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Automobiltechnik: Zwölf Zylinder und eine Thermosflasche

Die Bayerischen Motorenwerke setzen auf einen Verbrennungsmotor, der Wasserstoff und Benzin gleichermaßen gut verdaut.


Ich glaube, dass eines Tages Wasserstoff und Sauerstoff ... eine unerschöpfliche Quelle von Wärme und Licht bilden werden", verkündete 1874 der Romanautor Jules Verne. 35 Jahre zuvor hatte der englische Gelehrte Sir William Grove Wasser elektrisch in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten und diese Reaktion dann wieder umgekehrt; gemeinhin wird dies als Geburtsstunde der Brennstoffzelle gesehen. Doch bis in das 20. Jahrhundert hinein blieb der energiereiche Wasserstoff auf Nischenmärkte der chemischen Industrie und der Raumfahrt beschränkt. Zu aufwendig erschien das Handling im Vergleich zu anderen, insbesondere fossilen Brennstoffen.

Angesichts aktueller Prognosen zum Treibhauseffekt ist diese Entwicklung bedauerlich, denn bei der Verbrennung von Wasser- und Sauerstoff entsteht nur Wasser. Zudem enthält ein Kilogramm Wasserstoff dreimal so viel Energie wie die gleiche Menge etwa an Benzin. Und schließlich: Die Ölquellen werden in wenigen Jahrzehnten versiegen. Alle führenden Fahrzeughersteller gehen deshalb davon aus, dass Wasserstoff der Treibstoff des 21. Jahrhunderts sein wird.

Unterschiede gibt es im Konzept: Während die einen ausschließlich auf die Brennstoffzelle in Kombination mit Elektroantrieben setzen, befürworten andere, darunter auch BMW, die direkte, sprich heiße Verbrennung von Wasserstoff. Die Technik dazu ist jetzt marktreif. Prototypen des BMW 750hL werden derzeit in einer weltweiten Kampagne im Praxiseinsatz getestet.

Das Fahrzeug ist eine komfortabel ausgestattete Limousine mit einem Zwölf-Zylinder-Motor, der sie auf 226 Kilometer pro Stunde beschleunigen kann. Sein Hubraum beträgt 5,4 Liter, der Motor liefert 150 Kilowatt bei 5800 Umdrehungen – Daten, wie sie auch für konventionelle Fahrzeuge dieser Klasse gelten. Doch dieses Automobil besitzt zwei Gemischbildungssysteme, nämlich eines für Benzin und eines für Wasserstoff. Ist dessen Verbrennung gerade nicht möglich, schaltet die Steuerelektronik automatisch auf den herkömmlichen Treibstoff um. Mit einer Füllung beider Tanks kommt das Fahrzeug mehr als 1000 Kilometer weit.

Dass derselbe Motor für verschiedene Verbrennungsprozesse geeignet sein soll, mag auf den ersten Blick verblüffen, doch tatsächlich ist das Grundprinzip ja immer gleich: In jedem Zylinder wird ein Gemisch aus Luft-Sauerstoff und einem Treibstoff mittels eines elektrischen Funkens in Brand gesetzt. Da der Wasserstoff dem Motor nur mit geringem Druck zugeführt werden kann, mischt ihn ein spezielles System schon in den Ansaugrohren der einzelnen Zylinder der Verbrennungsluft bei (äußere Gemischbildung). Aufgrund der geringen Dichte des Gases wären handelsübliche Einspritzsysteme allerdings ungeeignet, um die erforderliche Treibstoffmenge exakt zu bemessen. Gemeinsam mit einem Partnerunternehmen entwickelte BMW deshalb neue Dosierventile. Ihnen ist ein elektronischer Druckregler vorgeschaltet, der den optimalen Einblasedruck je nach Betriebszustand des Motors anhand eines Kennfeldes einstellt.

Elektronik sorgt auch für Sicherheit und Zuverlässigkeit. Die zwölf Zylinder sind in zwei Bänken angeordnet, die jeweils von einer unabhängigen Steuerung beaufsichtigt werden; jede Bank verfügt auch über eine eigene Brennstoffversorgung und Gemischbildung. Alle Steuergeräte sind miteinander vernetzt, um relevante Parameter unablässig abzugleichen und bei Unregelmäßigkeiten schnell zu reagieren. Fehlfunktionen, wie zum Beispiel der Ausfall eines Einblaseventils, bewirken so nur das Abschalten der Gaszufuhr und Umschalten auf Benzin. Gegebenenfalls kann auch die Einspritzung der betroffenen Bank ganz stillgelegt werden, denn der Motor ist auch mit sechs Zylindern durchaus noch betriebsfähig.

Grundsätzlich besteht bei jeder Verbrennung die Gefahr, dass sich unerwünschte Nebenprodukte bilden. Zwar ist Wasserstoff daran selbst nicht beteiligt, doch Bestandteile der zugeführten Luft vermögen bei den hohen Temperaturen miteinander zu reagieren. So können oberhalb von 1700 Grad Celsius umweltschädigende Stickstoffoxide (NO, NO2) entstehen. Glücklicherweise ist die "Knallgasreaktion" von Sauerstoff und Wasserstoff über einen weiten Bereich von Temperaturen und Gemischverhältnissen zündbar. Durch einen hohen Luftüberschuss lässt sich die Verbrennung deshalb elektronisch so steuern, dass eine NOx-Bildung schon im Zylinder weitgehend vermieden wird. Die überschüssige, nicht an der Verbrennung beteiligte Luft nimmt Wärme auf und senkt die Flammentemperatur unter die kritische Grenze. Wichtig für ein optimales Ergebnis ist es, lokale Anreicherungen zu vermeiden, so genannte Ladungsschichtung. Die Gemischbildung wurde anhand von Simulationsrechnungen mit einem 3D-Finite-Elemente-Programm (siehe Bild nächte Seite) optimiert. Damit ließen sich auch "Rückzündungen" vermeiden, also frühzeitige Zündungen während der Gemischbildungsphase, die einen Leistungsverlust zur Folge haben; Motoren mit äußerer Gemischbildung neigen sonst dazu. Die Verbrennung mit Luftüberschuss hat einen weiteren Vorteil: Der relative Wasserdampfanteil der Abluft entspricht etwa dem des Benzinmotors, sodass keine speziellen Öle mit höherer Wasseraufnahmefähigkeit oder rostfreie Materialien in der Abgasanlage erforderlich sind.

Eisbär im Tank


Zwar konnten viele Komponenten wie Grundmotor, Fahrwerk oder Karosserie für das Hybrid- oder besser Bi-fuel-Fahrzeug übernommen werden, eine wesentliche neue Komponente kam freilich hinzu: ein Tank für verflüssigten Wasserstoff. Eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern, wäre die Kompression, doch ein hoher Druck im Tank verbietet sich aus Sicherheitsgründen wie auch aus praktischen Erwägungen. Zudem ist die Energiedichte des flüssigen Treibstoffs fünfmal so groß wie die des stark komprimierten Gases und erreicht somit gut drei Kilowattstunden pro Liter (zum Vergleich: bei Benzin und Diesel sind es etwa zehn Kilowattstunden pro Liter). Für die Treibstoffversorgung des Motors reicht, wie erwähnt, der leichte Überdruck des Gaspolsters im Flüssigkeitstank.

Damit der Wasserstoff auch ohne Druck flüssig vorliegt, wird er auf minus 253 Grad Celsius gekühlt; der Tank entspricht vom Aufbau her also einer Art überdimensionaler Thermosflasche. Eine aktive Kühlung ist nicht notwendig, denn bei der Entnahme von Wasserstoff aus dem Gaspolster im Tank senkt sich der Druck etwas. Wenn der flüssige Wasserstoff dabei verdampft, wird der Flüssigkeit Wärme entzogen – das Medium kühlt sich also wieder von ganz alleine ab. Auf diese Weise wird schon seit Jahren Wasserstoff weltweit zu Verbrauchern etwa in der chemischen Industrie befördert. Die Sicherheit der Tanks wurde in umfangreichen Versuchsserien bis hin zu Crash-Tests geprüft. Für den Einsatz im Personenverkehr optimierte unser Unternehmen diese Technik gemeinsam mit Partnern, sodass das Tanken von Wasserstoff einfacher ist als das von Benzin beziehungsweise Diesel. Eine vollautomatische Tankstelle ging 1999 am Flughafen München in Betrieb.

Eventuelle Funktionsstörungen registriert ein übergeordnetes Diagnosesystem. Je nach Art des auftretenden Fehlers leitet es entsprechende Maßnahmen ein: Bei Fehlern im Wasserstoff-System des Motors wird auf Benzinbetrieb umgeschaltet. Bei anderen Fehlern, wie zum Beispiel einer Funktionsstörung bei der Treibstoffentnahme, sendet das Diagnosesystem über Funk eine Nachricht zur BMW-Service-Leitzentrale mit detaillierten Informationen.

Registriert ein Crashsensor einen Unfall, erhält die Zentrale der BMW-Werksfeuerwehr eine mittels GPS bestimmte Positionsangabe und kann örtliche Rettungsdienste über die besonderen Eigenschaften eines Wasserstofffahrzeugs unterrichten. Ähnlich wie in der Formel 1 liefert dieses System auch Informationen zum allgemeinen Status des Autos, etwa über einen falschen Reifenfülldruck oder fehlendes Waschwasser. Spätestens beim nächsten Werkstatttermin können diese Fehler dann einfach behoben werden.

Trotz der Kompromisse, die der Zweistoffbetrieb notwendig macht, beträgt die Leistung des Motors bei der Wasserstoffverbrennung über 150 Kilowatt, ein Wert, der mit einem auf Brennstoffzellen beruhenden Elektroantrieb nicht möglich wäre. Das heißt aber nicht, dass diese Technologie nicht auch genutzt würde: Eine Membran-Brennstoffzelle liefert Strom für das Bordnetz (PEM, Polymer-Elektrolyt-Membran). Während konventionelle Batterien von der "Lichtmaschine" aufgeladen werden, arbeitet dieses System motorunabhängig und wird vom Wasserstofftank gespeist. Auch wenn der Motor nicht läuft, lässt sich so zum Beispiel die Klimaanlage oder Heizung starten.

Die Brennstoffzelle liefert nicht nur dreimal mehr Leistung als eine Lichtmaschine, sie erzeugt auch nur dann Strom, wenn er von den eingeschalteten Verbrauchern angefordert wird, während eine Lichtmaschine permanent mitläuft. Insgesamt ergibt sich so, umgerechnet auf Benzin, eine Treibstoffeinsparung von einem Liter pro 100 Kilometern im Stadtverkehr. Wenn in naher Zukunft auch Wasserpumpe, Ölpumpen, Bremskraftverstärker und dergleichen elektrisch betrieben werden, reduziert das den Verbrauch weiter. Außerdem wird der Motor um mehr als zehn Kilowatt entlastet, die dann als Antriebsleistung zur Verfügung stehen.

Durch die Wüste


Während der Expo 2000 bewältigten Testfahrzeuge über 100000 Kilometer. So konnten interessierte Besucher des Expo-Geländes in Hannover an einer Testfahrt teilnehmen. Aber auch in München, wo das Deutsche Museum–Verkehrszentrum in Kooperation mit BMW als weltweites Expo-Projekt eine Wasserstoff-Ausstellung durchführte, war ein "Fahren mit Sonne und Wasser" möglich. In diesem Jahr starteten weltweite Härtetests in Dubai (Vereinigte Arabische Emirate). Es folgen spezielle Tests in der Innenstadt von Tokio, bevor die Fahrzeuge in Kalifornien eine so genannte Heißland-Erprobung absolvieren.

Das Ziel ist klar definiert: Noch während der Laufzeit des neuen 7ers, der Ende dieses Jahres auf den Markt kommt, erscheint auch eine Wasserstoff-Version. Das Wasserstoff-Tankstellennetz soll so weit ausgebaut werden, dass bis zum Ende des Jahrzehnts mehrere tausend Limousinen dieser Art auf den Straßen fahren.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 2001, Seite 82
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
5 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 5 / 2001

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