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Alt 15.11.2006, 12:52     #12
Hermann   Hermann ist offline
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Das Sicherheitskonzept: Entwicklung von Sicherheitsstandards, Erprobung, unabhängige Zertifizierung.
  • Mehrstufiges Sicherheitskonzept für Wasserstoff-Komponenten.
  • Aktive Selbstüberwachung im BMW Hydrogen 7.
  • Erprobung mit allen Testverfahren der Serienfahrzeugentwicklung.
Bei den von der BMW Group betriebenen Forschungen auf dem Gebiet alternativer Antriebsenergien hat sich Wasserstoff als der am besten geeignete Treibstoff für eine emissionsfreie automobile Zukunft herauskristallisiert. Naturgemäß hat Wasserstoff andere Eigenschaften als Benzin oder Diesel. Daher muss der Treibstoff anders behandelt werden. Die neue Antriebsenergie erfordert neue Sicherheitsvorkehrungen. Hohe Priorität bei der Entwicklung und Konstruktion des BMW Hydrogen 7 hatte ein integriertes Sicherheitskonzept als Voraussetzung dafür, dass das Fahrzeug im Alltagsbetrieb nutzbar ist.

Da es sich beim Wasserstoffsystem des BMW Hydrogen 7 um eine Antriebsenergie handelt, für deren Handhabung es bislang kaum Erfahrungen aus dem Alltagsbetrieb gibt, umfasst dieses Sicherheitskonzept das gesamte Fahrzeugumfeld sowie alle Betriebszustände, vom Fahren – zum Beispiel in einem Tunnel – über das Parken und Betanken an der Tankstelle bis hin zur Wartung und Reparatur.

Alle Bauteile des Wasserstoffsystems wurden so ausgelegt, dass bereits durch ihre Gestaltung eine maximale Sicherheit gewährleistet ist. Um das Kriterium der Eigensicherheit zu erfüllen, ist außerdem dafür gesorgt, dass sie auch im Falle einer Fehlfunktion immer in einen sicheren Zustand verfallen. Das Fahrzeug ist darüber hinaus mit einem umfassenden, sensorgesteuerten Selbstüberwachungssystem ausgestattet, das dem Fahrer bei Bedarf zusätzliche Informationen zum Zustand seines Fahrzeugs liefert. Der Fahrzeugnutzer erhält Warnhinweise über Fehlfunktion auch dann, wenn diese für sich noch keinerlei Gefährdung darstellen. Der BMW Hydrogen 7 hat alle Phasen des Produktentstehungsprozesses durchlaufen. Im Verlauf der umfangreichen, klar definierten Freigabe- und Freizeichnungsprozesse wurden höchste Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen abgeprüft. So wurde auch ein hoher Maßstab an die funktionale Sicherheit aller Wasserstoff führenden Komponenten gelegt, für die ein spezieller sicherheitsgerichteter Entwicklungsprozess durchlaufen wurde.

Grundsätzlich geht Fortschritt auf dem Gebiet der Mobilität mit neuen Bedien- und gegebenenfalls neuen Sicherheitsvorschriften einher. Deshalb engagiert sich die BMW Group in vielen internationalen Gremien zur Entwicklung einheitlich geltender Sicherheitsstandards für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge. Das Sicherheitskonzept des BMW Hydrogen 7 ist so ausgelegt, dass für den Fahrer die Umstellung auf die umweltfreundliche Antriebstechnologie auch unter den Bedingungen des Alltagsbetriebs ohne Einschränkungen möglich wird.

Sicherheitsrelevante Eigenschaften von Wasserstoff.

Ein grundlegender Unterschied von Wasserstoff im Vergleich zu Benzin oder Diesel ist die Farb- und Geruchlosigkeit. Wasserstoff ist außerdem 15-mal leichter als die Umgebungsluft, er entweicht daher stets nach oben und verflüchtigt sich. Würde Wasserstoff aus dem LH2-Speicher des Fahrzeugs entweichen, entstünden daher auch keine Treibstoff-Pfützen am Boden, wie dies bei auslaufendem Benzin oder Diesel der Fall ist. Im LH2-Speicher ist das Element in flüssiger Form enthalten, abgekühlt auf tiefe Minus-Temperaturen. Gerät flüssiger Wasserstoff an die Luft, erwärmt er sich sogleich, wird gasförmig, steigt auf und verflüchtigt sich schnell. Es entstehen, anders als bei Benzin oder Diesel, daher auch keine umweltschädigenden Bodenbelastungen bei einer unbeabsichtigten Freisetzung dieses Kraftstoffs.

Eine wichtige Herausforderung an die Sicherheitsvorkehrungen stellt die im Vergleich zu Benzin oder Diesel weitaus höhere Zündfähigkeit von Wasserstoff dar. Der Mischungsbereich des Wasserstoffs mit der Umgebungsluft, innerhalb dessen eine Zündung erfolgen könnte, ist breiter. Dabei ist die Zündenergie von Wasserstoff niedriger als die von Benzin oder Diesel. Das bedeutet, dass die Energie, die zugeführt werden muss, um das Gas entzünden zu können, geringer ist. Verbrennt Wasserstoff, so entsteht eine nach oben gerichtete Flamme, die für das Auge nicht sichtbar ist und keinen Rauch entwickelt. Für das Worst-Case-Szenario auf der Straße bietet Wasserstoff im Vergleich zu Benzin oder Diesel dennoch den Vorteil einer geringeren Brand- und einer geringeren Eskalationsgefahr am Unfallort. Weil sich Wasserstoff schnell verflüchtigt, kann dieser auch nur durch eine Zündquelle in unmittelbarer Nähe des ausströmenden Wasserstoffs, das heißt dort, wo das H2-Luft-Gemisch sich in einem zündfähigen Verhältnis befindet, entflammt werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Fahrzeug zu brennen beginnt, ist vergleichsweise gering. Außerdem könnte sich ein Brand nicht über die für Benzin- oder Dieselkraftstoff typischen Lachen am Boden breitflächig ausbreiten.

Entstünde eine Leckage im Wasserstofftank innerhalb eines geschlossenen Raumes ohne Abzugsmöglichkeit, so wäre die Konzentration des Gases aufgrund der Geruchs- und Farblosigkeit für den Menschen nicht wahrnehmbar. Wasserstoff ist, anders als Benzin oder Diesel, nicht giftig oder reizend, es gelten jedoch andere Regeln für den Brandschutz als für die bislang gängigen Kraftstoffe.

Die Handhabung von Wasserstoff ist sicher, sofern die spezifischen Eigenschaften berücksichtigt werden. Ebenso wie der Umgang mit Benzin und Diesel als Kraftstoff, kann auch der Umgang mit Wasserstoff für den Autofahrer zu einer Selbstverständlichkeit werden. Grundsätzlich birgt jeder Kraftstoff zwangsläufig aufgrund seines Energieinhalts ein gewisses Gefahrenpotenzial in sich. So könnte kein Fahrzeug mit Benzin oder Diesel angetrieben werden, wenn diese Kraftstoffe nicht brennbar wären.

Mehrstufiges Sicherheitskonzept für die Wasserstoff-Komponenten.

Auf dem Gebiet der wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge favorisiert BMW als Pionier die Speicherung von flüssigem, tiefkalten Wasserstoff in einem innovativen, superisolierten Tank. Der Wasserstoff wird für die Speicherung bis zum flüssigen Aggregatzustand heruntergekühlt. Der Vorteil im Vergleich zum gasförmigen Zustand liegt in der deutlich höheren Speicherdichte. So erlangt das Fahrzeug eine größere Reichweite. Die Herausforderung dieser Lösung liegt darin, dass Wasserstoff bei Umgebungsdruck erst bei einer Temperatur von minus 253 Grad den flüssigen Zustand erreicht und der Kraftstoff im Tank diese niedrige Temperatur für eine möglichst lange Zeit halten muss. Obwohl der Tank extrem gut isoliert ist, kann ein geringer Wärmeeintrag auf seinen Inhalt nicht vermieden werden. Ein Teil der Tankfüllung wird also im Laufe der Zeit verdampfen; der so genannte Boil-off-Effekt tritt ein. Dieser Effekt bringt ein Ansteigen des Tankdrucks mit sich, weil Wasserstoff in gasförmigem Zustand mehr Raum in Anspruch nimmt. Im BMW Hydrogen 7 wird dies durch das Boil-off-Managementsystem kontrolliert. Mit dem System wird die jeweilige Boil-off-Menge einem Katalysator zugeleitet, der diese ohne zusätzlichen Energieaufwand zu Wasser aufoxidiert.

Für den Fall einer Beschädigung der Vakuum-Superisolation des Wasserstofftanks und des dadurch ausgelösten Temperaturanstiegs wurde der Tank zusätzlich zum Boil-off-Managementsystem mit zwei redundanten Sicherheitsventilen versehen, die bei einem überdurchschnittlich starken Druckaufbau den gasförmigen Wasserstoff kontrolliert in die Umgebung abblasen. Öffnet das erste Ventil, wird der Wasserstoff über die in den C-Säulen verlaufenden Sicherheitsleitungen zum Fahrzeugdach geleitet, wo er abgeblasen wird. Über das zweite Ventil wird das Gas zum Fahrzeugunterboden geleitet, wo es ebenfalls entweichen kann. Der LH2-Tank ist zudem hinter der Rückbank und oberhalb der Hinterachse angeordnet und damit in einer in Bezug auf die Crashsicherheit optimalen Position.

Alle relevanten Wasserstoff führenden Leitungen und Komponenten wurden doppelwandig ausgeführt. Im Fall, dass die innere Hülle einer Wasserstoff-Leitung defekt ist, sorgt die zweite Hülle dafür, dass austretender Wasserstoff sicher nach außen abgeleitet und mittels Wasserstoff-Sensoren schneller registriert wird. Im Falle eines diagnostizierten Austritts von Wasserstoff werden tanknahe Absperrventile geschlossen um die Leckage auf ein unkritisches Maß zu begrenzen.

Aktive Selbstüberwachung im BMW Hydrogen 7.

Der BMW Hydrogen 7 wurde bewusst als eigensicheres Fahrzeug konzipiert. Dies bedeutet, dass sich das Wasserstoff-Automobil permanent selbst überwacht, dass alle Komponenten maximale Sicherheitsanforderungen erfüllen und dass sie im Falle einer Fehlfunktion eigenständig in einen sicheren Zustand übergehen. Grundsätzlich befindet sich das Fahrzeug auch stromlos in sicherem Zustand. Ein umfassendes, sensorgesteuertes System signalisiert etwaige Funktionsstörungen aller Wasserstoff führenden Komponenten. Dazu sind Wasserstoff-Sensoren an fünf relevanten Positionen am Fahrzeug angebracht: im Motorraum, in der Nebensystemkapsel, in der LH2-Tankklappe, im Innenraum und im Kofferraum. Unabhängig vom Motorbetrieb, dem Fahrzeugbordnetz und der Instrumentenkombi leuchten bei einer Wasserstoffdetektion rote LED-Anzeigen in den Türverriegelungsknöpfen auf. Während der Fahrt erscheinen zusätzlich Warnmeldungen im Instrumentenkombi, akustisch wird auf die Meldung durch einen Gong hingewiesen. Darüber hinaus wird permanent der Zustand des Systems über Druck- und Temperatursensoren überwacht, so dass vor dem Eintritt eines Defekts Gegenmaßnahmen im System eingeleitet werden. Im Fall von Wasserstoffaustritt wird die Wasserstoffversorgung abgeschaltet, der BMW Hydrogen 7 wechselt automatisch in den Benzin-Betrieb und die Seitenfenster öffnen selbsttätig.

Der BMW Hydrogen 7 hat neben der Starterbatterie zwei zusätzliche Batterien für die Versorgung des sensorgesteuerten Sicherheitssystems. So wird die Gaswarnanlage unabhängig von der Starterbatterie in Betrieb gehalten. Die Einsatzfähigkeit dieser beiden Batterien beträgt zusammen bis zu 66 Tage, sie deckt also die gesamte Zeit der maximalen H2-Speicherung im Tank ab.


Erprobung und unabhängige Zertifizierung.

Motor- und Tanksystem sowie Fahrzeugelektronik des BMW Hydrogen 7 wurden als integrale Bestandteile des Fahrzeugs entwickelt und haben den gesamten Produktentstehungsprozess durchlaufen. In den für neue BMW Modelle obligatorischen Freigabe- und Freizeichnungsprozessen wurde sichergestellt, dass die für BMW typischen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Alle sicherheitsrelevanten Bauteile wurden einem speziellen sicherheitsgerichteten Entwicklungsprozess unterworfen. Das bedeutet, dass jedes dieser Bauteile genauesten Sicherheitsanalysen unterzogen wurde, um festzustellen, ob es den vorher detailliert abgeleiteten Anforderungen eines Serieneinsatzes genügt. Diese theoretischen Analysen wurden anschließend durch spezifische Versuche bestätigt. Für jedes relevante Bauteil wurde von externen Gutachtern die Validität von Anforderungen an das Bauteil, theoretischer Sicherheitsbetrachtung und Versuchsabsicherung bestätigt.

Der BMW Hydrogen 7 wurde wie jedes Serienfahrzeug allen gängigen und zusätzlich spezifischen Crashtests mit Fokus auf die Wasserstoff-Komponenten unterzogen, beispielsweise dem Front-Offset-Crash gemäß EURO NCAP mit einer Aufprallgeschwindigkeit von 64 km/h, dem Heck- Crash mit 100- beziehungsweise 40-prozentiger Überdeckung sowie dem Seiten-Crash im empfindlichsten Bereich, direkt auf die Tankkupplung. Keiner der Crash-Tests führte zu einer kritischen Beschädigung des Tanks, seiner Isolation oder der Wasserstoff führenden Komponenten.

Neben dem ausführlichen Komponenten- und Fahrzeugerprobungsprogramm wurde das Verhalten des Wasserstofftanks im Rahmen auch unter Extrembedingungen wie der Einwirkung von Flammen, dem Beschuss, der massiven mechanischen Beschädigung sowie der Reaktion des Kraftstoffbehälters und der Sicherheitseinrichtungen bei künstlich herbeigeführtem Verlust des Isoliervakuums des Tanks getestet.

Die BMW Group hat dafür gemeinsam mit dem TÜV Süddeutschland ein umfangreiches Programm an Unfallszenarien zusammengestellt. Die redundanten Sicherheitsventile sorgen auch bei maximaler Belastung mit nachweislich extrem hoher Sicherheit dafür, dass der gespeicherte Wasserstoff ohne größere Gefährdung dosiert abgeblasen wird. In einem der verschiedenen Brandtests wurden gefüllte Wasserstoff-Tanks bis zu 70 Minuten lang von mehr als 1000 Grad Celsius heißen Flammen umschlossen. Auch in diesem Fall zeigten die Tanks ein unproblematisches Verhalten: Der verdampfte Wasserstoff entwich kontrolliert und kaum wahrnehmbar über die Sicherheitsventile. Die Ergebnisse haben das Sicherheitskonzept des LH2-Systems uneingeschränkt bestätigt.

Für die sicherheitsrelevanten Entwicklungsprozesse wurde ein Nachweis geführt, der nicht nur alle Entwicklungsergebnisse zusammenfasst, sondern auch die schlüssige Herleitung der Anforderungen und die Vollständigkeit der Versuchsabsicherung bestätigt. Sowohl für die Komponenten als auch für das Gesamtfahrzeug wurden dazu Reviews und Assessments durch interne und externe unabhängige Gutachter durchgeführt, unter anderem vom TÜV sowie von weiteren spezialisierten Ingenieuren und Instituten. Aufgrund der umfangreichen Untersuchungen kamen der TÜV Süddeutschland sowie die beratende Feuerwehr zu dem Fazit, dass „Wasserstoff-Fahrzeuge mindestens so sicher wie konventionelle Benzinfahrzeuge“ sind.

Regelung für das Parken in Garagen.

Weil für die Sicherheit des Flüssig-Wasserstoff-Tanks in Automobilen bislang noch keine ausreichenden statistischen Zuverlässigkeitsdaten aus dem Alltagsbetrieb vorliegen können, ist das Parken in geschlossenen Räumen derzeit nicht erlaubt. Dieses Verbot bleibt aus Sorgfalt der BMW Group den Nutzern gegenüber solange bestehen, bis eine ausreichende Zahl von statistisch validen Daten hierzu existieren. Diese werden im langfristigen Betrieb und zusätzlichen Absicherungsprogrammen gewonnen.

Das Fahren und kurzzeitige Halten in geschlossenen Räumen, wie zum Beispiel Parkhäusern, die Durchfahrt beliebiger Tunnel und die Nutzung von Waschanlagen sind hingegen erlaubt, ebenso wie das Parken in einem offenen Carport.
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Viele Grüße Hermann

"Nur wer für den Augenblick lebt, lebt für die Zukunft"Heinrich von Kleist

Geändert von Hermann (15.11.2006 um 17:27 Uhr)
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