Warum die Münchner auf den Wasserstoff-Verbrennungsmotor bauen

Immer umweltfreundlicher soll das Autofahren werden, und die Abhängigkeit vom Erdöl soll sinken. Als Lösung hat sich ein einziger Energieträger für die Zukunft herauskristallisiert: Wasserstoff.

Flottenverbrauch: Unter sechs Liter
Wenn Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von Sonnenenergie, Wind- und Wasserkraft erzeugt wird, dann steht er praktisch unbegrenzt und fast emissionsfrei zur Verfügung. Und er verbrennt ohne die Freisetzung von Kohlendioxid. Das ist wichtig, denn der Verband der europäischen Automobilindustrie ACEA hat sich verpflichtet, die Kohlendioxid-Emissionen bis zum Jahr 2008 auf durchschnittlich 140 Gramm pro gefahrenem Kilometer zu senken. Dies entspricht einem Spritverbrauch von rund sechs Litern pro 100 Kilometer. Das kann man mit benzinsprenden Motoren schaffen, meint BMW. Aber darüber hinausgehende Senkungen lassen sich nur mit alternativen Kraftstoffen verwirklichen – wie eben Wasserstoff.

Gasförmig oder flüssig?
Das erste Problem beim Einsatz von Wasserstoff zum Antrieb von Autos ist seine Speicherung im Fahrzeug. Gasförmiger Wasserstoff lässt sich in Gasdruckflaschen speichern, aber die Reichweite solcher Systeme ist gering. Eine andere Möglichkeit sind Hydridspeicher, bei denen Wasserstoff durch Druck in Metallpulver eingelagert wird. Doch Hydridspeicher können nur etwa zwei Prozent ihres Eigengewichts an Wasserstoff aufnehmen, was für den Einsatz im Automobil nicht ausreicht.

Flüssigwasserstoff von BMW favorisiert
BMW favorisiert eine dritte Speicherform: Flüssigwasserstoff. Um Wasserstoff zu verflüssigen, muss er auf minus 253 Grad Celsius gekühlt werden – nicht ganz einfach, wenn man bedenkt, dass der absolute Nullpunkt nur etwa 20 Grad darunter liegt. Doch flüssiger Wasserstoff weist eine deutlich höhere Energiedichte als gasförmiger auf. Und je mehr Energie in einem bestimmten Tankvolumen mitgeführt werden kann, desto höher ist die Reichweite.

Flüssigwasserstoff tanken
Dass das Betanken mit Flüssigwasserstoff klappt, hat BMW mit einer öffentlich zugänglichen Wasserstofftankstelle gezeigt, die BMW seit 1999 am Münchner Flughafen betreibt. Bisher wurden seither immerhin etwa 700 Betankungen durchgeführt. Das Tanken dauert etwa so lange wie an einer normalen Tankstelle, läuft aber automatisch ab. Der flüssige Wasserstoff wird in den Tank "eingeregnet". Vorteil: An den Tröpfchen kondensiert Wasserstoffgas, was die Verluste verringert. Aber auch eine manuelle Betankung ist möglich. Das System unterscheidet sich von einer normalen Zapfpistole im Wesentlichen durch die druck- und kältedichte Kupplung. Zum Tanken wird die Kupplung am Tankstutzen angesetzt und verriegelt: Dann kann der Wasserstoff fließen. Eine entsprechende Tankstelle wurde im Herbst 2004 eingerichtet.

Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle
Zwei grundsätzliche Möglichkeiten gibt es, Wasserstoff zum Antrieb von Autos zu nutzen: Man kann ihn in einem Verbrennungsmotor mit dem Sauerstoff der Luft reagieren lassen – so wie man Benzin, Diesel oder Erdgas in einem konventionellen Motor verbrennt. Die zweite Möglichkeit ist die Brennstoffzelle. BMW favorisiert für den Fahrzeugantrieb den Verbrennungsmotor. Die Brennstoffzelle erfordert nach Ansicht von BMW zu hohe Zugeständnisse bei Gewicht und Kosten. Der Verbrennungsmotor bietet auch den Vorteil, bivalent fahren zu können, also sowohl mit Benzin als auch mit Wasserstoff. So können Lücken im Wasserstoff-Tankstellennetz überbrückt werden.

Stickoxide als Problem
Ein Problem beim Wasserstoff-Verbrennungsmotor ist die Bildung von Stickoxiden. Das mag zuerst verwundern, denn bei der Verbrennung des Wasserstoffs selbst entsteht nur Wasser. Aber bei hohen Temperaturen – oberhalb von 1.700 Grad – bilden sich durch Oxidation des Luftstickstoffes auch Stickoxide. Diese will BMW durch eine besondere Betriebsstrategie vermindern. Bei Teillast wird der Motor im Magerbetrieb mit Luftüberschuss (Lambda > 1,7) betrieben, wodurch NOx-Emissionen nur in sehr geringen Mengen auftreten. Wird hingegen vom Motor eine hohe Leistung gefordert, wird er mit stöchiometrischem Gemisch (Lambda = 1) betrieben. In diesem Modus fallen zwar NOx-Emissionen an, die aber durch eine Abgasnachbehandlung den SULEV-Grenzwert (Super Ultra Low Emission Vehicle) deutlich unterschreiten.

Serienfahrzeug in Entwicklung
Im Jahr 2000 hat BMW eine Flotte von 15 Limousinen mit Wasserstoffantrieb vorgestellt. Die Fahrzeuge vom Typ 750hL haben sich seither im Alltagsbetrieb bewährt und insgesamt mehr als 170.000 Kilometer zurückgelegt. Nun hat BMW mit der Serienentwicklung eines Fahrzeuges begonnen, das von einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die zukunftsweisende Limousine wird auf dem 7er basieren. Sie soll über 215 km/h schaffen und eine Reichweite von 200 Kilometern im Wasserstoff- und 500 Kilometern im Benzinbetrieb haben. Einen Vorgeschmack auf die Ergebnisse des Entwicklungsprozesses gab BMW auf der Frankfurter Automesse IAA 2003. Damals wurde ein Zwölfzylinder-V-Motor mit Wasserstoff schöpft aus 6,0 Litern Hubraum mehr als 230 PS. Das maximale Drehmoment von 337 Newtonmetern erreicht er bereits bei 2.000 U/min.

Zukunftspläne
Für die Zukunft plant BMW, einen aufgeladenen Motor mit äußerer Gemischbildung zu präsentieren. Außerdem bietet sich die Kombination von Wasserstoff-Direkteinblasung und Aufladung an. Dies sollte die spezifische Leistung über das Niveau von Benzinmotoren heben, glaubt BMW. Die Münchner halten einen Wirkungsgrad von 50 Prozent für möglich. Dieses anspruchsvolle Ziel soll durch Optimierung des Brennverfahrens, durch Reduzierung der Reibung, Optimierung der Nebenaggregate und so weiter erreicht werden.

Brennstoffzelle für das Bordnetz
Das Wasserstoff-Konzept von BMW sieht auch den Einsatz einer Brennstoffzelle vor. Sie soll Strom für das Bordnetz liefern. Während die normale Autobatterie von einem Generator aufgeladen werden muss, arbeitet dieses System motorunabhängig und wird vom Wasserstofftank gespeist. Vorteil: Auch wenn der Motor nicht läuft, lässt sich zum Beispiel die Klimaanlage oder Heizung betreiben. Das erhöht nicht nur den Komfort, es spart auch Energie: Die Brennstoffzelle muss nur dann Strom liefern, wenn er gebraucht wird, während der Motor die Lichtmaschine permanent antreibt.
(sl)

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