh/100 km, CO₂-Emissionen kombiniert: 0 g/km. Werte gemäß WLTP-Prüfverfahren.
Technische Neuheiten für den flexiblen Einsatz
Um solch unterschiedlichen Bedürfnissen gerecht zu werden, hat Toyota einzelne BZ-System-bezogene Produkte des Toyota Mirai, wie den Brennstoffzellen-Stack sowie Komponenten für die Luft- und Wasserstoffversorgung, die Kühlung und die Leistungsregelung in einem einzigen kompakten Modul zusammenfasst. Das neue Modul ist in vier Modellen erhältlich – einem vertikalen Typ (Typ I) und einem horizontalen Typ (Typ II) mit einer Nennleistung von entweder 60 kW oder 80 kW. Es verfügt über einen weiten Spannungsbereich (400 bis 750 V) und kann direkt an ein bestehendes elektrisches System mit Motor, Wechselrichter, Batterie usw. angeschlossen werden, da ein spezieller FC-Hochsetzsteller eingebaut ist, der die Entwicklung und Herstellung von FC-Produkten vereinfacht.
Das Modul wurde so konzipiert, dass es in einem breiten Spektrum von Betriebsumgebungen eingesetzt werden kann, bei niedrigen oder hohen Temperaturen, in größeren Höhen, wo der Sauerstoffgehalt geringer ist, und bei Anwendungen, bei denen Vibrationen auftreten. Unternehmen, die sich für den Einsatz des Moduls entscheiden, haben die Möglichkeit, die Unterstützung erfahrener Toyota-Ingenieure in Anspruch zu nehmen, um die optimale Auslegung und Konstruktion unter Berücksichtigung von Kraftstoffverbrauch, Nutzungsdauer, Betriebskosten usw. zu ermitteln.
Die Toyota Motor Corporation hat darüber hinaus einen neuen Wasserstoffspeicher für unterschiedliche Einsatzgebiete und Aufgabenbereiche entwickelt. Das Modul umfasst mehrere ursprünglich für den Mirai II entwickelte Hochdruck-Tanks aus mehrlagigem Hightech-Material, die Wasserstoff mit einem Druck von bis zu 700 bar speichern. Aufgrund von unterschiedlichen Sicherheitsstandards und Umgebungen ließen sich die speziell für das Fahrzeug entwickelten Hochdrucktanks bislang nicht ohne Weiteres in anderen Bereichen einsetzen. Hier schafft der neu entwickelte Wasserstoffspeicher Abhilfe. Neben drei unterschiedlichen Speicherkapazitäten werden auch größere Tankmodule mit erweitertem Fassungsvermögen entwickelt. Unabhängig von der Größe verfügen alle über die vom Mirai bekannten Sicherheitsvorrichtungen. Hierzu gehören ein Detektor und ein Sicherheitsventil, die den Austritt von Wasserstoff entdecken bzw. verhindern. Diese Maßnahmen garantieren eine ebenso sichere wie effiziente Speicherung und einen problemlosen Transport von Wasserstoff, so dass selbst an schwer zugänglichen Orten wie Häfen und Bergregionen eine Betankung von Brennstoffzellenfahrzeugen.
Last but not least hat Toyota mit SimpleFuel™ eine dezentrale Wasserstofftankstelle entwickelt, die mit Strom aus Solarzellen kohlenstoffarmen Wasserstoff erzeugt, der komprimiert die Brennstoffzellen-Gabelstapler im Motomachi-Werk versorgt. Die Anlage kann bis zu 99 Nm3/Tag (ca. 8,8 kg/Tag) Wasserstoff erzeugen, genug, um bis zu acht BZ-Gabelstapler zu betanken. Dank ihrer kompakten Größe kann SimpleFuel™ auf kleinstem Raum installiert und beliebig skaliert werden.
Mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von elektrifizierten Antrieben
Bereits 1992 hat Toyota mit der Entwicklung eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs begonnen. 2015 kam die erste Serienversion des Mirai in Europa auf den Markt. Dieser Durchbruch wiederum basiert auf dem seit 25 Jahren weltweit führenden Know-how des Autoherstellers mit Hybridsystemen, die eine Schlüsseltechnologie für alle elektrifizierten Antriebsstränge bildet. Der Toyota Prius (von lateinisch prius ‚zuerst, zuvor‘) kam in Japan schon Ende 1997 auf den Markt und war das weltweit erste Auto mit Hybridantrieb in Großserie. Und auch diese Vision verfolgte das Unternehmen – allen Kritikern zum Trotz – mit großer Kontinuität. 2003 wurde die zweite Generation vorgestellt. 2009 kam die dritte Modellgeneration. Der Verkauf der vierten Generation startete in Deutschland im Februar 2016.
Das grundlegende Konzept des Hybridantriebs hat Toyota mittlerweile auch erfolgreich Plug-in-Hybriden (PHEV), batterieelektrischen Modellen (BEV) und – beginnend mit dem Mirai – auch in Brennstoffzellen-Autos (FCEV) umgesetzt. Alle Antriebskonzepte spielen ihre spezifischen Vorzüge in unterschiedlichen Mobilitätsszenarien aus. BEV beispielsweise eignen sich besonders für Berufspendler und den Stadtverkehr. HEV und PHEV ermöglichen praktisch jede Art von Fahrten, auch längere Strecken sind möglich. FCEV sind auf Langstrecken ausgelegt und bieten sich vor allem für größere und schwerere Pkw sowie für das Transportwesen und den öffentlichen Personenverkehr an.
Der Brennstoffzellen-Bus ist die nachhaltige Lösung für den öffentlichen Nahverkehr. Der Brennstoffzellen-Bus wird derzeit noch nicht in Deutschland angeboten.
Toyota Mirai als Wasserstofffahrzeug der 2. Generation
Die aktuelle Mirai Generation profitiert von einer konsequent weiterentwickelten FCEV-Technologie und überzeugt mit einem emotionalen Auftritt. Hierzu trägt das dynamische Design ebenso bei wie das gesteigerte Fahrvergnügen. Dank seines komplett neu konstruierten Brennstoffzellensystems, einer intelligenten Raumaufteilung und einer effizienteren Aerodynamik ermöglicht der neue Mirai, vollgetankt in nur fünf Minuten, eine Gesamtreichweite von rund 650 Kilometern – und das Einzige, was er auf dieser langen Strecke emittiert, ist Wasser in Form von Dampf. (Verbrauchsangaben: Wasserstoffverbrauch Mirai, Elektromotor 134 kW (182 PS), kombiniert: 0,89–0,79 kg/100 km, Stromverbrauch kombiniert: 0 kWh/100 km, CO₂-Emissionen kombiniert: 0 g/km. Werte gemäß WLTP-Prüfverfahren.)
Wie im Mirai Vorgängermodell kommt auch bei der zweiten Generation in der Brennstoffzelle ein Festpolymer zum Einsatz. Die Maximalleistung stieg von 114 auf 128 kW. Auch das Verhalten bei Kälte hat Toyota verbessert: Nun startet die Zelle sogar bei Temperaturen bis zu minus 30 Grad Celsius. Trotz der Leistungssteigerung um zwölf Prozent bringen die optimierten Komponenten innerhalb des Gehäuses gut 50 Prozent weniger Masse auf die Waage. Zugleich hat Toyota ihre Anzahl und damit die Menge notwendiger Systemverbindungen reduziert, was neben Gewicht auch wertvollen Bauraum einspart.
Nicht zuletzt konnte Toyota durch seine langjährige Erfahrung mit der Technologie, die drastische Senkung des Platin-Anteils in den Zellen und durch die Anhebung des Produktionsvolumens die Kosten der zweiten Generation signifikant reduzieren. Der Verkaufspreis wurde im Vergleich zum Vorgänger um rund 19 Prozent gesenkt. Folge: Die Mirai-Verkäufe stiegen dank der neuen Generation um 257 Prozent (2021 gegenüber 2020). Doch auch insgesamt geht es aufwärts: Nach Daten von JATO Dynamics wurden im Jahr 2021 weltweit 15.500 wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Fahrzeuge (FCEV) verkauft. Gegenüber 2020 legte die Nachfrage um sage und schreibe 84 Prozent zu. Im Vergleich zu den Werten von 2019 (vor der Pandemie) stieg sie sogar um 103 Prozent.
Eine Stadt der Zukunft mit der Energie von Brennstoffzellen
Toyota geht aber noch einen Schritt weiter. Warum nicht eine Stadt bauen, in der Wasserstoff als Energieträger eine zentrale Rolle zukommt und die den Weg in eine wasserstoffbasierte Gesellschaft ebnet? Science-Fiction? Keineswegs. In Japan lässt Toyota solch eine Stadt der Zukunft entstehen. Am Fuße des Mount Fuji, wird für Einwohner und Forscher auf einem ehemaligen Fabrikgelände ein vollständig vernetztes, nachhaltiges Ökosystem geschaffen. Der Name: Woven City, die verwobene Stadt, in Anlehnung an den Ursprung von Toyota, das einst als Webstuhlhersteller begann.
In Woven City werden neueste Technologien wie autonomes Fahren, Robotik, Smart Home und künstliche Intelligenz getestet und miteinander verwoben. Anfangs sollen 360 Menschen in Woven City leben – vorwiegend Senioren, Familien mit kleinen Kindern und Projektentwickler. Später sollen es mehr als 2.000 Einwohner sein, zu denen auch Toyota Mitarbeiter gehören. Im März 2020 wurde der Grundstein gelegt, 2024 spätestens 2025 sollen die ersten Bewohner einziehen und damit eine weitere Vision des Unternehmens mit Leben erfüllen.
Mehr Informationen zu Beyond Zero:
Woven City ist Toyotas Stadt der Zukunft, die vollständig von Brennstoffzellen angetrieben wird
Legal-Angaben:
Toyota bZ4X (Batteriekapazit.t 71,4 kWh): Stromverbrauch kombiniert: 18,0–14,4 kWh/100 km, CO₂-Emissionen kombiniert: 0 g/km, elektrische Reichweite (EAER): 415–513 km und elektrische Reichweite (EAER city): 547–686 km. Werte gemäß WLTP-Prüfverfahren.
Wasserstoffverbrauch Mirai, Elektromotor 134 kW (182 PS), kombiniert: 0,89–0,79 kg/100 km, Stromverbrauch kombiniert: 0 kWh/100 km, CO₂-Emissionen kombiniert: 0 g/km. Werte gemäß WLTP-Prüfverfahren.
Der Brennstoffzellen-Bus wird derzeit nicht in Deutschland angeboten.
Quellen:
https://insideevs.de/news/574056/wasserstoffautos-absatzsteigerung-zahlen/ Jato Dynamics
https://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzellenheizung
https://motorzeitung.de/news.php?newsid=6511014
https://reiner-lemoine-institut.de/dezentrale-elektrolyseure-gpe/
https://www.ey.com/de_de/energy-resources/klimaneutralitaet-durch-wasserstoff
https://global.toyota/en/newsroom/corporate/36977466.html
https://www.toyota-media.de/blog/toyota-modelle/artikel/beyond-zero-der-neue-toyota-mirai/text
https://www.toyota-media.de/blog/technik/artikel/emissionsfrei-auf-der-schiene/text