Innovative Hybrid-Antriebskonzepte der BMW Group

High Precision Injection und Brake Energy Regeneration: BMW Technik-Innovationen für deutlich weniger Verbrauch für alle Modelle

"Fortschritt darf sich nicht auf Nischen im Modellangebot beschränken." Getreu dem Motto, dass einige Prozentpunkte weniger Verbrauch über die gesamte Modellpalette insgesamt höhere Effekte für die Allgemeinheit erzielen als viele Prozentpunkte für ein Nischenmodell, richtet die BMW Group besonderes Augenmerk darauf, neueste Technologie für weniger Verbrauch schnellstmöglich vielen Kunden zugänglich zu machen. Die Benzin-Einspritztechnologie "High Precision Injection", die BMW innerhalb der nächsten Jahre einführen wird, spielt dabei eine zentrale Rolle. Als erste großserientaugliche, strahlgeführte Benzin-Direkteinspritzung gelingt mit ihr die Ausschöpfung des vollen Verbrauchseinsparungspotenzials, das bisherigen Lösungen im Markt verschlossen blieb.

Weitere Bausteine des BMW Technikpaketes für alle Modelle sind der Einstieg in die Bremsenergie-Rückgewinnung in einer BMW typischen, intelligenten Ausprägung und eine Motor-Start-Stop-Automatik.

BMW Active Hybrid: spontan, stark im Spurt und sparsam

Für leistungsstarke Modelle entwickelt die BMW Group exemplarisch das Antriebskonzept BMW Active Hybrid, die BMW Interpretation eines Hybridantriebs basierend auf dem Aktivgetriebe und Super Caps.

Das Aktivgetriebe ergänzt dabei zukünftig in den gleichen Abmaßen wie das aktuelle Automatikgetriebe das Getriebe um eine Elektromaschine mit integrierter Leistungselektronik unter Entfall des Wandlers. Die Energieversorgung basiert auf Hochleistungskondensatoren. Die Hybridisierung bringt bis zu 20 Prozent Verbrauchsreduzierung im europäischen Fahrzyklus. Das intelligente Management der Energieströme schafft die Voraussetzungen für den ersten BMW Hybridantrieb, der die klassischen BMW Tugenden auf eine sparsame Spitze treibt: Das Aktivgetriebe steigert sowohl Spontaneität als auch Dynamik. Auf der IAA 2005 zeigt BMW ein erstes Konzeptfahrzeug auf der Basis des BMW X3, das sich durch mehrere Besonderheiten auszeichnet: Wesentliches Merkmal des BMW Concept X3 EfficientDynamics – und wesentliches Unterscheidungsmerkmal zu bisherigen Lösungen – ist der raumoptimale Einsatz von Hochleistungskondensatoren, genannt Super Caps, als Haupt-Energiespeicher. Darüber hinaus besticht das Konzeptfahrzeug durch die packageneutrale Integration des zusätzlichen Elektromotors samt Leistungselektronik im Aktivgetriebe.

Gleichzeitig mit der Entwicklung des Konzeptes BMW EfficientDynamics beobachtet BMW die Entwicklungen neuer Antriebstechnologien auf dem Markt. So hält sich die BMW Group zusätzliche Optionen offen, um im Zuge von Kooperationen Technologien im Antriebsbereich schnell voranzutreiben und zu integrieren.

BMW EfficientDynamics

High Precision Injection als weltweit erste Direkteinspritzung mit großem Verbrauchsvorteil im Praxisbetrieb. Der Verbrennungsmotor bleibt das Fundament.

Benzin- und Dieselmotoren bieten trotz ihrer bereits über 100-jährigen Evolution immer noch großes Entwicklungspotenzial. Das vorrangige Ziel der BMW Ingenieure ist es, dieses Potenzial auszuschöpfen. Deshalb bleibt der Verbrennungsmotor die Basis für BMW. Denn Wirkungsgradverbesserungen am Motor wirken in allen Betriebszuständen, wogegen Zusatzsysteme oft nur Verbesserungen in bestimmten, eng umrissenen Betriebszuständen ermöglichen. Darüber hinaus kann keine andere Antriebsform den Erwartungen der BMW Kundschaft an Faszination und effiziente Dynamik besser gerecht werden als der Verbrennungsmotor.

Heutige BMW Antriebe stehen im Wettbewerb an der Spitze des derzeit Machbaren, wie viele internationale Auszeichnungen jedes Jahr eindrucksvoll beweisen. So gingen im Jahr 2005 mit sechs von zehn möglichen Klassensiegen des renommierten "Engine of The Year Awards" über die Hälfte aller Preise an BMW, darunter auch der prestigeträchtige "Best Overall Engine of the Year Award".

Anlässlich der IAA 2005 zündet BMW nun die nächste Technologiestufe: Mit der Einführung einer Technologie zur Benzin-Mager-Direkteinspritzung unter dem Namen High Precision Injection löst BMW innerhalb der nächsten Jahre den Zielkonflikt zwischen sportlichem Leistungsvermögen und geringem Benzinverbrauch in bisher unerreichter Weise auf. Auch gegenüber den schon sehr effizienten BMW Motoren mit VALVETRONIC wird High Precision Injection zusätzlich bis zu 10 Prozent Kraftstoff im europäischen Testzyklus und fahrprofilabhängig 5 bis 15 Prozent im Kundenbetrieb einsparen. Mit der High Precision Injection wird erstmals das volle thermodynamische Potenzial erschließbar, das in der Benzin-Direkteinspritzung steckt.

Bisherige Benzin-Direkteinspritzungen konnten in der Praxis die prognostizierten Verbrauchsvorteile nicht erzielen. Erste ausgeführte Lösungen entsprachen in keiner Weise den Anforderungen der BMW Ingenieure und so brachte BMW im Jahr 2001 eine alternative Technologie für bestmöglichen Verbrauch, die drosselfreie Laststeuerung VALVETRONIC, in Serie. Inzwischen hunderttausendfach bewährt und weltweit in der gesamten BMW Modellpalette im Einsatz, beweist sie die Nachhaltigkeit der damaligen Entscheidung.

Parallel ging jedoch auch bei BMW die Entwicklung der Benzin-Direkteinspritzung intensiv weiter. Unbestritten war immer, dass mit ihr nochmals größere Potenziale erschlossen werden können als mit allen alternativen Verfahren.

Als weltweit erster Hersteller beherrscht BMW nunmehr mit der High Precision Injection eine großserientaugliche Lösung, die auch in der Praxis Verbrauchseinsparungspotenziale erschließt, die anderen Technologien bisher verschlossen blieben.

Neu dabei ist, dass bei dem BMW Verfahren eine gezielte Strömungsführung im Brennraum zur Vermischung von Kraftstoff und Luft nicht mehr notwendig ist. Die erforderliche Aufbereitung des Gemisches erzielten die BMW Ingenieure vielmehr durch eine stabile, kegelförmige Ausbildung des Einspritzstrahls im Brennraum. Die Entzündung erfolgt direkt im Bereich des Einspritzstrahls. Man spricht deshalb auch von der "strahlgeführten" anstatt von der "luft- oder wandgeführten" Direkteinspritzung. Die Positionierung des als Piezo-Injektors ausgebildeten Einspritzventils zentral zwischen den Ventilen und der ebenfalls zentral angeordneten Zündkerze stellte eine bisher nicht zu bewältigende Herausforderung dar, da die hohen Temperaturen und Drücke und vor allem die beengte Bauraumsituation im Zylinderkopf nicht beherrschbar waren.

Lohn der Anstrengungen ist ein sehr robustes Brennverfahren, das – anders als frühere Lösungen im Markt – über einen weiten Betriebsbereich funktioniert. So kann der Motor nun vom Leerlauf bis hinauf zu hohen Drehzahlen und Lasten mager, das heißt mit Luftüberschuss, betrieben werden. Entsprechend größer ist der erzielbare Verbrauchsvorteil für den Kunden. Hierin liegt der große Unterschied zu anderen Lösungen im Markt, die nur in einem kleinen Fenster eine magere Betriebsweise ermöglichen. Außerdem verlangt High Precision Injection keinen Kompromiss in der Gestaltung von Zylinderkopf und Kolben zu Lasten von BMW typischen, hohen maximalen Drehmoment- und Leistungswerten.

Mit High Precision Injection beweist BMW einmal mehr Technologieführerschaft auf dem Antriebssektor. Innovationen werden nicht um ihrer selbst Willen eingesetzt, sondern immer nur dann, wenn sie zur Marke passen und damit ein wirklicher Kundenvorteil verbunden ist.

Die High Precision Injection kommt zuerst in den europäischen Märkten zum Einsatz. Mit steigender Verfügbarkeit von schwefelfreiem Kraftstoff, auf den die NOx-Speicherkatalysatoren dieses Motors zwingend angewiesen sind, folgen sukzessive weitere Märkte.

Brake Energy Regeneration und Auto-Start-Stop: substanzielle Kraftstoffeinsparung ohne Einbuße an BMW typischer Fahrfreude

High Precision Injection bewirkt als innermotorische Maßnahme den größten Einzelbeitrag zu einer substanziellen Verbrauchsreduzierung. Aber auch weitere Maßnahmen bringen als Paket zusätzliche, nennenswerte Verbrauchseinsparungen: Bis zu 10 Prozent im europäischen Testzyklus und 5 bis 15 Prozent im Praxisverbrauch sind realisierbar.

Gemein ist allen BMW Maßnahmen, dass sie bereits zum Inkrafttreten der ACEA Selbstverpflichtung von 140 g CO₂ pro Kilometer im Jahr 2008 in vielen Modellen verfügbar sein werden. Durch ihre Wirkung in der gesamten BMW Flotte können sie einen deutlich größeren Beitrag zur Verbrauchssenkung leisten, als wenn alternativ nur ein Modell mit einem aufwändigeren Technikpaket angeboten würde. Insofern unterscheidet sich die BMW Strategie signifikant von der anderer Hersteller.

Wesentliche Umfänge des Technikpaketes bei BMW sind die Rückgewinnung von Bremsenergie und die Motor-Start-Stop-Automatik. Jede Maßnahme für sich bewirkt einen großen Schritt zu weniger Verbrauch in Situationen, wo bisher Energie ungenutzt verloren ging.

So realisiert BMW unter der Bezeichnung Brake Energy Regeneration die Rückgewinnung von bislang als Wärme an den Bremsscheiben freiwerdender Energie über eine intelligente Generatorregelung. Dabei wird – vereinfacht ausgedrückt – immer dann wenn der Fahrer bremst oder auch nur den Fuß vom Gas nimmt, Bewegungsenergie des Fahrzeugs über den Generator in elektrische Energie gewandelt und in die Batterie eingespeist. Diese gespeicherte Energie steht nun im Fahrbetrieb wieder dem Bordnetz zur Verfügung. Dadurch wird letztlich der Generator und somit der Verbrennungsmotor entlastet und Kraftstoff intelligent gespart. Das geht soweit, dass beim Beschleunigen des Fahrzeugs mehr Drehmoment an den Rädern zur Verfügung steht, weil weniger Kraft zum Antrieb des Generators abgezweigt werden muss.

Für dieses System sind alle wesentlichen Bauteile bereits jetzt in modernen Fahrzeugen vorhanden und müssen nur geringfügig modifiziert werden, um das Potenzial optimal auszunutzen. Schon mit vergleichsweise geringem Aufwand werden so Verbrauchseinsparungen möglich, für die andernorts erheblich aufwändigere Systeme eingesetzt werden. Nicht nur unter ökologischen Gesichtspunkten, sondern auch unter ökonomischen Aspekten stellt die BMW Lösung einen nachhaltigen Weg dar. Und dieser Weg ist umso attraktiver, als nichts von der BMW typischen Fahrfreude verloren geht.

Zweiter wesentlicher Baustein des Technikpaketes von BMW ist eine Motor-Start-Stop-Automatik. Unter dem Namen Auto-Start-Stop schaltet sie künftig in immer mehr Modellen den Motor jeweils dann automatisch ab, wenn das Fahrzeug zum Beispiel an einer Ampel steht. Tritt der Fahrer die Kupplung oder betätigt das Gaspedal, wird unmittelbar wieder gestartet. Gerade im Stadtverkehr und bei Stop-and-Go-Bedingungen kann so erheblich Kraftstoff gespart werden, nach dem Motto "Der Motor soll nur laufen, wenn er wirklich gebraucht wird". Ähnlich wie bei der intelligenten Generatorregelung für die Bremsenergierückgewinnung basiert auch die Motor-Start-Stop-Automatik im Prinzip auf konventionellen Komponenten. Intelligente Software verknüpft jetzt die verschiedenen beteiligten Sensoren, den Anlasser und den Generatorregler mit dem Ziel, das Abstellen und Starten des Motors so komfortabel und zuverlässig zu gestalten, wie es die Kunden bei BMW erwarten. Das Prinzip des Auto-Start-Stop erweist sich bei konsequenter Anwendung im Aufwand/ Nutzen-Verhältnis als eine der effizientesten Maßnahmen überhaupt.

BMW Active Hybrid

Die BMW Group stellt mit dem Antriebskonzept BMW Active Hybrid auf der IAA 2005 eine zukunftsweisende Lösung für effiziente Dynamik auf Basis eines Konzeptfahrzeugs vor. Der BMW Concept X3 EfficientDynamics veranschaulicht intelligente Technologielösungen auf Grundlage von Antriebs-, Getriebe- und Energiespeicher-Komponenten. So geben beispielsweise transparente Schwellerleisten die Sicht auf kupferfarbene elektrische Energiespeicher frei. Sie sind Bestandteil des BMW Active Hybrid Konzeptes. Es steigert sowohl die Spontaneität als auch die Dynamik von Fahrzeugen bei geringerem Verbrauch durch die Rückgewinnung von Energie, die einen zusätzlichen elektrischen Antrieb versorgt.

Der BMW Concept X3 EfficientDynamics ist ein Technologieträger, der eindrucksvoll aufzeigt, wie Freude am Fahren mit hoher Dynamik und geringem Verbrauch zukünftig möglich sein kann.

Energiemanagement à la BMW: viel Dynamik bei bester Kraftstoffnutzung

Unter Hybridisierung versteht die BMW Group das intelligente Management von Energieströmen im Fahrzeug. Ein Hybridkonzept muss BMW typische Eigenschaften wie Dynamik bei bester Kraftstoffnutzung erfüllen, für alle Einsatzbedingungen geeignet sein und für eine möglichst breite Nutzung in der Modellpalette zur Verfügung stehen. Dieser Philosophie folgt die Technologie des BMW Concept X3 EfficientDynamics, die sich von den derzeit realisierten und konzipierten Hybridsystemen deutlich unterscheidet: Kernelement ist basierend auf der Nutzung der effizientesten Verbrennungskraftmaschine das Aktivgetriebe, das ohne zusätzlichen Platzbedarf Elektromotor einschließlich Elektronik beherbergt, und das primär nicht von einer konventionellen Batterie, sondern von Höchstleistungskondensatoren gespeist wird.

Höhere Fahrleistungen, niedrigere Emissionen

Wie vorteilhaft sich das BMW Konzept für den Fahrer auswirkt, ergeben Fahrleistungsberechnungen anhand des Technologieträgers BMW Concept X3 EfficientDynamics: Nach diesen beschleunigt das Fahrzeug deutlich schneller als ein vergleichbares Serienfahrzeug mit konventionellem Antrieb. Das Spurtvermögen des Technologieträgers liegt rechnerisch bei etwa 6,7 Sekunden von Null auf Tempo 100 bei einer Spitzengeschwindigkeit von rund 235 km/h. Mit diesen Fahrleistungen geht eine Verminderung des Verbrauchs und der damit verbundenen Emissionen im europäischen Fahrzyklus um rund 20 Prozent einher. Das intelligente Management der Energieströme treibt so die klassischen BMW Tugenden auf eine sparsame Spitze.

Dynamische und wirtschaftliche Basismotorisierung: Sechszylinder mit strahlgeführter Direkteinspritzung

Verantwortlich für diese Synthese von Ökonomie, Ökologie und Fahrspaß ist die intelligente Kombination von Verbrennungs- und Elektromotor. Als überwiegende Kraftquelle dient traditionell ein BMW Reihensechszylinder in seiner fortschrittlichsten Ausführung: ein Benzinmotor mit High Precision Injection, einer strahlgeführten Direkteinspritzung, die einen deutlichen Effizienzsprung bei höheren Drehmoment- und Nennleistungswerten gegenüber der aktuellen Generation ermöglichen wird. Die strahlgeführte Direkteinspritzung ist nicht die einzige Besonderheit: Der Sechszylinder wird der erste Motor ohne Keilriemen sein. Nebenaggregate wie Lenkhilfepumpe, Bremsservo und Klimakompressor werden von eigenen Elektromotoren angetrieben. Die Aufgabe des Generators übernimmt die Elektromaschine des Aktivgetriebes.

Vorteil des Elektromotors: hohes Drehmoment ab Stillstand

Der zusätzliche Einsatz der elektrischen Maschine nutzt deren physikalische Vorteile: Auch wenn rein elektrische Fahrantriebssysteme den verbrennungsmotorischen Antrieben unterlegen sind, zeigt der Elektromotor in Verbindung mit der Verbrennungskraftmaschine dennoch interessante Eigenschaften. Während der Verbrennungsmotor systembedingt erst ab einer Mindestdrehzahl Drehmoment entwickeln kann, gibt der Elektromotor aus dem Stillstand heraus schon sein volles Drehmoment ab. Außerdem haben Elektromotoren auch bei niedrigen Leistungsauslegungen relativ hohe Drehmomente. Durch diese Charakteristik ermöglicht der Elektromotor als Fahrantrieb ein direktes Anfahren, während mit dem Verbrennungsmotor für das Anfahren immer eine Kupplung zur Überbrückung der Drehzahlunterschiede zum zunächst stehenden Rad benötigt wird.

Mit der Erhöhung der Drehzahl steigt die Leistung bei beiden Antriebsarten annähernd linear. Allerdings verlangt der Elektromotor mit steigender Leistung auch einen entsprechend größeren Energiespeicher – das Gewicht der Batterien oder Brennstoffzellen erreicht hier aber schnell die Grenzen des Sinnvollen. Sobald der Elektromotor beim Beschleunigen die maximale Leistung erreicht hat, nimmt das Drehmoment des Elektromotors überproportional ab.

Potente Kombination: Verbrennungsmotor mit Boost

Für die BMW Entwickler war deshalb von vornherein klar: Der relative Gesamtnutzen eines Elektromotors ist bei niedrigen Drehzahlen am höchsten. In diesem niedrigen Drehzahlbereich liefert der Verbrennungsmotor nur einen Teil seines vollen Drehmomentes. Die Konsequenz: Anstelle aufwändiger Drehmoment-Maßnahmen am Verbrennungsmotor entwickelten die BMW Ingenieure ein Konzept, bei dem ein Elektromotor zum Boosten des Antriebsmomentes dient. Mit anderen Worten: voller Schub direkt aus dem "Drehzahlkeller".

BMW Know-how pur: Aktivgetriebe

Die BMW Entwickler untersuchten eine Vielzahl möglicher Kombinationen von Elektro- und Verbrennungsmotor für einen gemeinsamen Fahrantrieb und fanden eine BMW adäquate Lösung: das Aktivgetriebe des BMW Concept X3 EfficientDynamics. Es beherbergt im Gehäuse des serienmäßigen Automatikgetriebes die sechs Fahrstufen, den Elektromotor nebst zwei Kupplungen und die komplette Steuer- und Leistungselektronik. Damit ist es den BMW Entwicklern gelungen, ein Konzept zu entwickeln, das im Bauraum des hydraulischen Drehmomentwandlers und der Überbrückungskupplung den kompletten Zusatzantrieb packageneutral unterbringt.

Um dies zu erreichen, entwickelten die BMW Ingenieure eine extrem kompakte, gewichtsoptimierte Elektromaschine am Getriebeeingang. Der auf 30 kW ausgelegte Elektromotor hat den Vorteil, ohne Mehraufwand für kurze Zeiten eine Spitzenleistung von bis zu 60 kW abgeben zu können. Eine Eigenschaft, die dem Einsatz als Boost sehr entgegen kommt und gleichzeitig kompakte Abmessungen erlaubt. Die Synchron-Elektromaschine arbeitet mit einer Betriebsspannung von 100 bis 200 Volt. Dies entspricht dem Systemspannungsband der integrierten Leistungselektronik.

Elektromotor mit zwei Kupplungen ersetzt Drehmomentwandler

Obendrein hat die Anordnung im direkten Kraftfluss zwischen Motor und Getriebe einen großen Vorteil: Der Elektromotor kann einerseits ebenfalls die Getriebeübersetzungen nutzen und andererseits eine ganze Reihe von Antriebsfunktionen mit unterschiedlichen Leistungs- und Drehmomentanforderungen übernehmen. Ein Beispiel: Bei den heute üblichen Automatikgetrieben übernimmt ein hydraulischer Drehmomentwandler die Aufgabe der Anfahrkupplung. Auf den ersten Metern erzeugt der Wandler dabei eine Drehmomentüberhöhung, die – vereinfacht gesagt – mehr Kraft an die Räder leitet, als der Motor eigentlich liefert. Genau diesen Effekt kann auch die kompakte Elektromaschine erzeugen.

Platz und Funktion von Drehmomentwandler und Überbrückungskupplung übernimmt beim Aktivgetriebe deshalb der Elektromotor, eingepackt von zwei Ölbad-Kupplungen: Der erste Reibscheibensatz verbindet den Verbrennungsmotor mit dem Elektromotor, der zweite die E-Maschine mit dem Getriebe. Das Ziel: Das gesamte Arrangement – einschließlich Leistungselektronik – passt in Länge und Durchmesser in die Getriebeglocke und kann damit an Stelle eines konventionellen BMW Automatikgetriebes eingebaut werden. Diese kompakte Bauform macht das BMW Aktivgetriebe einzigartig in der weltweiten Entwicklung von Hybridantrieben.

Geballte Energieladung: elektrisch Starten, mit dem Sechszylinder beschleunigen

Die integrierte Hardware ist freilich nur die eine Hälfte des Konzeptes BMW Active Hybrid. Die andere steckt in dem ausgeklügelten Know-how der Betriebsstrategie. So muss der Fahrer nicht erst den Verbrennungsmotor starten, ein Druck aufs Gaspedal genügt, und das Fahrzeug sprintet los. Im Aktivgetriebe ist jetzt die erste Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromaschine geöffnet, die zweite verbindet dagegen Elektromotor und Getriebe. Das Anfahren erfolgt mit der Elektromaschine – völlig geräuschlos. Sobald das Auto in Bewegung ist, schließt sich sanft die erste Kupplung und der Verbrennungsmotor springt an. Der Elektromotor übernimmt in diesem Moment gleichzeitig die Aufgabe des Anlassers für den Verbrennungsmotor. Die intelligente Betriebsstrategie sorgt dafür, dass dies komfortabel und ruckfrei erfolgt.

Bis zu 600 Newtonmeter: kräftig wie ein Diesel, spontan wie ein Benziner

Die Energiestrategie des zukunftsweisenden BMW Hybridkonzeptes verbindet damit spontane Leistungsbereitschaft mit optimaler Energienutzung: Bremst der Fahrer bis zum Stillstand ab, wird der Verbrennungsmotor ausgeschaltet. Er verbraucht damit keinen Kraftstoff und verursacht keine Emissionen. Beim ersten Druck aufs Gaspedal wiederholt sich der Startvorgang. Gibt der Fahrer weiter Gas, schiebt zunächst der 400 Newtonmeter starke Elektromotor mit einer Spitzenleistung von bis zu 60 kW kräftig an. Bei moderaten Beschleunigungen wird auf den Verbrennungsmotorbetrieb verzichtet und das Fahrzeug allein vom Elektromotor angetrieben. Erst bei höheren Beschleunigungen oder Fahrgeschwindigkeiten treibt der Verbrennungsmotor das Fahrzeug an.

Für einen schnellen Start ab Stand wird gleichzeitig der Verbrennungsmotor gestartet. Im niedrigen Drehzahlbereich überlagern sich damit die Drehmomente der beiden Maschinen und erreichen unterhalb von 1.500 Touren bis zu 600 Newtonmeter. Eine neue Dimension für einen Benzinmotor, denn das übertrifft sogar die Kraftentfaltung des BMW Dreiliter-Dieselmotors.

Bis etwa 3.000/min^–1 unterstützt der Elektromotor die Verbrennungsmaschine, dann wird er – abhängig von der Fahrdynamik – entweder stromlos oder auf Ladefunktion geschaltet.

Mehr Kraft in allen sechs Gängen

Das Konzept des Aktivgetriebes spielt seine Vorteile aber nicht nur beim Anfahren aus. Da der Elektromotor vor dem Getriebe angeordnet ist, kann er jedes Mal, wenn der Verbrennungsmotor mit niedrigen Drehzahlen läuft, als Kraftspritze eingesetzt werden – also in jeder der sechs Fahrstufen des Automatikgetriebes. Durch eine geschickte Aufteilung des Fahrerwunsches auf die beiden Antriebsmaschinen ist sichergestellt, dass die elektromotorische Zusatzleistung auch im normalen Fahrbetrieb ähnlich wie beim Anfahren immer nur für sehr kurze Zeiten wirkt. Rund drei Sekunden – so haben die BMW Entwickler ermittelt – genügen in der überwiegenden Mehrzahl der Lastfälle, um einerseits einen deutlichen Boost-Effekt zu erzielen und dabei andererseits signifikant Kraftstoff einzusparen.

Dynamik pur: schnell beschleunigen, schnell laden

Diese generell kurzen elektromotorischen Betriebsphasen haben einen weiteren Vorteil: Die Energiemengen, die der elektrische Speicher bereitstellen muss, sind entsprechend klein. Und sie werden unmittelbar nach der Entnahme, noch vor dem nächsten Bedarfsfall, in den Energiespeicher nachgeladen. Dazu wird der Elektromotor vorrangig in Brems- und Schubphasen auf Generatorbetrieb umgeschaltet. Selbstverständlich werden dabei nicht nur die Hochvolt-Energiespeicher geladen, sondern über einen Umwandler auch die konventionelle 12 Volt Bordbatterie. Um Schleppverluste zu vermeiden, öffnet bei diesem Vorgang die Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und E-Maschine. Damit ist das Aktivgetriebe in der Lage, kinetische Energie, die bei konventionellen Fahrzeugen in Wärme umgesetzt wird und verloren geht, blitzschnell als elektrische Energie zurückzugewinnen. Die Fachleute nennen diesen Vorgang Rekuperation.

Einzigartig: voller Stromspeicher – bei jedem Tritt aufs Bremspedal

Ein Beispiel: Tritt der Fahrer im Stop-and-Go-Verkehr in der Beschleunigungsphase aufs Gaspedal, entleeren sich zwar die elektrischen Speicher; beim anschließenden Verzögern werden sie jedoch ebenso schnell wieder nachgeladen. Gerade in solchen dynamischen Fahrsituationen mit starken Lastwechseln steigt der Verbrauch eines Verbrennungsmotors stark an. Der BMW Active Hybrid bietet dem Fahrer insbesondere hier also gleich zwei Vorteile: noch mehr Dynamik bei gleichzeitig deutlich weniger Verbrauch.

Zusätzlich kann der Energiespeicher bei Bedarf durch verbrennungsmotorische Lastpunkterhöhung nachgeladen werden. Die Regelstrategie des BMW Active Hybrid ist konsequent darauf ausgelegt, nie mehr elektrische Energie abzugeben, als auch im ungünstigsten Fall innerhalb kürzester Zeit wieder nachgeladen werden kann. Der Fahrer erlebt also im realen Betrieb nie einen Leistungsverlust als Folge eines leeren elektrischen Speichers. Er kann sich darauf verlassen: Der BMW Active Hybrid fährt sich unter allen Bedingungen gleich.

Optimale Energiespeicher für dynamische Fahrzeuge: Super Caps

Wenn von elektrischen Energiespeichern die Rede ist, denkt man zunächst unwillkürlich an Batterien. Akkumulatoren sind für das Einsatzprofil des BMW Active Hybrid, das von einer hohen Dynamik mit schnellen Lade- und Entladezeiten geprägt ist, jedoch denkbar ungeeignet. Vielmehr erfordert diese Betriebsweise die Verwendung von Energiespeichern mit höchster Leistungsdichte. Für diese Anwendung sind Doppelschichtkondensatoren, auch Super Caps genannt, im Vergleich zu elektrochemischen Batterien unschlagbar. Ihre spezifische Leistungsdichte liegt bei rund 15 Kilowatt pro Kilogramm Gewicht. Eine Nickel/Metallhydrid-Batterie bringt es auf etwa 1,3 kW/kg. Die Super Caps übertreffen die Akkumulatoren in dieser Disziplin damit um mehr als den Faktor zehn. Im fahrzeugspezifischen Einsatz bleibt dieses Verhältnis erhalten: Hier liegen Super Caps bei über fünf kW/kg, Batterien erreichen nicht einmal 0,5 kW/kg. So summiert sich der Wirkungsgrad von Doppelschichtkondensatoren bei gleichen Werten von Gewicht, Spannung und Entnahmeleistung auf 98 Prozent, NiMH-Batterien erreichen 84 Prozent.

Volle Breitseite: kupferrote Super Caps in den Schwellern

Beim BMW Concept X3 EfficientDynamics sind die Super Caps nicht zu übersehen: Kupferrot leuchtende Röhren sind in transparenten Seitenschwellern integriert. Dieser Einbauort ist hinsichtlich der Quer- und Hochdynamik des Fahrzeugs sowie unter Raumgesichtspunkten optimal. Gemeinsam mit dem Aktivgetriebe bilden sie die Kernelemente des Konzeptfahrzeuges. Super Caps können ohne nennenswerte Verluste sehr viel elektrische Energie in Sekundenbruchteilen aufnehmen und genauso schnell wieder abgeben. Bisher wurden sie vor allem in Windkraftanlagen als wartungsfreie Energiespeicher mit unbegrenzter Lebensdauer eingesetzt. Die im X3 Demonstrationsfahrzeug eingesetzten Super Caps messen rund 50 Millimeter im Durchmesser und haben eine Gesamtkapazität von 190 kW.

Minimaler Innenwiderstand: verlustloser Wechsel zwischen Laden und Entladen

Der einzige Nachteil der Kondensatoren gegenüber elektrochemischen Batterien ist die deutlich niedrigere Energiedichte. Dieser Nachteil ist jedoch nur theoretisch gegeben, da die verfügbare Energiedichte elektrochemischer Batterien heute üblicherweise mit Blick auf die Lebensdauer nur zu einem Bruchteil genutzt wird. Rund fünf Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) bei NiMH-Batterien stehen hier etwa vier Wh/kg bei Super Caps gegenüber. Ein weiterer Grund: Batterien haben einen hohen Innenwiderstand, der bei fortgeschrittener Entladung noch dramatisch ansteigt. Ein hoher Innenwiderstand bedeutet hohe Energieverluste beim Aufladen, ein großer Teil der beim Bremsen zurückgewonnenen Energie geht damit verloren und der Ladevorgang dauert länger. Der Innenwiderstand von Super Caps liegt dagegen praktisch bei Null, völlig unabhängig vom Ladezustand. In der Praxis bedeutet das, dass der Zyklus von Laden und Entladen beliebig oft und in kürzester Zeit wiederholt werden kann. Damit bieten die Super Caps optimale Voraussetzungen beispielsweise für den bereits beschriebenen Einsatz im Stop-and-Go-Verkehr.

Die Gesamtkapazität der Super Caps von 190 kW reicht auch für den Einsatz in einem sehr dynamisch bewegten Fahrzeug aus. Der Fahrer kann das Fahrzeug auch rein elektrisch bewegen, zum Beispiel zum Einparken oder Rangieren. Die Super Caps liefern dafür ausreichend Energie.

BMW Hybridfahrzeuge: 15 Jahre Forschung und Entwicklung

Die BMW Group arbeitet bereits seit Anfang der neunziger Jahre am Hybridantrieb. Insbesondere wurde die Entwicklung einer fahrzeugtauglichen, scheibenförmigen Elektromaschine vorangetrieben, wie sie jetzt im Konzeptfahrzeug eingesetzt ist. Bereits 1991 meldete BMW ein "Elektrisches Getriebe" zum Patent an. Verschiedene Prototypen wurden gebaut, durch das hohe Gewicht von Batterien und elektrischen Antriebskomponenten konnten die anspruchsvollen BMW Anforderungen an marktfähige Fahrzeugkonzepte jedoch nicht ausreichend erfüllt werden.

BMW CleanEnergy

Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor ist nicht nur für Autos von der Größe eines BMW 7er geeignet, sondern auch im Kleinformat leistungsfähig. Den Beweis dafür hat eine Projektgruppe der Fachhochschule Ingolstadt erbracht: Ein von Studenten und Doktoranden entworfenes Modell des BMW Rekordfahrzeugs H₂R erreicht ferngesteuert ein Spitzentempo von 80 km/h.

"Unser Modell zeigt, dass ein Wasserstoffantrieb auch im Kleinen machbar ist", sagt Professor Jörg Wellnitz, der das Projekt an seinem Lehrstuhl betreute. Wellnitz weiter: "Durch das Projekt sollte den Studenten die Wasserstofftechnologie näher gebracht werden. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor wird auch in Zukunft eine dominante Rolle spielen. Über 1500 investierte Arbeitstunden zeigen, dass die Teilnehmer bei dem Projekt viel Spaß hatten und großen Einsatz gebracht haben."

Auf der diesjährigen IAA ist für dieses BMW H₂R Modell eine Rennstrecke aufgebaut, auf der das Miniatur-Fahrzeug seine Leistungsfähigkeit unter Beweis stellt. Auf spielerische Art wird so dem Publikum das Thema Wasserstoff näher gebracht.

Wasserstoff-Antrieb in Miniaturformat – die Entstehung

Vier Studenten und zwei Doktoranden der FH hatten im Sommersemester 2004 zunächst das Chassis entworfen. Die Pläne für Verbrennungsmotor, Wasserstofftank und alle weiteren Teile wurden mit Hilfe von Simulationssoftware konzipiert und dann von den Studenten umgesetzt. Für das fertige, fahrtaugliche Modell fehlte nur noch eine passende Karosserie. Als Vorbild dafür bot sich das BMW Rekordfahrzeug an. Mit der Unterstützung von BMW wurde das entsprechende Außenkleid nach Originalplänen des großen BMW H₂R im Rapid-Prototyping-Verfahren gefertigt. Zusammengesetzt bilden das Chassis mit Wasserstoffmotor und die BMW H₂R-Außenhülle einen originalgetreuen Nachbau des BMW Rekordfahrzeugs. Beide Fahrzeuge – Original und Modell – sind absolute Einzelstücke. Das Modell wurde gemeinsam mit der Modellbaufirma Graupner erfolgreich realisiert.

Wichtiges zum Modell

Dem Modell des Wasserstoff-Rekordfahrzeugs liegt der Maßstab 1 : 8 zu Grunde, es ist 70 Zentimeter lang, 25 Zentimeter breit und 15 Zentimeter hoch. Das Chassis wurde aus Aluminium und Kohlefaserverbundwerkstoffen gefertigt. 2,2 PS aus einem über Kompressor aufgeladenen Viertaktmotor mit 11,5 Kubikzentimetern Hubraum und Wasserkühlung sorgen für reichlich Vortrieb. Für die Wasserstoffversorgung stehen zwei Speichervarianten zur Verfügung: Zwei Hochdrucktanks halten ein Äquivalent von 60 Litern Wasserstoff unter Normbedingungen vor. Alternativ können in das BMW H₂R-Modell auch zwei Metallhydridbehälter eingebaut werden, die 300 Normliter Treibstoff speichern und einen ca. 25-minütigen Betrieb des Fahrzeugs ermöglichen. Unter einem Normliter Wasserstoff versteht man dabei die Menge an Gas, die in 1000 Kubikzentimeter bei einem Druck von 1,01325 bar und einer Temperatur von 0 °C passt. So fortschrittlich die Technik der Metallhydridspeicher ist, in der automobilen Anwendung ist er aufgrund der hohen Kosten und des hohen Gewichts nicht sinnvoll.

BMW CleanEnergy

Mit der konsequenten Wasserstoffstrategie stellt die BMW Group die Weichen für ihre nachhaltige Mobilitätsstrategie. Das CleanEnergy-Konzept zielt auf eine langfristige Sicherstellung der individuellen Mobilität bei gleichzeitiger Verringerung der Emissionen, insbesondere eine nachhaltige CO₂-Reduzierung. Nach Expertenmeinung leistet dies am besten Wasserstoff. Dieser gilt weltweit als der Energieträger der Zukunft für den Einsatz in Fahrzeugen. Mit diesem Ansatz geht die BMW Group weit über Maßnahmen der Effizienzsteigerungen von bestehenden Otto- und Dieselmotoren sowie Hybridfahrzeugen hinaus. Wasserstoff unterscheidet sich von fossilen Energieträgern dadurch, dass seine Erzeugung und seine Nutzung in den regenerativen Kreislauf der Natur eingebettet werden können. Wenn Wasserstoff aus Sonne, Wind- und Wasserkraft sowie Biomasse erzeugt wird, steht er unbegrenzt und praktisch emissionsfrei zur Verfügung.

Wasserstoff-Limousine im Serienentwicklungsprozess

In jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung hat sich die BMW Group eine weltweit führende Kompetenz im praktischen Einsatz von Wasserstoff erarbeitet. BMW setzt auf die Nutzung von Wasserstoff im Verbrennungsmotor, der aufgrund seiner bivalenten Auslegung, seiner Dynamik und seines hohen Reifegrads die meisten Vorteile besitzt. Eine Variante des 7ers durchläuft gerade den Serienentwicklungsprozess. Professor Burkhard Göschel, Vorstand für Entwicklung und Einkauf der BMW AG: "Innerhalb der nächsten drei Jahre werden wir Wasserstoff-Fahrzeuge in Kundenhand geben, die sowohl mit Wasserstoff als auch mit Benzin betrieben werden können. Wir verfolgen dabei das Ziel, die Alltagstauglichkeit des innovativen Antriebs zu prüfen und noch weiter zu verfeinern."

Bivalenter Antrieb – mit Wasserstoff oder Benzin mobil

Nur der Verbrennungsmotor bietet nach heutiger Technologie den Vorteil, bivalent – sowohl mit Wasserstoff als auch mit Benzin – zu fahren. Damit können Versorgungslücken, die sich beim Aufbau eines Wasserstoff-Tankstellennetzes anfangs ergeben, überbrückt werden. Autofahrer, die sich für den Wasserstoff-Verbrennungsmotor als Fahrzeugantrieb entscheiden, sind damit in ihrer Bewegungsfreiheit nicht eingeschränkt. Die weltweit erste Limousine mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor wird eine Reichweite von rund 200 bis 300 Kilometern im Wasserstoff- und bis zu 500 Kilometern im Benzin-Betrieb bieten und eine Spitzengeschwindigkeit von über 215 Stundenkilometer erreichen.

Brennstoffzellen-APU speist Bordnetz von morgen

Das Wasserstoff-Konzept der BMW Group sieht langfristig auch den Einsatz einer Brennstoffzelle vor: die so genannte APU (Auxiliary Power Unit). Ziel der Forschungsarbeit ist es, ein System zu schaffen, das bei abgeschaltetem Motor mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad Strom für das Bordnetz generiert. So können auch bei ausgeschaltetem Motor Nebenaggregate, wie Klimaanlage oder Heizung betrieben werden.

Der Reifegrad der PEM-Brennstoffzellenforschung lässt eine Nutzung der APU in einer nächsten Generation von Wasserstoff-Fahrzeugen erwarten.

Mit Rekordtempo in die Zukunft: Wasserstoff-Forschungsfahrzeug BMW H₂R schneller als 300 km/h

Im September 2004 demonstrierte die BMW Group überzeugend den fortgeschrittenen Stand der Antriebsentwicklung und stellte auf dem Hochgeschwindigkeitskurs von Miramas (Frankreich) mit dem Forschungsfahrzeug BMW H₂R neun internationale Rekorde für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor auf. Als Triebwerk dient dem Prototyp ein Zwölfzylindermotor mit sechs Litern Hubraum und über 210 kW/ 285 PS. Damit beschleunigt das Rekordfahrzeug in rund sechs Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100 und legte beispielsweise den Kilometer mit fliegendem Start mit der Rekordgeschwindigkeit von 300,175 km/h zurück. Weitere Rekorde stellte der BMW H₂R unter anderem über die Meile mit stehendem Start (19,9985 Sekunden), zehn Kilometer mit stehendem Start (146,409 Sekunden) und zehn Meilen mit stehendem Start (221,773 Sekunden) auf.

Besserer Wirkungsgrad mit Wasserstoff

Wasserstoff besitzt hervorragende Eigenschaften, um in Verbrennungsmotoren sehr gute Wirkungsgrade zu erzielen. Neben der hohen Brenngeschwindigkeit, die eine optimale Verbrennungssteuerung erlaubt, kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor durch die weiten Zündgrenzen sowohl fett als auch mager betrieben werden. Dies ermöglicht vor allem im Teillastbereich durch ungedrosselten Betrieb sehr gute Wirkungsgrade, die über denen von aktuellen Benzin- und Dieselmotoren liegen.

Saubere Gemischbildung: weniger Verbrauch bei Teillast, mehr Kraft bei Volllast

Unter Volllast wird der Zwölfzylindermotor mit einem Gemisch von Lambda = 1 betrieben. Bei diesem Mischungsverhältnis wird die maximale Kraftstoffmenge in der Luft des Zylinders vollständig verbrannt und erzielt die höchste Leistungsausbeute. Im Teillastbereich – auch das ist ein Vorteil von Wasserstoff – läuft das Triebwerk im sparsamen Magerbetrieb mit Luftüberschuss.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen in einem ganz bestimmten Gemischbereich Stickoxide. Dieses Gemischfenster liegt etwas oberhalb von Lambda = 1 und geht bis in den Bereich von Lambda > 2. Die Lösung: Dieses Gemischfenster ist für den Motorbetrieb nicht notwendig. Die schnelle Motorsteuerung des BMW Wasserstoffmotors blendet diesen Bereich aus. Das Ergebnis: Der Zwölfzylinder ist kraftvoll und emittiert dabei praktisch nur Wasserdampf.

BMW 750hL: Demonstratorflotte hat sich bewährt

Bereits seit 1978 erforscht die BMW Group Motoren und Fahrzeuge für den Betrieb mit verflüssigtem Wasserstoff. Als weltweit erster Automobilhersteller hat BMW am 11. Mai 2000 mit dem BMW 750hL eine Demonstratorflotte mit Wasserstoffantrieb vorgestellt. Die Fahrzeuge haben sich im Versuchsbetrieb bewährt und insgesamt mehr als 170.000 Kilometer zurückgelegt. 2001 und 2002 begleitete ein Teil dieser Flotte die CleanEnergy WorldTour der BMW Group. Ihr Ziel: die Wasserstoff-Technologie ins internationale Bewusstsein zu rücken.

Erste Berliner Wasserstoff-Tankstelle liefert Kraftstoff für Großversuch

"Die BMW Technologie ist im Serienentwicklungsprozess, jetzt müssen wir gemeinsam mit der Politik und der Energiewirtschaft darangehen, unsere Vision einer nachhaltigen Mobilität Wirklichkeit werden zu lassen", sagt Professor Göschel. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung war im November 2004 die Eröffnung der ersten öffentlich integrierten Wasserstoff-Tankstelle in Berlin. Neben konventionellen Kraftstoffen bietet diese Tankstelle gasförmigen Wasserstoff (Compressed Gaseous Hydrogen – CGH₂) und den von BMW favorisierten flüssigen Wasserstoff (Liquid Hydrogen – LH₂) an. Die BMW Group beteiligt sich an dem Berliner Projekt mit Erprobungsfahrzeugen, die unter Alltagsbedingungen betankt und betrieben werden.

Die Einrichtung der Wasserstoff-Tankstelle ist einer der Kernpunkte der Clean Energy Partnership (CEP), zu deren Initiatoren die BMW Group gehört. Gemeinsam mit Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel und MAN wurde im Juni 2002 die CEP mit dem Ziel gegründet, ein flächendeckendes Versorgungsnetzwerk für den nachhaltigen Energieträger Wasserstoff aufzubauen. Die CEP ist Bestandteil der nationalen Nachhaltigkeitsstrategie und wird von der deutschen Bundesregierung unterstützt und gefördert. Sie demonstriert zukunftsweisende Technologien und zeigt technische wie wirtschaftliche Voraussetzungen zum Einsatz alternativer Kraftstoffe im Straßenverkehr auf.

Die weltweit erste öffentliche Wasserstoff-Tankstelle in München – seit über fünf Jahren problemlos in Betrieb

Bei der Konzeption der Tankstelle in Berlin konnte die BMW Group bereits auf einen großen Wissens- und Erfahrungsvorsprung beim Tanken von Wasserstoff zurückgreifen. Seit mehr als fünf Jahren nutzt BMW gemeinsam mit anderen Herstellern die weltweit erste öffentliche Wasserstofftankstelle am Münchner Flughafen. In über 600 Tankvorgängen wurden bisher mehr als 30.000 Liter Flüssigwasserstoff gefördert. Die dort betankten Pkws und Busse legten insgesamt mehr als 500.000 Kilometer zurück – eine überzeugende Bilanz der Alltagstauglichkeit dieser Technologie. Über 12.000 interessierte Fachbesucher aus aller Welt besichtigten bisher die modernen Tankanlagen, die den täglichen Einsatz von Fahrzeugen mit Wasserstofftechnologie auf dem Flughafenareal möglich machen.

Die Zukunft tanken: So kommt Wasserstoff ins Auto

Die manuelle Betankung von Wasserstoff ähnelt einer konventionellen: Wie bei jeder anderen Tankstelle auch fahren die mit Wasserstoff betriebenen Pkws vor die Tanksäule. Während des Tankaufenthaltes erfolgt die Identifizierung des Kunden mit Hilfe einer Tankkarte. Mit beiden Händen führt der Fahrer die Tankkupplung an den Tankverschluss heran, klinkt sie ein und schließt damit das Fahrzeug gasdicht an die Tankstelle. Zur einfacheren Handhabung der Tankkupplung ist diese mit einem Seilzugsystem ausgestattet und kann damit praktisch gewichtsfrei gehandhabt werden. In den BMW Tank wird dann der – 253 Grad Celsius kalte, flüssige Wasserstoff "eingeregnet". An den Tröpfchen kondensiert das sich im Tank über der flüssigen Phase befindende Wasserstoffgas und damit wird der Partialdruck des Wasserstoffgases im Tank abgebaut. Die Betankungsdauer liegt bei ca. acht Minuten.

Für größere Reichweiten: Die BMW Group setzt auf flüssigen Wasserstoff

Somit zeigt die BMW Group, dass eine weitere Voraussetzung für die flächendeckende Einführung von Wasserstoff als alternativem Kraftstoff gegeben ist: Das Tanken wird zukünftig nicht komplizierter sein als heute. Dies gilt für beide Speicherarten, die zur Zeit praktisch erprobt werden – entweder flüssig und tiefkalt oder gasförmig und stark komprimiert.

Die BMW Group setzt auf Wasserstoff in flüssiger Form. Der wesentliche Grund: Die Energiedichte des flüssigen Treibstoffs bezogen auf das Volumen des Tanksystems ist etwa 1,5-fach so groß wie bei einem 700 bar Druckgas-Tanksystem. Damit ermöglicht flüssig gespeicherter Wasserstoff auch eine deutlich höhere Reichweite. Zusätzlich betrachtet die BMW Group die technische Weiterentwicklung auf dem Sektor der gasförmigen Speicherung. Entscheidend ist letztendlich die beste Lösung für den Kunden.

Partnerschaften für die Entwicklung

In Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Magna Steyr entwickelt BMW die jüngste Generation des Tanksystems, bei dem die Fahrzeuge mit flüssigem Wasserstoff zügig, verlustarm und gefahrlos betankt werden können. Um möglichst frühzeitig eine weltweit einheitliche, standardisierte und automobilgerechte Flüssigwasserstoff-Kupplung zu entwickeln, haben die BMW Group und General Motors/Opel im April 2003 ein offenes Konsortium mit den Partnern Linde und Walter gegründet. Im August 2005 schloss sich Honda diesem Konsortium an.

Mit der Firma Rotarex entwickelt die BMW Group automobil gerechte Wasserstoff-Ventile, die die hohen Dichtheitsanforderungen des Systems erfüllen.

Druckmanagement im Tank

Vereinfacht ausgedrückt ähnelt der Tank einer Thermoskanne: Der Wasserstoff befindet sich in einem Edelstahlbehälter, der durch eine so genannte Superisolation von der äußeren Hülle getrennt ist.

Der flüssige Wasserstoff im Tank erwärmt sich prinzipbedingt. Dabei steigt der Druck im Tank langsam an, bis auf einen zur Zeit mit rund fünf bar festgelegten Wert. Bei weiterer Erwärmung und somit erhöhtem Tankdruck wird dieser über ein Druckbegrenzungsventil abgelassen. Im Boil-off-Management- System wird der Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff katalytisch zu Wasser umgewandelt. Bei heutigen Wasserstoff-Tanks dauert es rund einen Tag, bis bei stehendem Motor 5 bar erreicht sind. Wird das Fahrzeug zwischendurch gefahren, sinkt der Druck wieder und Wasserstoff-Verluste werden vermieden.

Formtank statt Wasserstoff-Zylinder

Bisher werden für die Speicherung von flüssigem Wasserstoff nur zylindrische Tanks eingesetzt, weil nur sie die hohen Anforderungen an Isolation und Sicherheit in optimaler Weise erfüllen können. Doch auch in der Tanktechnologie sehen die Entwickler optimistisch in die Zukunft: Wasserstoff-Formtanks, die den gegebenen Bauraum in der Karosserie perfekt ausnutzen und Standverluste reduzieren, stehen bei den Ingenieuren ganz oben als Entwicklungsvorgabe. Ziel ist es, durch eine optimale Integration des Wasserstofftanks in das Fahrzeug dem Kunden das gewohnte Raumangebot zur Verfügung zu stellen.

Sicherheitstests mit Tanks für flüssigen Wasserstoff

In einem Testprogramm wurden von der BMW Group in Zusammenarbeit mit dem TÜV Süddeutschland verschiedene Unfallszenarien nachgestellt und untersucht, wie sich der Flüssigwasserstoff-Tank dabei verhält. So wurden beispielsweise gefüllte Tanks, deren Sicherheitsventile man absichtlich blockiert hatte, unter hohem Druck zerstört. Die für diesen Extremfall vorgesehenen zusätzlichen Sicherheitsventile im Innentank sorgen dafür, dass der gespeicherte Wasserstoff ohne größere Gefährdung abgeblasen wird.

In weiteren Tests wurden mit flüssigem Wasserstoff gefüllte Fahrzeugtanks auf einem Prüfstand Brandtests unterzogen. Bis zu 70 Minuten lang wurden sie dabei vollständig von fast 1.000 Grad Celsius heißen Flammen umschlossen. Auch hierbei zeigten die Tanks ein unproblematisches Verhalten: Der verdampfte Wasserstoff entweicht kontrolliert über die Sicherheitsventile. Da er schnell nach oben weg steigt, verbrennt er schlimmstenfalls in einer lokalen Flamme.

Ganz anders verhält sich Benzin, das sich bei einer Tankschädigung auf dem Boden ausbreiten und bei offener Flamme eine brennende Lache bilden würde.

TÜV: Wasserstoff genauso sicher einzusetzen wie Benzin

Im letzten Teil der Untersuchungen wurden Automobiltanks mit flüssigem Wasserstoff durch massive Gegenstände deformiert und erheblich beschädigt. In keinem Fall kam es zur Explosion des Tanks. Nach diesen umfangreichen Untersuchungen kommt der TÜV zu dem Schluss, dass Wasserstoff genauso sicher eingesetzt werden kann wie Benzin.

Die Infrastruktur: Wie Wasserstoff gespeichert und verteilt wird

Wasserstoff kann – im Gegensatz zu elektrischer Energie – in großen Mengen flüssig oder gasförmig gespeichert werden. Damit ist die Möglichkeit gegeben, über regenerative Energiequellen wie Sonnen-, Wasser-, oder Windkraft erzeugte elektrische Energie zur Abspaltung von Wasserstoff zu nutzen und – anders als heute – auch zu speichern. Neben den bereits erwähnten Speicherarten gibt es so genannte Hydridspeicher, bei denen Wasserstoff durch Druck in Metallpulver eingelagert und durch Wärmezufuhr wieder freigegeben wird. Hydridspeicher können etwa zwei Prozent ihres Eigengewichts an Wasserstoff aufnehmen, was allerdings für den Einsatz im Automobil nicht ausreicht. Darüber hinaus wird die Speicherung von Wasserstoff in so genannten Nanofaserstrukturen oder chemischen Wasserstoffverbindungen (Alanaten) erforscht. Sollten diese Technologien zum Tragen kommen, so würden sie neue Perspektiven für die Energiespeicherung des Wasserstoffs eröffnen.

Transport per Lkw und Pipeline ist Alltag

Für den Ferntransport von gasförmigem Wasserstoff existieren bereits heute Pipelinenetze in Gebieten, in denen die chemische Industrie konzentriert ist. Grundsätzlich sind dafür auch Erdgasleitungen geeignet, vorausgesetzt, sie erfüllen die entsprechenden technischen Ansprüche z. B. an die Dichtheit.

Auch der regionale Transport von Wasserstoff ist bereits Alltag und technisch auf breiter Ebene lösbar. Da flüssiger Wasserstoff eine deutlich höhere Energiedichte als im komprimiert gasförmigen Zustand hat, sind Lkws für kryogenen, tiefkalten Wasserstoff ausgelegt. Als Behälter dienen, ähnlich wie für Stickstoff, Sauerstoff oder Argon, hochvakuumisolierte Tanks in Doppelmantel-Bauweise. Damit ist es möglich, Wasserstoff von der Produktionsstätte bis ins Auto zu bringen: Das Gas wird unmittelbar nach seiner Gewinnung auf – 253 Grad heruntergekühlt. Tanklaster transportieren den jetzt flüssigen Wasserstoff bis zur Tankstelle, wo er ebenfalls kryogen gespeichert wird. An den Zapfsäulen fließt der Wasserstoff dann entweder flüssig in entsprechende Fahrzeugtanks, oder man lässt ihn sich erwärmen und presst ihn dann mit dem gewünschten Druck in Drucktanks. Beides ist an ein- und derselben Tankstelle machbar und wird derzeit an der Berliner Wasserstoff-Tankstelle in der Praxis bereits erprobt.

Der Ursprung: Wie Wasserstoff hergestellt wird

Wasserstoff ist – wie Elektrizität – kein Primärenergieträger, der in direkt nutzbarer Form vorkommt. Wasserstoff muss hergestellt werden. Dazu gibt es verschiedene Wege. Sie sind für die ökologische Gesamtbilanz von Wasserstoff als Kraftstoff entscheidend. Am gebräuchlichsten sind heute Verfahren, bei denen fossile Primärenergieträger eingesetzt werden:

• Reformierung von Erdgas, Flüssiggas und Naphta
• Partielle Oxidation von Schweröl
• Kohlevergasung
• Pyrolyse von Kohle zu Koks
• Benzin-Reformierung

Diese Verfahren sind jedoch langfristig keine nachhaltige Alternative:

• Zum einen basieren sie auf endlichen Rohstoffen und Energieträgern.
• Zum anderen werden bei den Prozessen unerwünschte Substanzen wie Kohlendioxid freigesetzt. Forscher untersuchen im Auftrag der Europäischen Union und der Bundesregierung die Möglichkeiten der so genannten Sequestrierung von CO₂. Damit bezeichnet man das Abscheiden und Auffangen des Gases, beispielsweise bei der Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas, und die langfristige Speicherung des Kohlendioxids in ausgebeuteten Lagerstätten von Erdöl, Erdgas oder Kohle. Die großtechnische Machbarkeit und die Kenntnisse der ökologischen Auswirkungen stehen aber noch aus.

Produktion heute: 600 Milliarden Kubikmeter weltweit

Derzeit werden jährlich weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff produziert. Er stammt sowohl aus der Erdgasreformierung, bei der Wasserstoff das Zielprodukt ist, als auch aus der Koksherstellung oder der Chloralkali-Elektrolyse, bei der Wasserstoff als Nebenprodukt anfällt. Insgesamt werden in Deutschland jährlich rund 30 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff hergestellt.

Die Hälfte des produzierten Wasserstoffs wird für die Ammoniaksynthese benötigt. Ammoniak dient zur Herstellung von Kunstdünger und zur Synthese von Kunststoffen. Ein Viertel geht in die Mineralölverarbeitung und das verbleibende Viertel wird für eine Vielzahl metallurgischer Fertigungsverfahren und für die Methanolsynthese genutzt. Methanol wird in erster Linie von der Textil-, Farben- und Kunststoffindustrie eingesetzt.

Einfach, effektiv und sauber: Elektrolyse

Der heute aussichtsreichste Weg zur Gewinnung von regenerativem Wasserstoff ist die Elektrolyse:

Mit Hilfe von Strom kann Wasserstoff praktisch unbegrenzt aus Wasser hergestellt werden. Das Prinzip ist einfach: Zwei in ein Wasserbad getauchte Elektroden werden unter Gleichspannung gesetzt. Die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (Kationen) sammeln sich an der negativen Kathode und die Sauerstoff-Ionen (Anionen) an der positiven Anode. Das entstehende Wasserstoffgas wird aufgefangen, bei Bedarf auch der gasförmige Sauerstoff.

Auch hier gibt es verschiedene Verfahren:

• die alkalische Elektrolyse,
• die Membranelektrolyse,
• die alkalische Hochdruckelektrolyse,
• die alkalische Hochtemperaturelektrolyse.

Von diesen Verfahren ist die weiterentwickelte alkalische Elektrolyse derzeit die wirtschaftlichste Methode für die industrielle Wasserstoffherstellung in großen Mengen.

Für die dezentrale Herstellung von Energiewasserstoff hoher Reinheit wurde alternativ die Druckelektrolyse entwickelt, wie sie an der Berliner CEP-Tankstelle erprobt wird: Wasser wird unter Druck mittels Gleichstrom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Anlage ist auf einen vollautomatischen, kontinuierlichen Betrieb hin mit einer bestimmten Nennleistung ausgelegt. Wirtschaftlich kann dieses Verfahren aber erst werden, wenn solche Druckelektrolyseure in Serie hergestellt werden können.

Langfristig macht die Elektrolyse ökologisch vor allem dann Sinn, wenn der Strom zur Wasserspaltung aus regenerativen Energien gewonnen wird.

Kostenlos und unbegrenzt: Solarenergie und Windkraft

Sonne und Wind können langfristig einen bedeutenden Anteil an der Energieversorgung erreichen und unter anderem auch zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden. Die Sonne schickt innerhalb einer Stunde so viel Energie zur Erde, wie weltweit pro Jahr von der Menschheit verbraucht wird. Jahr für Jahr summiert sich die auf die Erde eingestrahlte Sonnenenergie auf rund 1,1 Milliarden Terawattstunden (TWh) Energie – das entspricht ungefähr dem Zehntausendfachen des gegenwärtigen Jahresverbrauchs der Menschheit.

Allerdings werden zur Umwandlung dieser "kostenlosen" Energien Solarkraftwerke oder Windturbinen benötigt, die unmittelbar Strom produzieren. Während sich die Windenergie bereits an der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit befindet und durch öffentliche Förderung beispielsweise in Deutschland schon einen Anteil von über 5 Prozent an der Stromerzeugung erreicht hat, müssen sowohl für solarthermische Kraftwerke als auch Photovoltaik noch deutliche Kostenreduktionen erreicht werden.

Als langfristige Perspektive könnte allein in Europa die Solarthermie ein Potenzial von rund 1.400 Terawattstunden (TWh), Photovoltaik etwa 600 TWh und Windkraft in Offshoreanlagen rund 1.800 TWh erreichen.

Auf dem Festland hingegen sind zumindest in Deutschland kaum noch neue wirtschaftliche Windkraftpotenziale erschließbar.

Biomasse: Wasserstoff aus nachwachsenden Rohstoffen

Statt fossiler Kohlenstoffverbindungen können auch nachwachsende Rohstoffe als Ausgangsbasis für die Wasserstoffgewinnung eingesetzt werden. Wird Biomasse als Energielieferant für die Gewinnung von Wasserstoff eingesetzt, sind die Verfahren dazu in zweierlei Hinsicht einzigartig: Erstens stellen sie die einzige Möglichkeit dar, direkt aus einem regenerativen Primärenergieträger Wasserstoff – beispielsweise mittels Vergasung – zu erzeugen. Zweitens gilt Biomasse vielfach als nahezu CO₂-neutral, da die Pflanzen durch Photosynthese näherungsweise dieselbe Menge an Kohlendioxid aus der Luft aufgenommen haben wie sie bei der Verarbeitung abgeben. Aus ökologischen Gründen empfehlen zahlreiche Experten für die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse nur die Verwendung von Abfall und den begrenzten Anbau von Energiepflanzen auf Stilllegungsflächen. Dadurch wäre das Aufkommen an verwertbarer Biomasse entsprechend begrenzt.

Studien rechnen dem Wasserstoff aus Biomasse in Europa ein Potenzial von ca. 30 Prozent für die konventionelle Kraftstoffsubstitution zu. Hierbei wurde unterstellt, dass sämtliche Biomasse einschließlich dem Anbau von Energiepflanzen ausschließlich der Kraftstoffproduktion zur Versorgung des Straßenverkehrs dient. Da Biomasse aber auch im stationären Sektor zur Strom- und Wärmeproduktion eingesetzt wird, kann von einem Substitutionspotenzial von ca. 15 Prozent ausgegangen werden. Biomasse kann also einen Beitrag zur Verminderung der Kohlendioxidemissionen leisten, aber den Bedarf bei weitem nicht decken.

Langfristige Kooperation: Verkehrswirtschaftliche Energiestrategie VES

Die Einführung von Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft kann kein Unternehmen im Alleingang bewältigen. Die BMW Group hat deshalb als Pionier Kooperationen initiiert: Im Mai 1998 wurde mit Unterstützung der Bundesregierung das Projekt "Verkehrswirtschaftliche Energiestrategie" (VES) gestartet, in dem heute die Unternehmen ARAL/BP, BMW Group, DaimlerChrysler, MAN, Opel, RWE, Shell, TOTAL und VW mitwirken.

Hauptziel dieser Initiative ist es, gemeinsam eine Strategie zur Einführung alternativer Energie- und Antriebssysteme vorzubereiten. Weitere wesentliche Ziele bestehen darin, die Abhängigkeit des Verkehrs vom Erdöl zu verringern, endliche Ressourcen zu schonen, die Emissionen einschließlich CO₂ weiter zu verringern und die Initiative auf Europa auszudehnen. Diesen Absichten liegt die Vision einer krisenresistenten, nachhaltig umwelt- und ressourcenschonenden Energieversorgung zugrunde. In Kombination mit einer neuen Generation von hocheffizienten Fahrzeugen soll so der Weg für eine ökologischere und zugleich wirtschaftliche Mobilität der Zukunft geebnet werden.

VES: Wasserstoff ist die langfristig sinnvollste Alternative

Die VES hat alle in Frage kommenden Alternativkraftstoffe wissenschaftlich untersucht und umfassend bewertet. Aus mehr als 80 untersuchten Alternativen hat sich dabei eindeutig Wasserstoff als langfristig zukunftsfähigste Lösung herausgestellt. Der politisch-strategische Hauptvorteil von Wasserstoff liegt darin, dass er sehr flexibel und zukünftig mit großem Potenzial regenerativ hergestellt werden kann. Dadurch können CO₂-Emissionen und Versorgungsrisiken langfristig sowohl im mobilen als auch im stationären Bereich deutlich vermindert werden. Außerdem bietet die Wasserstofftechnologie ein hohes Innovationspotenzial für mobile Anwendungen und damit auch neue Wachstumsfelder für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Die VES ist auf zahlreichen internationalen Veranstaltungen erfolgreich vorgestellt worden. Zur Praxiserprobung gründeten Mitglieder der VES die bereits erwähnte Clean Energy Partnership CEP, die derzeit in Berlin Erfahrungen mit dem Wasserstoffantrieb im Feld sammelt.

EU: 2,8 Milliarden Euro für Wasserstoffentwicklung

Auf dem Weg zu einer Wasserstoffwirtschaft hat sich in letzter Zeit in Europa viel getan: So initiierte die EU-Kommission Anfang 2004 ein neues Gremium, die European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (EHP). Die Aufgabe des Forums besteht in der Entwicklung und dem Einsatz von kostengünstigen, konkurrenzfähigen europäischen Energiesystemen auf der Basis von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien für mobile und stationäre Anwendungen. Rund 2,8 Milliarden Euro wird die EU in den kommenden zehn Jahren zur Verfügung stellen, um eine umweltverträgliche Wasserstoffwirtschaft auf den Weg zu bringen.

Mitarbeiter der BMW Group sind in verschiedene Beratungsgremien berufen worden, zum Beispiel in das Advisory Council und in die Leitung des Deployment Strategy Panel der EHP oder auch das California Hydrogen Highway Implementation Advisory Panel der kalifornischen Regierung. Damit findet auch auf internationaler Ebene ein Know-how-Transfer statt – die BMW Group bringt ihre Erfahrungen aus 25 Jahren Wasserstoff-Forschung in diese Gremien ein.