Der BMW Hydrogen 7 hat den Serienentwicklungsprozesses erfolgreich abgeschlossen. Ein Zwölfzylinder-Motor soll die typische Fahrdynamik praktisch ohne Schadstoffemissionen und CO2-Ausstoß bieten.
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» zur Bildergalerie ...[2]Nun haben die Bayerischen Motorenwerke als weltweit erster Automobilhersteller tatsächlich ein mit Wasserstoff (englisch: Hydrogen) angetriebenes Fahrzeug präsentiert, das den Serienentwicklungsprozess durchlaufen hat. Solange eine flächendeckende Wasserstoffversorgung nicht gewährleistet ist, kann der bivalent ausgelegte Motor des BMW Hydrogen 7 durch einfaches Umschalten der Betriebsart auch auf herkömmliches Superbenzin zurückgreifen. Im Wasserstoff-Betrieb emittiert der Hydrogen 7 praktisch nur Wasserdampf. Der Verbrennungsmotor kann wahlweise mit Wasserstoff oder mit Benzin betrieben werden. Die Reichweite des Fahrzeugs beträgt im Wasserstoff-Betrieb mehr als 200 Kilometer, weitere 500 Kilometer können im Benzin-Modus zurückgelegt werden.
Aus einem Hubraum von 6,0 Litern erzeugt das Triebwerk eine Leistung von 191 kW/260 PS. Das maximale Drehmoment beträgt 390 Newtonmeter und wird bei einer Motordrehzahl von 4.300 upm erreicht. Der BMW Hydrogen 7 beschleunigt in 9,5 Sekunden von null auf 100 km/h und erreicht eine elektronisch limitierte Höchstgeschwindigkeit von 230 km/h. Diese Werte werden sowohl im Wasserstoff- als auch im Benzinbetrieb erreicht.
Getrieben wurde die Entwicklung des neuen Wagens von der Notwendigkeit einer Alternativen zum Verbrauch fossiler Brennstoffe, deren Verfügbarkeit begrenzt ist, wie HUss bereits vor einem Jahr im Interview erläuterte. Wasserstoff, der aus Biomasse oder mit Hilfe von Energie aus Sonne, Wind und Wasserkraft gewonnen wird, stünde unbegrenzt zur Verfügung. Darüber hinaus kann Wasserstoff auch mit Hilfe von Erdgas, Biogas oder anderen Primärenergieträgern erzeugt werden.
Im BMW Werk Dingolfing wird es parallel zu den anderen Fahrzeugen der BMW 7er, BMW 6er und BMW 5er Reihe produziert. Die Antriebseinheit des BMW Hydrogen 7 entsteht wie alle BMW Zwölfzylinder im Münchner Motorenwerk des Unternehmens.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor basiert auf dem Benzin-Triebwerk des BMW 760i. Im Benzinbetrieb erfolgt die Kraftstoffversorgung über eine Direkteinspritzung. Zusätzlich wurde in die Sauganlage des Motors eine Wasserstoff-Zuleitung integriert. Schlüsseltechnologie sind die zur Gemischaufbereitung notwendigen Einblaseventile, die in Bruchteilen von Sekunden die benötigte Menge an Wasserstoff-Gas in die Ansaugluft einbringen.
Wasserstoff weist im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen eine um bis zu zehnmal höhere Verbrennungsgeschwindigkeit auf. Dadurch werden höhere Wirkungsgrade erreicht. Um dieses Potenzial vollständig zu nutzen, wird für den V12-Motor des Hydrogen 7 eine flexible Motorsteuerung benötigt. Dafür bieten Valvetronic und Doppel-VANOS die idealen Voraussetzungen. Gaswechsel und Einspritzrhythmus können gezielt auf die Eigenschaften des Wasserstoff-Luft-Gemischs abgestimmt werden.
Unter Volllast agiert der Motor im so genannten stöchiometrischen Betrieb. Das Mischungsverhältnis zwischen Sauerstoff und Wasserstoff ist ausgeglichen (Lambda = 1). In diesem Verhältnis wird auch im Wasserstoffbetrieb die höchste Leistungsausbeute bei geringen Emissionen erzielt. Weil Wasserstoff im Gegensatz zu fossilen Energieträgern keinen Kohlenstoff enthält, treten bei seiner Verbrennung prinzipiell weder Kohlenwasserstoffe (HC) noch Kohlenmonoxid (CO) auf. Kleinste Spuren von HC-, CO- und CO2-Emissionen entstehen allenfalls durch Schmierölverbrennung beziehungsweise Aktivkohlefilterspülungen während des Wasserstoffbetriebs.
Relevant wäre daher ausschließlich der Ausstoß von Stickoxiden (NOX). Sie entstehen vor allem bei besonders hohen Verbrennungstemperaturen. Die hohe Flexibilität in der Verbrennungssteuerung erlaubt eine Betriebs¬strategie, mit der die NOX-Bildung im Wesentlichen kontrolliert werden kann. Zu diesem Zweck wird der Motor im Teillastbetrieb mit hohem Sauerstoffanteil (Lambda > 2) betrieben. Dabei läuft die Verbrennung mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen ab, bei denen nur äußerst geringe NOX-Emissionen auftreten. Dieser Magerbetrieb ist über einen besonders breiten Kennfeldbereich hinweg möglich.
Weil Wasserstoff besonders weite Zündgrenzen aufweist und mit hoher Geschwindigkeit verbrennt, genügt ein geringer Kraftstoffanteil im Gemisch zur Erzeugung eines hohen Wirkungsgrades. Zur Steigerung der Leistung wird auch im Wasserstoffbetrieb der Kraftstoff¬anteil im Gemisch erhöht. Dabei nimmt bei steigender Last auch die Verbrennungstemperatur zu. Der Gemischbereich, in dem am meisten Stickoxide entstehen, liegt zwischen Lambda = 1 und Lambda = 2. Dieser für das Abgasverhalten ungünstige Betriebsbereich wird von der Motorsteuerung des BMW Hydrogen 7 drehmomentneutral ausgeblendet.
Unter Volllast (Lambda = 1) werden NOX-Emissionen nahezu vollständig vermieden. Für die Umwandlung der minimalen in diesem Betriebsbereich verbliebenen NOX-Mengen genügt ein einfaches 3-Wege-Kat-System. Die spezifische Abgaszusammensetzung eines Wasserstoff-Verbrennungs¬motors im stöchiometrischen Betrieb (Lambda = 1) begünstigt die Umsetzung eventuell im Abgas befindlicher Stickoxide im 3-Wege-Kat.
Gleichwohl wird im Rahmen der Forschung der BMW Group auch daran gearbeitet, die Brennstoffzellentechnik für eine möglichst praxistaugliche Nutzung im Automobil zu erschließen. Das Ziel ist langfristig die Nutzung der Brennstoffzellentechnologie als Auxiliary Power Unit (APU) sowohl in Wasserstoff- als auch in Benzinfahrzeugen. Dabei übernimmt die APU die Aufgabe der Stromversorgung für das Bordnetz sowohl während der Fahrt als auch im Stand.
BMW hat 1978 mit der Forschung an Wasserstoffmotoren begonnen und in den Folgejahren mit mehreren Fahrzeuggenerationen die Technologie fortentwickelt. Im Jahre 2000 stellte BMW dann im Rahmen der Expo 2000 in Hannover als weltweit erster Hersteller eine Demonstrationsflotte von Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb vor: Die Fahrzeuge vom Typ BMW 750hL.
Bei der Entwicklung der technischen Komponenten, die für die Wasserstoff-Nutzung erforderlich sind, arbeitete die BMW Group eng mit spezialisierten Zulieferunternehmen und Entwicklungspartnern zusammen. Darüber hinaus ist die BMW Group Gründungsmitglied der Verkehrswirtschaftlichen Energie-Strategie (VES) und gehört der Clean Energy Partnership Berlin (CEP) an, der sich auch andere Automobilhersteller sowie Unternehmen der Versorgungswirtschaft und öffentliche Verkehrsbetreiber angeschlossen haben. Die CEP ist Bestandteil der nationalen Nachhaltigkeitsstrategie. Sie wird von der Bundesregierung unterstützt und gefördert. Auf Initiative der CEP entstand in Berlin die erste Wasserstoff-Tankstelle.
Zudem hat die BMW Group eine Vereinbarung mit dem Mineralölunternehmen Total geschlossen, das seit 2004 eine integrierte Station in Berlin betreibt. Eine weitere Wasserstoff¬tankstelle in der Hauptstadt wurde - ebenfalls im Rahmen der CEP - im März 2006 von Total eröffnet. Für Ende 2006 ist auch in München die Inbetriebnahme einer neuen integrierten Wasserstoff-Tankstelle unter der Regie von Total vorgesehen. Diese soll zeitnah zur Premiere des BMW Hydrogen 7 und nahe des Forschungs- und Innovationszentrums (FIZ) der BMW Group eröffnet werden. Darüber hinaus wurde die Eröffnung einer weiteren integrierten Wasserstoff-Tankstelle in einer europäischen Metropole festgeschrieben. Die weltweit erste öffentliche Wasserstoff-Tankstelle wurde im Jahre 2000 am Münchner Flughafen eröffnet.
Die Wasserstoff-Betankung hat sich mittlerweile der Handhabung einer Benzin-Zapfsäule angenähert. Sobald der Fahrer manuell die Verbindung der Tankkupplung mit dem Tankverschluss des Fahrzeugs hergestellt hat, läuft der Füllvorgang automatisiert ab. Die Befüllung des Wasserstoff-Tanks läuft nach dem manuellen Ankuppeln ohne weiteres Zutun des Fahrers ab. Der Fahrer öffnet die Tankklappe per Druck auf eine Taste im Cockpit. Danach kann die Betankungskupplung mit einer einfachen Arretierbewegung an den Tankverschluss angeschlossen werden. Der weitere Betankungsvorgang dauert etwa acht Minuten.
Für die Ausrüstung aller weltweit vorhandenen Flüssigwasserstoff-Tankstellen wurde eine einheitliche Betankungskupplung entwickelt. Sie entstand in enger Kooperation zwischen Automobilproduzenten, der Versorgungswirtschaft und der Firma Linde, die das technische Know-how für die Nutzung von Wasserstoff besitzt. Als Vertreter der europäischen Automobilunternehmen war die BMW Group an der Gemeinschafts¬entwicklung beteiligt, die den weltweit übertragbaren technischen Standard für Flüssigwasserstoff-Betankungssysteme definiert.
Wie Suns Chefvisionär Tom Groth im Gespräch mit ZDNet[3] ausführte, ist das große Problem von Wasserstoffantrieben das Verdampfen des Treibstoffes. Dem hat BMW durch das Engagement des österreichischen Entwicklungspartners Magna Steyr entgegengewirkt. Der Wasserstoffspeicher besteht nun aus einem doppelwandigen Tank, dessen Innen- und Außenhülle aus jeweils zwei Millimeter starkem Edelstahlblech gefertigt werden. Zwischen Innen- und Außentank befindet sich eine 30 Millimeter starke Vakuumsuperisolation. Mit dieser Anordnung soll die Wärmeleitung reduziert werden. Die Zwischenschicht erreicht die Isolationswirkung von etwa 17 Metern Styropor. Die Aufhängungen zwischen Innen- und Außentank bestehen aus gering wärmeleitenden CFK-Bändern.
Die für den Wasserstoffspeicher des BMW Hydrogen 7 entwickelte Isolationstechnik führt zu einer in der herkömmlichen Praxis bisher unerreichten Temperaturkonstanz. Ein plakatives Beispiel: Würde ein derartiger Speicherbehälter beispielsweise mit kochendem Kaffee gefüllt, so bliebe dieser mehr als 80 Tage lang heiß. Erst danach wäre die Temperatur des Getränks so weit gesunken, dass es genießbar wäre. Ebenso effektiv wird für gleich bleibende Kälte gesorgt. Die hochwirksame Isolation ermöglicht es, den flüssigen Wasserstoff über einen langen Zeitraum bei einem Druck von 3 bis 5 bar und einer konstanten Temperatur von etwa - 250 Grad Celsius zu speichern.
Der Wärmeeintrag, der zum Verdampfen von Wasserstoff führt, ist laut BMW minimal. Der Verlust, der aus dem mit einem Temperaturanstieg verbundenen Druckaufbau resultiert, werde gezielt gesteuert. Das so genannte Boil-Off-Management begrenze den Tankinnendruck und sorgt für eine kontrollierte Entnahme von bereits verdampftem Wasserstoff. Der freigegebene gasförmige Wasserstoff wird in einem Venturirohr verdünnt und in einem Katalysator zu Wasserdampf aufoxidiert.
Die als Standzeit bezeichnete Phase bis zur kontrollierten Entleerung eines zur Hälfte gefüllten Wasserstofftanks beträgt etwa neun Tage. Auch nach diesem Zeitraum können immer noch rund 20 Kilometer im Wasserstoff-Modus zurückgelegt werden. Im Fahrbetrieb ist die definierte Umwandlung von flüssigem zu gasförmigem Wasserstoff ein permanenter Vorgang. Denn der Treibstoff wird dem Speichertank in gasförmigem Zustand entnommen und der Gemisch¬aufbereitung zugeführt. Aus diesem Grund wird flüssiger Wasserstoff innerhalb des Tanks gezielt verdampft und ein Gaspolster mit definiertem Druck aufgebaut.
Die Erwärmung des aus dem Tank entnommenen gasförmigen Wasserstoffs ist für die Gemischaufbereitung notwendig. Dazu wird Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf des Motors genutzt. Dies erfolgt mittels eines Systems aus zwei miteinander gekoppelten Wärmetauschern. Der Wärmetauscher in der so genannten Neben-System-Kapsel (NSK) erhält seine Wärme aus dem Kühlkreislauf des Motors und führt diese einerseits über den zweiten Wärmetauscher dem Wasserstofftank zu, andererseits wird der Wasserstoff für die Gemischaufbereitung erwärmt.
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