Der BMW Hydrogen 7
Das Signal: Flüssigwasserstoff als Energieträger für Mobilität im Alltagsbetrieb realisierbar

• Energiedichte von Flüssigwasserstoff schafft Reichweite.
• Vakuum-Superisolation ermöglicht flüssige Speicherung.
• Ausbau der Wasserstoff-Infrastruktur erhält neue Impulse.

Als erster Automobilhersteller der Welt hat BMW konsequent die mittel- und langfristige Entwicklung seiner Fahrzeuge auf den Betrieb mit Wasserstoff ausgerichtet. Mit dem BMW Hydrogen 7 wird nun erstmalig ein Fahrzeug präsentiert, das mit einem Wasserstoff-Antrieb serientauglich ist und im Praxisbetrieb ein hohes Mass an Anwenderfreundlichkeit bietet.

Praxistauglichkeit war eine wichtige Zielsetzung während der Entwicklung und Erprobung des BMW Hydrogen 7. Sie sollte sich auf das gesamte Fahrzeugumfeld erstrecken, also das Fahren, Betanken, die Wartung und Reparatur. Mit dem Ziel, das Fahrzeug von Anfang an voll in den Alltagsbetrieb integrierbar zu machen, hat die BMW Group den BMW Hydrogen 7 konsequent dem Serienentwicklungsprozess unterzogen.

Energiedichte von Flüssigwasserstoff schafft Reichweite.

Bei der Definition des Energiegehalts von Wasserstoff wird zwischen der gravimetrischen (bezogen auf das Eigengewicht) und der volumetrischen (bezogen auf das Volumen) Energiedichte unterschieden. Im Verhältnis zu seinem Eigengewicht weist Wasserstoff eine sehr hohe Energiedichte auf. Sie liegt etwa dreimal so hoch wie die gravimetrische Energiedichte von Benzin und ist damit für die mobile Nutzung sehr interessant. Erheblich geringer fällt in diesem Vergleich die volumetrische Energiedichte von Wasserstoff aus. Sie beträgt etwa ein Viertel von Benzin. Im Automobil steht für den Speichertank nur ein begrenztes Volumen zur Verfügung, deswegen muss der Energieinhalt bezogen auf das Volumen erhöht werden. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder wird der Wasserstoff im gasförmigen Aggregatzustand komprimiert oder er wird bis zum flüssigen Zustand heruntergekühlt.

Die Kompression von gasförmigem Wasserstoff ist heutzutage bis zu einem Druck von 700 bar realisierbar. Bei Umgebungsdruck geht Wasserstoff in den flüssigen Aggregatzustand über, wenn er eine Temperatur von minus 253 Grad Celsius erreicht.

Um bei begrenztem Speichervolumen im Fahrzeug einen möglichst hohen Energiegehalt zu erzielen, setzt die BMW Group auf Flüssigwasserstoff. Die volumetrische Energiedichte des flüssigen Treibstoffs, also die Energiemenge bezogen auf den Volumenbedarf des Speichersystems im Fahrzeug, fällt bei flüssigem Wasserstoff um mehr als 75 Prozent höher aus als die des mit 700 bar komprimierten gasförmigen Wasserstoffs.

Mit Flüssigwasserstoff wird folglich eine um 75 Prozent höhere Reichweite erzielt. Das bedeutet mehr Bewegungsfreiheit für den Fahrer, ein Kriterium das, solange sich die Infrastruktur für die Wasserstoffbetankung im Aufbau befindet, von besonders großer Bedeutung ist.

Vakuum-Superisolation ermöglicht Speicherung.

Der Flüssigwasserstoff-Tank stellt neben dem bivalenten Motor im BMW Hydrogen 7 die bedeutendste Neuentwicklung für die Automobil-industrie dar. Die besondere Herausforderung der Speicherung von Flüssigwasserstoff liegt darin, dass der tiefkalte, verflüssigte Wasserstoff für lange Zeit die niedrige Temperatur von minus 253 Grad Celsius halten muss. Eigens dafür wurde eine richtungweisende, 30 Millimeter starke Vakuum-Superisolation entwickelt, die die Wärmedämmung einer 17 Meter starken Styroporschicht erreicht. Damit ist es möglich, Flüssigwasserstoff über einen längeren Zeitraum im Fahrzeug zu speichern.

Energiebilanz für die Versorgung mit Flüssigwasserstoff.

Die Verflüssigung von Wasserstoff für die Nutzung als Antriebsenergie in der automobilen Fortbewegung macht zunächst einen höheren Energieaufwand erforderlich als die Komprimierung von gasförmigem Wasserstoff. In der Alltagsnutzung verändert sich diese Bilanz jedoch zugunsten des Flüssigwasserstoffs, denn für die Ermittlung des Energieaufwands muss das Gesamtsystem „Fahrzeug“ betrachtet werden. In der Gesamtbetrachtung wird folgender Effekt berücksichtigt: Während des Betankens eines Fahrzeugs mit gasförmigem Wasserstoff kommt es zur Wärmebildung durch Kompressionswärme. Diese sorgt für eine Ausdehnung des komprimierten Wasserstoffgases mit einer nachteiligen Wirkung auf seine Energiedichte. Für die notwendige Verringerung der Wärmebildung stehen zwei Möglichkeiten zur Wahl: entweder passives Kühlen, indem Pausen beim Tanken eingelegt werden – eine Lösung, die auf wenig Verständnis beim Kunden treffen würde – oder aktives Kühlen durch Absenken der Wasserstofftemperatur an der Tankstelle vor der Betankung. Dieser Effekt treibt den durchschnittlichen Energieaufwand in der „Well-to-Wheel“-Effizienz, also bei der Betrachtung des Wegs des Kraftstoffs von der Quelle bis zum Rad, für den gasförmig komprimierten Wasserstoff erheblich in die Höhe.

Hinzu kommt, dass Wasserstoff wegen der höheren Dichte bei größeren Abnahmemengen langfristig in flüssigem Zustand an die Tankstelle geliefert und dort auch in flüssigem Zustand gelagert wird. Die Erzeugung von Druckgas direkt an der Tankstelle wäre aufgrund der kleinen Anlagengrößen ineffizient. Ab mittleren Anlagengrößen erfolgt – solange Pipelines absatzbedingt nicht in Frage kommen – die Anlieferung ebenso wie bei anderen heute praktizierten Gasdistributionen in flüssigem Aggregatzustand. Dadurch würde auch vor einer Betankung mit Wasserstoffgas der Kraftstoff zunächst verflüssigt und vor der Abgabe verdampft und komprimiert. Das bedeutet für die Bereitstellung von Druckgas an der Tankstelle einen erheblichen zusätzlichen Aufwand. Im Vergleich zur Flüssigwasserstoff-Betankung wäre dadurch der Energieaufwand für die Betankung mit Wasserstoffgas effektiv höher.

Impulse für den Ausbau der Versorgungsinfrastruktur.

Die Betankung des BMW Hydrogen 7 mit Flüssigwasserstoff ist so konzipiert, dass sie voll alltagstauglich und in der Handhabung durch den Fahrer weitgehend analog zur Benzinbetankung abläuft. Bestehende Tankstellen können um entsprechende Speicher und Dispenser für Wasserstoff erweitert werden, so dass keine komplett neuen Tankstellen errichtet werden müssen.

Der Vorgang der Flüssigwasserstoff-Betankung unterscheidet sich von der Benzintankbefüllung im Wesentlichen dadurch, dass eine druck- und kältedichte Kupplung anstelle der Zapfpistole verwendet wird. In der Bedienung ändert sich für den Nutzer kaum etwas. Nachdem der Fahrer die Wasserstoff-Tankkupplung mit dem Tankstutzen des Fahrzeugs verbunden hat, erfolgen die endgültige Verriegelung, die Befüllung des Tanks und die Entriegelung systemgesteuert. Dieser Vorgang dauert weniger als 8 Minuten und ist sauberer und nicht gefährlicher als die herkömmliche Benzinbetankung, weil weder Kraftstoff unkontrolliert entweicht noch entzündliche Dämpfe austreten können.

Mit der Präsentation des BMW Hydrogen 7 tritt die BMW Group den Beweis an, dass der Wechsel zu alternativen Antriebsenergien nicht mit Einbußen an Freude am Fahren, Komfort oder Praxistauglichkeit einhergehen muss. Mit der Wasserstoff-Limousine setzt BMW zudem ein deutliches Signal für die Alltagstauglichkeit von Flüssigwasserstoff als Energieträger im Serienfahrzeug. Der BMW Hydrogen 7 hat den gesamten Serienentwicklungsprozess mit allen dazugehörigen, gesetzlich reglementierten Prüfverfahren durchlaufen. Nach dem vollständigen Produktentstehungsprozess hat die BMW Group gemeinsam mit dem TÜV Süddeutschland den BMW Hydrogen 7 einem umfangreichen, besonders auf die Flüssigwasserstoff-Komponenten ausgerichteten Testprogramm unterzogen. Danach kam der TÜV zu dem Schluss, dass sich die Wasserstoff-Limousine mindestens ebenso sicher nutzen lässt wie ein herkömmliches Fahrzeug mit Benzinmotor.

Die Alltagstauglichkeit des mit Flüssigwasserstoff betriebenen BMW Hydrogen 7 ist fahrzeugseitig erreicht. Trotz aller Tests lässt sich die Benutzerfreundlichkeit, jedoch nur in der Praxis detailliert erkennen. Diese bleibt an eine adäquate Infrastruktur geknüpft, welche im Entstehen ist. Die BMW Group ist Vorreiter in diesem Prozess.

Um den Ausbau einer Versorgungsinfrastruktur voranzutreiben, hat sich die BMW Group frühzeitig in Partnerschaften engagiert. Dazu gehört die Clean Energy Partnership Berlin (CEP), die eines der wichtigsten Demonstrationsprojekte Europas für die Erschließung alternativer Energien in der Automobilindustrie betreibt. Zu dem 2002 gegründeten Konsortium zwischen Automobilindustrie, Versorgungswirtschaft und öffentlichen Verkehrsbetreibern gehören heute neben BMW der Mineralölkonzern Aral, DaimlerChrysler, Ford, General Motors/Opel, Volkswagen, Hydro, Linde, Total, Vattenfall und die Berliner Verkehrsbetriebe (BVG). Ziel der CEP ist es, die Machbarkeit der Wasserstoff-Infrastruktur zu demonstrieren, den Energieträger Wasserstoff technologisch weiter zu erschließen und die Möglichkeiten für den Alltagseinsatz auszuweiten. Zu den Projekten gehört der Betrieb zweier öffentlicher Wasserstoff-Tankstellen, die 2004 beziehungsweise 2006 am Standort Berlin eröffnet wurden.

Eine weitere integrierte Station wird noch im Jahre 2006 in München entstehen.

Weltweites Engagement der BMW Group.

Ihr in der Forschung und Entwicklung der Wasserstofftechnologie gesammeltes Know-how bringt die BMW Group im nationalen Innovationsprogramm der Bundesregierung ein. Darüber hinaus wurden Mitarbeiter der BMW Group als Berater in das Advisory Council und in die Leitung des Deployment Strategy Panel der European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (EHP) berufen – ein 2004 von der EU-Kommission initiiertes Gremium, das die Entwicklung und den Einsatz von kostengünstigen, konkurrenzfähigen europäischen Energiesystemen auf der Basis von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien verfolgt.

Zum internationalen Engagement gehört ferner die Mitwirkung an einer Forschungsallianz des US-amerikanischen Departments of Energy sowie die Initiierung einer Wasserstoff-Machbarkeitsstudie und einer Informationskampagne zu diesem Thema in China. Gemeinsam mit chinesischen Wissenschaftlern untersuchen BMW Experten dort Möglichkeiten zur Schaffung einer Wasserstoff-Infrastruktur.

Quelle: BMW Presse-Information vom 13.11.2006

Weiter: Die Entwicklung: Die weltweit erste Wasserstoff-Luxuslimousine, die den Serienentwicklungsprozess erfolgreich abgeschlossen hat