Probefahrt BMW und Wasserstoff: Teil zwei

"Wasser. Das einzige Endprodukt der sauberen Motoren von BMW ist die Verwendung von flüssigem Wasserstoff anstelle von Erdölkraftstoffen und ermöglicht es jedem, mit gutem Gewissen in den Genuss neuer Technologien zu kommen."

BMW Weg

Diese Worte sind ein Zitat aus einer Werbekampagne eines deutschen Unternehmens vor einigen Jahren. Lange Zeit hat niemand in Frage gestellt, dass die Bayern sich in Sachen Motorentechnik bestens auskennen und auf diesem Gebiet zu den unangefochtenen Weltmarktführern gehören. Es wäre auch nicht zu glauben, dass ein Unternehmen, das in den letzten Jahren ein solides Umsatzwachstum gezeigt hat, eine Menge Geld für wenig bekannte Anzeigen für vielversprechende Technologien mit ungewisser Zukunft ausgeben würde.

Gleichzeitig sind die zitierten Worte aber auch Teil einer Werbekampagne für eine eher exotische 745-Stunden-Wasserstoff-Version des Flaggschiffs des bayerischen Autobauers. Exotisch, weil laut BMW die Umstellung auf Alternativen zu Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen, die die Automobilindustrie von Anfang an füttert, eine Umstellung der gesamten Produktionsinfrastruktur erfordern wird. Letzteres ist notwendig, weil die Bayern nicht in den viel beworbenen Brennstoffzellen, sondern in der Umstellung von Verbrennungsmotoren auf den Betrieb mit Wasserstoff einen vielversprechenden Entwicklungspfad sehen. BMW ist der Ansicht, dass das Upgrade ein lösbares Problem ist, und hat bereits erhebliche Fortschritte bei der Lösung des Hauptproblems erzielt, um eine zuverlässige Motorleistung zu erreichen und seine Neigung zu unkontrollierten Verbrennungsprozessen mit reinem Wasserstoff zu beseitigen. Der Erfolg in dieser Richtung beruht auf der Kompetenz auf dem Gebiet der elektronischen Steuerung von Motorprozessen und der Möglichkeit, die von BMW patentierten flexiblen Gasverteilungssysteme Valvetronic und Vanos zu verwenden, ohne die der normale Betrieb von "Wasserstoffmotoren" nicht gewährleistet werden könnte. . Die ersten Schritte in diese Richtung gehen jedoch auf das Jahr 1820 zurück, als der Konstrukteur William Cecil einen mit Wasserstoff betriebenen Motor entwarf, der nach dem sogenannten "Vakuumprinzip" arbeitete - ein Schema, das sich stark von dem des später erfundenen Motors mit Verbrennungsmotor unterschied . Verbrennung. Bei seiner ersten Entwicklung von Verbrennungsmotoren 60 Jahre später verwendete der Pionier Otto das bereits erwähnte und aus Kohle gewonnene Synthesegas mit einem Wasserstoffanteil von etwa 50 %. Mit der Erfindung des Vergasers ist die Verwendung von Benzin jedoch viel praktischer und sicherer geworden, und flüssiger Kraftstoff hat alle anderen Alternativen ersetzt, die es bisher gab. Die Eigenschaften von Wasserstoff als Brennstoff wurden viele Jahre später von der Raumfahrtindustrie wiederentdeckt, die schnell herausfand, dass Wasserstoff das beste Energie/Masse-Verhältnis aller der Menschheit bekannten Brennstoffe hatte.

Im Juli 1998 verpflichtete sich der Europäische Verband der Automobilindustrie (ACEA) gegenüber der Europäischen Union, die CO2008-Emissionen neu zugelassener Fahrzeuge in der Union um durchschnittlich 2 Gramm pro Kilometer um 140 zu senken. In der Praxis bedeutete dies eine Reduzierung der Emissionen um 25% gegenüber 1995, und der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch der neuen Flotte betrug etwa 6,0 l / 100 km. In naher Zukunft sollen durch zusätzliche Maßnahmen die Kohlendioxidemissionen bis 14 um 2012% gesenkt werden. Dies macht die Aufgabe für Automobilhersteller extrem schwierig und kann laut BMW Experten entweder durch die Verwendung kohlenstoffarmer Kraftstoffe oder durch die vollständige Eliminierung von Kohlenstoff aus der Kraftstoffzusammensetzung gelöst werden. Nach dieser Theorie taucht Wasserstoff in seiner ganzen Pracht in der Automobilbranche wieder auf.

Das bayerische Unternehmen war der erste Automobilhersteller, der wasserstoffbetriebene Fahrzeuge in Serie produzierte. Die optimistischen und zuversichtlichen Behauptungen von Professor Burkhard Geschel, für neue Entwicklungen zuständiges BMW Vorstandsmitglied, dass "das Unternehmen vor Ablauf des aktuellen 7er Wasserstoffautos verkaufen wird", haben sich bewahrheitet. Mit seiner neuesten Version Hydrogen 7 wurde die siebte Serie 2006 mit einem 12 PS starken 260-Zylinder-Motor vorgestellt. Diese Botschaft ist bereits Realität geworden. Die Absicht schien ziemlich ehrgeizig, aber nicht ohne Grund. BMW experimentiert seit 1978 mit Verbrennungsmotoren, die mit Wasserstoff betrieben werden, und hat am 11. Mai 2000 die Möglichkeiten dieser Alternative auf einzigartige Weise demonstriert. Eine beeindruckende Flotte von 15 750-hl-Fahrzeugen der vorherigen Generation der Woche, angetrieben von Wasserstoff-Zwölfzylindermotoren, absolvierte den 170 km langen Marathon und unterstrich den Erfolg des Unternehmens und das Versprechen neuer Technologien. In den Jahren 000 und 2001 nahmen einige dieser Fahrzeuge weiterhin an verschiedenen Demonstrationen zur Unterstützung der Wasserstoffidee teil. Dann war es Zeit für eine Neuentwicklung, die auf dem nächsten 2002er basiert und einen modernen 7-Liter-V4,4-Motor mit einer Höchstgeschwindigkeit von 212 km / h verwendet, gefolgt von der neuesten Entwicklung mit einem 12-Zylinder-VXNUMX. Nach offizieller Meinung des Unternehmens sind die Gründe, warum BMW diese Technologie gegenüber Brennstoffzellen gewählt hat, sowohl kommerzieller als auch psychologischer Natur. Erstens erfordert diese Methode erheblich weniger Investitionen, wenn sich die Produktionsinfrastruktur ändert. Zweitens, weil die Leute an den guten alten Verbrennungsmotor gewöhnt sind, mögen sie ihn und es wird schwierig sein, sich davon zu trennen. Und drittens stellte sich in der Zwischenzeit heraus, dass sich diese Technologie schneller entwickelt als die Brennstoffzellentechnologie.

In BMW-Autos wird Wasserstoff in einem superisolierten Kryobehälter gespeichert, einer Art Hightech-Thermosflasche des deutschen Kühlkonzerns Linde. Bei niedrigen Lagertemperaturen befindet sich der Kraftstoff in flüssiger Phase und gelangt wie normaler Kraftstoff in den Motor.

Die Konstrukteure der Münchner konzentrierten sich in dieser Phase auf die indirekte Kraftstoffeinspritzung, die Qualität des Gemischs hängt von der Motorbetriebsart ab. Im Teillastbetrieb läuft der Motor mit mageren Mischungen ähnlich Dieselkraftstoff – die Änderung erfolgt lediglich in der eingespritzten Kraftstoffmenge. Dies ist die sogenannte „Qualitätskontrolle“ des Gemisches, bei der der Motor mit Luftüberschuss läuft, aber aufgrund der geringen Last die Bildung von Stickstoffemissionen minimiert wird. Wenn ein erheblicher Leistungsbedarf besteht, beginnt der Motor wie ein Benzinmotor zu arbeiten und geht zur sogenannten "quantitativen Steuerung" des Gemischs und normaler (nicht magerer) Gemische über. Diese Änderungen sind einerseits aufgrund der Geschwindigkeit der elektronischen Steuerung von Prozessen im Motor und andererseits aufgrund des flexiblen Betriebs von Gasverteilungssteuerungssystemen möglich - „doppelter“ Vanos, der in Verbindung mit dem arbeitet Valvetronic-Einlasssteuerungssystem ohne Drosselklappe. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Arbeitsschema dieser Entwicklung nach Ansicht der BMW-Ingenieure nur ein Zwischenschritt in der Technologieentwicklung ist und die Motoren künftig auf Wasserstoffdirekteinspritzung in Zylinder und Turboaufladung umgestellt werden. Von diesen Techniken wird erwartet, dass sie zu einer besseren Fahrdynamik als bei einem vergleichbaren Ottomotor und einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrads des Verbrennungsmotors um mehr als 50 % führen. Hier haben wir bewusst darauf verzichtet, das Thema „Brennstoffzelle“ anzusprechen, da dieses Thema in letzter Zeit recht rege genutzt wird. Gleichzeitig müssen wir sie aber auch im Zusammenhang mit der Wasserstofftechnologie von BMW erwähnen, denn die Münchner haben sich entschieden, mit solchen Geräten das Bordnetz von Autos mit Strom zu versorgen und den herkömmlichen Batteriestrom komplett zu eliminieren. Dieser Schritt ermöglicht zusätzliche Kraftstoffeinsparungen, da der Wasserstoffmotor die Lichtmaschine nicht antreiben muss und das Bordnetz völlig autark und unabhängig vom Fahrweg wird – es kann auch bei stehendem Motor Strom erzeugen sowie produzieren und Energie verbrauchen, bietet sich für eine vollständige Optimierung an. Auch die Tatsache, dass für den Antrieb von Wasserpumpe, Ölpumpe, Bremskraftverstärker und kabelgebundenen Systemen nur noch so viel Strom produziert werden kann, wie benötigt wird, führt zu weiteren Einsparungen. Parallel zu all diesen Innovationen hat das Kraftstoffeinspritzsystem (Benzin) jedoch praktisch keine teuren Designänderungen erfahren. Um Wasserstofftechnologien voranzutreiben, haben BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN im Juni 2002 das CleanEnergy-Partnerschaftsprogramm ins Leben gerufen, das mit der Entwicklung von Tankstellen mit verflüssigtem und komprimiertem Wasserstoff begann.

BMW ist Initiator einer Reihe weiterer gemeinsamer Projekte, unter anderem mit Ölgesellschaften, unter denen die aktivsten Teilnehmer Aral, BP, Shell, Total sind. Das Interesse an diesem zukunftsträchtigen Bereich wächst exponentiell – allein die EU wird in den nächsten zehn Jahren direkte Finanzbeiträge an Fonds zur Finanzierung der Entwicklung und Umsetzung von Wasserstofftechnologien in Höhe von 2,8 Milliarden Euro leisten. Das Volumen der Investitionen privater Unternehmen in die Entwicklung von "Wasserstoff" in diesem Zeitraum ist schwer vorherzusagen, aber es ist klar, dass es die Abzüge von gemeinnützigen Organisationen um ein Vielfaches übersteigen wird.

Wasserstoff in Verbrennungsmotoren

Interessanterweise ist Wasserstoff aufgrund der physikalischen und chemischen Eigenschaften viel brennbarer als Benzin. In der Praxis bedeutet dies, dass viel weniger Anfangsenergie benötigt wird, um den Verbrennungsprozess in Wasserstoff einzuleiten. Andererseits können in Wasserstoffmotoren sehr magere Gemische problemlos verwendet werden – etwas, was moderne Benzinmotoren durch komplexe und teure Technologien erreichen.

Die Wärme zwischen den Partikeln des Wasserstoff-Luft-Gemisches wird weniger gut abgeführt, gleichzeitig sind die Selbstentzündungstemperatur und die Geschwindigkeit der Verbrennungsvorgänge deutlich höher als bei Benzin. Wasserstoff hat eine geringe Dichte und ein starkes Diffusionsvermögen (die Möglichkeit, dass Partikel in ein anderes Gas - in diesem Fall Luft - eindringen).

Die geringe Aktivierungsenergie, die für die Selbstzündung benötigt wird, ist eine der größten Herausforderungen bei der Steuerung von Verbrennungsprozessen in Wasserstoffmotoren, da sich das Gemisch aufgrund des Kontakts mit heißeren Bereichen im Brennraum und dem Widerstand gegen eine Kette von völlig unkontrollierten Prozessen leicht selbst entzünden kann. Dieses Risiko zu vermeiden, ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Wasserstoffmotoren, aber es ist nicht einfach, die Folgen der Tatsache zu eliminieren, dass ein hochdiffuses brennendes Gemisch sehr nahe an den Zylinderwänden vorbeizieht und in extrem enge Spalte eindringen kann. wie zum Beispiel geschlossene Ventile... All dies muss bei der Auslegung dieser Motoren berücksichtigt werden.

Eine hohe Selbstentzündungstemperatur und eine hohe Oktanzahl (etwa 130) ermöglichen eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses des Motors und damit seines Wirkungsgrads, aber auch hier besteht die Gefahr einer Selbstentzündung von Wasserstoff durch Kontakt mit dem heißeren Teil. im Zylinder. Der Vorteil des hohen Diffusionsvermögens von Wasserstoff ist die Möglichkeit eines einfachen Mischens mit Luft, was im Falle eines Tankausfalls eine schnelle und sichere Verteilung des Kraftstoffs garantiert.

Das ideale Luft-Wasserstoff-Gemisch für die Verbrennung hat ein Verhältnis von etwa 34:1 (bei Benzin beträgt dieses Verhältnis 14,7:1). Das bedeutet, dass bei der Kombination der gleichen Masse von Wasserstoff und Benzin im ersten Fall mehr als doppelt so viel Luft benötigt wird. Gleichzeitig nimmt das Wasserstoff-Luft-Gemisch deutlich mehr Platz ein, was erklärt, warum wasserstoffbetriebene Motoren weniger Leistung haben. Eine rein digitale Veranschaulichung von Verhältnissen und Volumina ist durchaus beredt – die Dichte von verbrennungsbereitem Wasserstoff ist 56-mal geringer als die von Benzindampf …. Allerdings ist zu beachten, dass Wasserstoffmotoren grundsätzlich auch mit Luft-Wasserstoff-Gemischen bis 180:1 (also sehr „mageren“ Gemischen) betrieben werden können, was wiederum bedeutet, dass der Motor betrieben werden kann. ohne Drosselklappe und nutzen das Prinzip von Dieselmotoren. Zu beachten ist auch, dass Wasserstoff im Vergleich von Wasserstoff und Benzin als Energieträger in Sachen Masse unangefochten führend ist – ein Kilogramm Wasserstoff ist fast dreimal so energieintensiv wie ein Kilogramm Benzin.

Wie bei Benzinmotoren kann verflüssigter Wasserstoff direkt vor den Ventilen in die Krümmer eingespritzt werden, aber die beste Lösung ist die Einspritzung direkt während des Verdichtungstakts – in diesem Fall kann die Leistung die eines ähnlichen Benzinmotors um 25 % übertreffen. Denn der Kraftstoff (Wasserstoff) verdrängt nicht wie bei einem Benzin- oder Dieselmotor die Luft, sondern lässt nur Luft (deutlich mehr als üblich) in den Brennraum. Außerdem benötigen Wasserstoffmotoren im Gegensatz zu Benzinmotoren keine strukturelle Verwirbelung, da Wasserstoff ohne diese Maßnahme gut genug mit Luft diffundiert. Aufgrund der unterschiedlichen Verbrennungsraten in verschiedenen Teilen des Zylinders ist es besser, zwei Zündkerzen zu platzieren, und in Wasserstoffmotoren ist die Verwendung von Platinelektroden unpraktisch, da Platin zu einem Katalysator wird, der bei niedrigen Temperaturen zur Kraftstoffoxidation führt.

H2R

Der H2R ist ein funktionierender Supersport-Prototyp, der von BMW Ingenieuren gebaut und von einem Zwölfzylindermotor angetrieben wird, der mit Wasserstoff eine maximale Leistung von 285 PS erreicht. Dank ihnen beschleunigt das Versuchsmodell in sechs Sekunden von 0 auf 100 km / h und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 300 km / h. Der H2R-Motor basiert auf dem serienmäßigen Top-End-Aggregat des Benziners 760i und dauerte nur zehn Monate zu entwickeln. Um eine Selbstentzündung zu verhindern, haben die bayerischen Spezialisten eine spezielle Strömungsführung und Einspritzstrategie in den Brennraum entwickelt, die die Möglichkeiten variabler Ventilsteuerungen des Motors nutzen. Bevor das Gemisch in die Zylinder eintritt, werden diese durch Luft gekühlt und die Zündung erfolgt nur am oberen Totpunkt - aufgrund der hohen Verbrennungsrate mit Wasserstoffkraftstoff ist keine Frühzündung erforderlich.

Befund

Die finanzielle Analyse des Übergangs zu reiner Wasserstoff-Energie ist noch nicht sehr optimistisch. Die Produktion, Speicherung, der Transport und die Lieferung von Leichtgas sind immer noch recht energieintensive Prozesse, und in der gegenwärtigen technologischen Phase der menschlichen Entwicklung kann ein solches System nicht effektiv sein. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Forschung und die Suche nach Lösungen nicht fortgesetzt werden. Vorschläge, Wasserstoff aus Wasser mit Strom aus Sonnenkollektoren zu erzeugen und in großen Tanks zu speichern, klingen optimistisch. Andererseits klingt der Prozess der Erzeugung von Strom und Wasserstoff in der Gasphase in der Sahara-Wüste, des Transports per Pipeline zum Mittelmeer, der Verflüssigung und des Transports mit kryogenen Tankschiffen, des Entladens in Häfen und des endgültigen Transports per LKW im Moment etwas lächerlich ...

Eine interessante Idee wurde kürzlich von der norwegischen Ölgesellschaft Norsk Hydro vorgestellt, die die Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgas an Produktionsstandorten in der Nordsee vorschlug. Das restliche Kohlenmonoxid wurde auf erschöpften Feldern unter dem Meeresboden gespeichert. Die Wahrheit liegt irgendwo in der Mitte, und nur die Zeit wird zeigen, wohin die Entwicklung der Wasserstoffindustrie führen wird.

Mazda-Variante

Auch das japanische Unternehmen Mazda zeigt seine Version des Wasserstoffmotors – in Form eines Drehkolben-Sportwagens RX-8. Kein Wunder, denn die Konstruktionsmerkmale des Wankelmotors eignen sich hervorragend für die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff. Das Gas wird in einem speziellen Tank unter hohem Druck gespeichert und der Kraftstoff direkt in die Brennräume eingespritzt. Dadurch, dass bei Wankelmotoren die Bereiche, in denen Einspritzung und Verbrennung stattfinden, getrennt sind und die Temperatur im Saugteil niedriger ist, wird das Problem der Möglichkeit einer unkontrollierten Zündung deutlich reduziert. Der Wankelmotor bietet zudem genügend Platz für zwei Injektoren, was für die optimale Einspritzung des Wasserstoffs enorm wichtig ist.