BMW Hydrogen 7: Wasserstoffantrieb in Serie

13.09.2006

Der Sechsliter-Zwölfzylinder lässt sich sowohl mit Wasserstoff wie auch mit herkömmlichem Superbenzin betreinben

Mit dem Hydrogen 7 präsentiert BMW als erster Hersteller weltweit ein mit Wasserstoff angetriebenes Fahrzeug, das den Serienentwicklungsprozess durchlaufen hat. Die Limousine der 7er Reihe wird von einem 260 PS starken Zwölfzylinder-Motor angetrieben und beschleunigt in 9,5 Sekunden von null auf 100 km/h. Die Höchstgeschwindigkeit wird elektronisch auf 230 km/h limitiert. 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. Mit dem Hydrogen 7 wollen die Bayern beweisen, dass der Einsatz von Flüssigwasserstoff als Energieträger für Serienfahrzeuge realisierbar ist.

Die Entwicklung der Wasserstoff-Technologie ist ein wesentlicher Bestandteil der Energiestrategie des Unternehmens. Der Siebener mit dem alternativen Antrieb übernimmt dabei die Rolle eines Schrittmachers, der alle an diesem Konzept beteiligten Entwicklungspartner in die Lage versetzt, die Alltagstauglichkeit der Technologie zu demonstrieren. Ziel ist es, eine Antriebstechnologie darzustellen, mit der sich aktuelle und zukünftige Ansprüche an die individuelle Mobilität auch ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe erfüllen lassen. Die Wasserstoff-Technologie bietet dabei die Möglichkeit, die im Individualverkehr erzeugten Emissionen und insbesondere den CO 2-Ausstoß drastisch zu reduzieren. Der Hydrogen 7 emittiert im Wasserstoff-Betrieb praktisch nur Wasserdampf.

Da die Schadstoffemission bei der Erzeugung des Wasserstoffs anfällt müssen Alternativen zum Verbrauch fossiler Brennstoffe gefunden werden. Hier sollen Biomasse oder Energie aus Sonne, Wind und Wasserkraft zum Einsatz kommen. Da diese Quellen nicht für eine flächendeckende Versorgung ausreichen, muss über Alternativen nachgedacht werden. Auch die Verwendung von Erdgas kommt in Frage – hier kann es jedoch in erster Linie nur um einen Einsatz zur schrittweisen Ersetzung fossiler Energieträger gehen.

Rein technisch betrachtet weist flüssiger und tiefkalter Treibstoff im Vergleich zum gasförmigen und stark komprimierten Wasserstoff eine erheblich höhere Energiedichte auf. Bei gleichem Bauraum im Speichertank liegt die Energiemenge von tiefkalt-flüssigem Wasserstoff im Vergleich zu Wasserstoff, der mit 700 bar druckgasförmig gespeichert wird, um 75 Prozent höher. Damit steigt auch die Reichweite eines mit Flüssigwasserstoff betriebenen Fahrzeugs um den entsprechenden Faktor an.

Bei der Beurteilung der Alltagstauglichkeit gehört die Reichweite zu den wichtigsten Kriterien. Dabei muss neben den Verbrauchsdaten und dem Speichervolumen des Fahrzeugs jedoch auch die vorhandene Versorgungsinfrastruktur berücksichtigt werden. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist an ein flächendeckendes Netz von Wasserstoff-Tankstellen nicht zu denken. Fahrzeuge, die ausschließlich mit Wasserstoff betrieben werden, können daher auf öffentlichen Straßen nur begrenzt genutzt werden. Aus diesem Grund setzt BMW beim Alltagsbetrieb auf einen bivalenten Antrieb. Der Verbrennungsmotor des Hydrogen 7 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.

Unter den derzeit gegebenen Bedingungen sieht das bayerische Unternehmen den bivalenten Antrieb als einzige wirklich praxisgerechte Lösung, um Wasserstoff zum Durchbruch zu verhelfen. Darüber hinaus soll die Verwendung eines Verbrennungsmotors breite Akzeptanz für die neue Technologie zu wecken.

Aus einem Hubraum von sechs Litern erzeugt das Triebwerk eine Leistung von 260 PS. Das maximale Drehmoment beträgt 390 Newtonmeter und wird bei einer Motordrehzahl von 4 300 U/min erreicht. Der Spurt von 0 auf 100 Stundenkilometer erfolgt in 9,5 Sekunden, die elektronisch limitierte Höchstgeschwindigkeit beträgt 230 km/h. Diese Werte werden sowohl im Wasserstoff- als auch im Benzinbetrieb erreicht.

Der französische Mineralölkonzern Total sorgt für die Infrastruktur

Schließlich wirkt sich der Einsatz eines Verbrennungsmotors auch auf die Produktionskosten positiv aus. Der Siebener hat nicht nur den gesamten Serienentwicklungsprozess durchlaufen, auch in der Fertigung kann das Wasserstoff-Fahrzeug in den herkömmlichen Produktionsprozess integriert 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 Münchener Motorenwerk des Unternehmens.

Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor basiert auf dem Benzin-Triebwerk des 760i und verfügt über moderne Technik wie die vollvariable Ventilsteuerung Valvetronic und die variable Nockenwellenverstellung Doppel-Vanos. Im Benzinbetrieb erfolgt die Kraftstoffversorgung über eine Direkteinspritzung. Zusätzlich wurde in die Sauganlage des Motors eine Wasserstoff-Zuleitung integriert. Hier kommen zur Gemischaufbereitung notwendige Einblaseventile zum Einsatz, die in Bruchteilen von Sekunden exakt 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 innovativen V12 eine besonders flexible Motorsteuerung benötigt: Valvetronic und Doppel-Vanos bieten die Voraussetzungen, um Gaswechsel und Einspritzrhythmus gezielt auf die Eigenschaften des Wasserstoff-Luft-Gemischs abzustimmen.

Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten setzt nicht nur eine spezielle Motorsteuerung und Kraftstoffversorgung voraus, sondern auch die Integration zweier separater Kraftstoffspeicher. Um eine maximale Reichweite zu erzielen, verfügt der BMW über einen konventionellen 74 Liter fassenden Benzintank sowie über einen zusätzlichen Kraftstoffbehälter, der rund acht Kilogramm flüssigen Wasserstoff aufnimmt. Der Wasserstoffspeicher ist eine Schlüsselkomponente für Wasserstoff-Fahrzeuge. Der Wasserstoffspeicher besteht aus einem doppelwandigen Tank, dessen Innen- und Außenhülle aus jeweils 2 Millimeter starkem Edelstahlblech gefertigt werden. Zwischen Innen- und Außentank befindet sich eine 30 Millimeter starke Vakuumsuperisolation. Mit dieser Anordnung wird die Wärmeleitung auf ein Minimum reduziert. Die Zwischenschicht erreicht die Isolationswirkung von etwa 17 Metern Styropor. Die Aufhängungen zwischen Innen- und Außentank bestehen aus gering wärmeleitenden CFK-Bändern.

Diese Isolation ermöglicht es, den flüssigen Wasserstoff über einen langen Zeitraum bei einem Druck von drei bis fünf bar und einer konstanten Temperatur von etwa 250 Grad Celsius zu speichern. Der Wärmeeintrag, der zum Verdampfen von Wasserstoff führt, ist minimal. Der Verlust, der aus dem mit einem Temperaturanstieg verbundenen Druckaufbau resultiert, wird gezielt gesteuert. Das so genannte Boil-Off-Management begrenzt 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 diesen neun Tagen können immer noch rund 20 Kilometer im Wasserstoff-Modus zurückgelegt werden.

Im Fahrbetrieb ist die Umwandlung von flüssigem zu gasförmigem Wasserstoff ein permanenter Vorgang. Denn der Treibstoff wird dem Speichertank in gasförmigem Zustand entnommen und der Gemischaufbereitung 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.

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 vollzieht sich automatisch und dauert etwa acht Minuten.

Schöner Traum: Antriebsenergien aus regenerativer Energie

Durch den Einbau zusätzlicher Komponenten mussten Fahrwerk und Karosserie modifiziert werden. So war etwa eine Neuabstimmung der Federungs- und Dämpfungssysteme erforderlich. Zusätzlich kommt serienmäßig eine ebenfalls speziell auf dieses Fahrzeug abgestimmten AdaptiveDrive mit Wankstabilisierung und kontinuierlich verstellbarem Dämpferkontrollsystem zum Einsatz.

Bei der Karosserie wurde durch den Einsatz von kohlefaserverstärktem Kunststoff eine erhöhte Crashfestigkeit bei minimaler Gewichtszunahme erreicht. Speziell für diesen Wagen wurde eine neuartige CFK-Stahl-Mischbauweise entwickelt. Die Seitenrahmen rechts und links sind umlaufend mit CFK verstärkt, um die Fahrgastzelle zusätzlich zu versteifen. Ein optisch eigenständiges Bauteil ist die Motorhaube. Ihre Kontur ist von einem besonders stark ausgeformten Powerdome geprägt. Die veränderte Formgebung ist wegen des im Vergleich zum herkömmlichen Zwölfzylinder höher aufbauenden Motors notwendig.

Aufgrund der Anordnung des Wasserstoff-Speichertanks unterhalb der Hutablage und hinter der Rücksitzbank waren Modifikationen im Fond notwendig. Das Kofferraumvolumen reduziert sich auf 225 Liter und die Mittelarmlehne der hinteren Sitzreihe ist fest installiert. Zudem ist die Rücksitzbank um 115 Millimeter weiter vorn platziert als bei der ausschließlich mit Benzin betriebenen Langversion des BMW 7er.

(Text: rr/BMW )
(Fotos: BMW)

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