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Alt 14.11.2004, 11:42     #2
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1. CleanEnergy – die BMW Energiestrategie.

Das Wasserstoffzeitalter hat begonnen. Das Streben nach immer umweltfreundlicherer individueller Mobilität und nach Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern hat weltweit zu einer Suche nach dem Kraftstoff der Zukunft geführt. Um sowohl eine umweltfreundlichere Mobilität als auch den Wechsel zu einer langfristig verfügbaren Energiequelle zu ermöglichen, muss der gesuchte Kraftstoff nachhaltig, also im Idealfall in einem Kreislauf immer wieder herstellbar sein. Und noch eine ganze Reihe wirtschaftlicher, qualitativer und quantitativer Kriterien erfüllen. Wissenschaftler und Experten rund um den Globus haben nur einen einzigen Energieträger herausgefiltert, der diesem Ideal nahe kommt: Wasserstoff. Wasserstoff unterscheidet sich von den fossilen Energieträgern dadurch, dass seine Erzeugung und seine Nutzung in den regenerativen Kreislauf der Natur eingebettet werden können. Wenn Wasserstoff aus regenerativen Energien wie Sonne, Wind- und Wasserkraft erzeugt wird, dann steht er tatsächlich unbegrenzt und praktisch emissionsfrei zur Verfügung.

Als erster Automobilhersteller der Welt hat BMW konsequent die mittel- und langfristige Entwicklung seiner Fahrzeuge auf den Betrieb mit Wasserstoff ausgerichtet. Und daraus ein umfassendes Konzept gemacht: BMW CleanEnergy – die Energiestrategie der BMW Group. Ihr langfristiges Ziel: Emissionen vermeiden und regenerativ erzeugte Energie nutzen.

Dahinter stehen konkrete Gründe: Der Verband der europäischen Automobilindustrie ACEA verpflichtete sich im Juli 1998 gegenüber der Europäischen Union, die CO2-Emissionen aller europäischen, neu zugelassenen Automobile bis zum Jahr 2008 auf durchschnittlich 140 g CO2/km zu senken. Dies entspricht einer Reduzierung um 25 Prozent CO2 gegenüber 1995 und einem durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch von rund sechs Litern pro 100 Kilometer. Darüber hinaus wird eine weitere Senkung der CO2-Emissionen um 14 Prozent von 2008 bis 2012 untersucht. Allerdings lassen sich die über 140 g CO2/km hinausgehenden Ziele der ACEA nicht allein durch fahrzeugtechnische Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung erreichen, sondern verlangen unter anderem auch den Einsatz kohlenstoffarmer oder -freier Kraftstoffe. Die langfristige Lösung dazu heißt Wasserstoff.

Die im Wasserstoff gespeicherte Energie kann dabei je nach verwendetem Antriebssystem in zwei Energieformen umgewandelt werden, die im Auto interessant sind: entweder per konventionellem Verbrennungsmotor direkt in Vortrieb oder über die sogenannte „kalte“ Verbrennung in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie. BMW nutzt beide Möglichkeiten: Für den Fahrzeugantrieb favorisiert BMW den Verbrennungsmotor, der in der Summe seiner Eigenschaften nach wie vor die meisten Vorteile hat. Zur Versorgung des Bordnetzes mit Strom ist als Ersatz für den Generator die Brennstoffzelle vorgesehen, die ganz neue Möglichkeiten etwa der Fahrzeugklimatisierung und anderer Komfortfunktionen eröffnet.

BMW hat sich den internationalen Vorsprung in der Wasserstofftechnologie in über 20 Jahren Forschung und Entwicklung hart erarbeitet. Nicht nur in der Motorentechnik, sondern auch in der Gewinnung, Betankung und Speicherung von Wasserstoff liefert BMW Wissen. So treibt die BMW Group schließlich konsequent die Einführung von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft voran, baut Partnerschaften mit anderen Firmen zur Entwicklung von Komponenten und Technologien auf und und sensibilisiert sowohl politische Entscheidungsträger wie auch die Energiewirtschaft für die Notwendigkeit, jetzt die Umsetzung einzuleiten.
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Alt 14.11.2004, 11:43     #3
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2. Wasserstoff – der Welt häufigstes Element.

Wasserstoff – chemisches Symbol H – ist das häufigste und gleichzeitig das leichteste Element des Universums. Als Bestandteil von Wasser und allen organischen Verbindungen ist er Teil des biologischen Kreislaufs und damit umweltverträglich. Wasserstoff lässt sich in Gasform oder als tiefgekühlte Flüssigkeit speichern und relativ einfach transportieren. Das ungiftige, farb- und geruchlose Gas ist brennbar und besitzt einen Heizwert, der in der flüssigen Phase, bezogen auf das Volumen, etwa ein Viertel des Heizwerts von Benzin beträgt. Bezogen auf das Gewicht enthält Flüssigwasserstoff nahezu die dreifache Energiemenge von Benzin. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht Wasser (H2O), aber kein Kohlendioxid (CO2). In der Summe seiner Eigenschaften hat Wasserstoff nach Ansicht der Fachwelt das Potenzial, der Kraftstoff der Zukunft zu sein.

In der Natur ist Wasserstoff jedoch ungebunden praktisch nicht vorhanden. Am häufigsten kommt er in Wasser, in den verschiedensten Kohlenwasserstoffen und in anderen chemischen Verbindungen vor. Energetisch und verfahrenstechnisch nutzbarer Wasserstoff ist deshalb immer ein Umwandlungsprodukt.

Derzeit werden jährlich weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff produziert. Er stammt sowohl zum Beispiel aus der Erdgasreformierung, bei der Wasserstoff das Zielprodukt ist, als auch aus der Koksherstellung oder der Chloralkali-Elektrolyse, bei der Wasserstoff als Nebenprodukt anfällt. In Deutschland werden 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 restliche Viertel wird für die Methanolsynthese – diesen Alkohol setzen Textil-, Farben- und Kunststoffindustrie ein – sowie eine Vielzahl metallurgischer Fertigungsverfahren genutzt.
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Alt 14.11.2004, 11:47     #4
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3. Produktion: So wird Wasserstoff hergestellt.

Es gibt verschiedene Wege, Wasserstoff herzustellen. 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 langfristig keine nachhaltige Alternative: Denn 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 sogenannten Sequestrierung von CO2. Damit bezeichnet man das Abscheiden und Auffangen des Gases beispielsweise bei der Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas. Zur langfristigen Speicherung wird das Kohlendioxid in ausgebeutete Lagerstätten von Erdöl, Erdgas oder Kohle gepumpt. Auch eine Deponierung auf dem Grund der Tiefsee steht in der kritischen Diskussion.

Einfach, effektiv und sauber: Elektrolyse.

Der aussichtsreichste Weg zur Gewinnung von 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 umweltfreundlichste und wirtschaftlichste Produktionsmethode. Die Elektrolyse macht jedoch ökologisch nur Sinn, wenn der Strom zur Wasserspaltung aus regenerativen Primärenergieträgern gewonnen wird.

Kostenlos und unbegrenzt: Solarenergie.

Einen bedeutenden Anteil an der globalen Lösung für die Zukunft stellt die großtechnische Erzeugung von Solarstrom dar, um mit der Kraft der Sonne unter anderem Wasserstoff herzustellen. Die Sonne hält das größte Potenzial erneuerbarer Energien bereit: Innerhalb einer Stunde schickt sie so viel Energie zur Erde, wie weltweit pro Jahr von der Menschheit verbraucht wird. Jahr für Jahr summiert sich die Sonnenenergie auf rund 1,1 Milliarden Terawattstunden (TWh) Energie – das entspricht ungefähr dem Zehntausendfachen des gegenwärtigen Jahresverbrauchs der Menschheit.

Die Umwandlung dieser Energie ist beispielsweise durch Solarzellen möglich, die unmittelbar Strom produzieren. Um derartige Szenarien zu erproben, hat sich die BMW Group schon frühzeitig an dem Solar-Wasserstoff-Projekt im bayrischen Neunburg vorm Wald beteiligt, wo in Zusammenarbeit mit anderen Firmen die photovoltaische Erzeugung von Wasserstoff und sein Einsatz für verschiedene Zwecke erprobt wurde.

Nach heutigem Stand der Technik wirtschaftlich noch interessanter als Photovoltaikanlagen ist der Einsatz von Sonnenkraftwerken mit rinnenförmigen Parabolspiegeln. In deren Brennpunkt wird in einem Rohr umgepumptes Öl auf bis zu 400 °C erhitzt. Das Öl verdampft in einem Wärmetauscher Wasser, das in einem nächsten Schritt eine Dampfturbine zur Stromerzeugung antreibt. Solche solarthermischen Anlagen arbeiten bereits in der kalifornischen Mojave Wüste. Hier erzeugen unter anderem die beiden Sonnenkraftwerke Kramer Junction und Harper Lake umweltfreundlichen Solarstrom, der sich auch für die Gewinnung von Wasserstoff nutzen lässt. In diesem weltweit größten Solarkraftwerk-Komplex werden mit 2,3 Millionen Quadratmeter Spiegelfläche 354 Megawatt Strom produziert – genug Energie für rund 200 000 Einwohner Kaliforniens. Während der Gesamtlaufzeit des Kraftwerk-Komplexes wird damit im Vergleich zu Anlagen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, der Ausstoß von 18 Millionen Tonnen CO2 vermieden.

Grundsätzlich sind die Gebiete um den 40. Breitengrad für Solarkraftwerke prädestiniert. Aber auch in Europa wird der Solarthermie ein Potenzial von rund 1400 Terawattstunden (TWh) zugebilligt, das entspricht der Leistung von fast vier Millionen der beschriebenen kalifornischen Solarkraftwerk-Komplexe. Selbst per Photovoltaik sind 600 TWh realisierbar. Die größten bisher nicht ausgeschöpften Energiereserven bietet in Europa allerdings mittelfristig die Windkraft mit 1800 TWh offshore und 350 TWh auf dem Land. Heute werden europaweit rund 60 TWh elektrischer Energie, etwa 2,4 Prozent des gesamten Elektrizätsbedarfs, per Windkraft erzeugt.

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 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. Wasserstoff kann aus Biomasse entweder durch Vergasung oder Vergärung oder durch andere biologische Prozesse gewonnen werden. Aus ökologischen Gründen empfehlen zahlreiche Experten allerdings für die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse nur die Verwendung von Abfall, nicht die von Energiepflanzen. Dadurch wäre das Aufkommen an verwertbarer Biomasse entsprechend begrenzt.

Studien der VES rechnen dem Wasserstoff aus Biomasse in Europa ein Potenzial von circa 30 Prozent für die konventionelle Kraftstoffsubstitution zu. Hierbei wurde unterstellt, dass sämtliche Biomasse einschließlich dem Anbau von Energiepflanzen ausschließlich für die Kraftstoffproduktion zur Versorgung des Straßenverkehrs eingesetzt wird. Da Biomasse aber auch im stationären Sektor zur Strom- und Wärmeproduktion eingesetzt wird, kann von einem Substitutionspotenzial von circa 15 Prozent ausgegangen werden. Biomasse kann also einen Beitrag zur Verminderung der Kohlendioxidemissionen leisten, aber den Bedarf bei weitem nicht decken.
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Alt 14.11.2004, 11:48     #5
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4. Infrastruktur: So wird Wasserstoff gespeichert und verteilt.

Wasserstoff kann – im Gegensatz zu elektrischer Energie – auch in großen Mengen gespeichert werden, in der Regel entweder gasförmig oder flüssig. Damit ist die Möglichkeit gegeben, per Sonnen-, Wasser-, oder Windkraft erzeugte elektrische Energie zur Abspaltung von Wasserstoff zu nutzen und – anders als heute – auch zu speichern. Für sehr große Volumina werden Gasometer verwendet. Mittlere Mengen werden als Gas in Druckspeichern bei circa 30 bar gelagert. Kleinere Mengen können in Druckgasflaschen aus Stahl oder kohlefaserverstärktem Verbundmaterial mit bis zu 400 bar abgefüllt werden. Neue Tanksysteme, die mit bis zu 700 bar Druck befüllt werden können, befinden sich im Forschungsstatus.

In flüssiger Form kann Wasserstoff bei –253 Grad Celsius gespeichert werden. Da diese Speicherform gegenüber der Speicherung als Gas bei 700 bar eine etwa um den Faktor 1,78 höhere Energiedichte pro Volumen aufweist, wird von BMW der Einsatz von Flüssigwasserstoff für die Speicherung in Fahrzeugen favorisiert: Denn je mehr Energie in einem bestehenden Tankvolumen mitgeführt werden kann, desto höher ist die Reichweite des Fahrzeuges. Um die gleiche Energiedichte wie Flüssigwasserstoff zu erreichen, müsste komprimierter Wasserstoff mit 1250 bar gespeichert werden.

Eine weitere Speichermöglichkeit sind sogenannte 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 für den Einsatz im Automobil nicht ausreicht.

Darüber hinaus wird die Speicherung von Wasserstoff in sogenannten Nanofaserstrukturen oder Alanaten (d. h. chemischen Wasserstoffverbindungen) erforscht. Sollten diese Technologien zum Tragen kommen, so würden sie neue Perspektiven für die Energiespeicherung des Wasserstoffs eröffnen.

Transport per Pipeline, Schiff und Lkw 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. Für den überwiegenden Teil des europäischen Gasnetzes ist dies gewährleistet.

Wasserstoff ist auch in der kommunalen Nutzung nicht unbekannt: Das frühere Stadt- oder Leuchtgas war Synthesegas, das zur Hälfte aus Wasserstoff bestand. Bis in die zweite Hälfte des vergangenen Jahrhunderts diente es in vielen Städten beispielsweise zur Straßenbeleuchtung.

Auch der interkontinentale Transport von Wasserstoff ist bereits Alltag und technisch auf breiter Ebene lösbar. Da flüssiger Wasserstoff nur etwa ein Zehntel des Volumens von auf 30 bar komprimiertem Gas einnimmt, sind Schiffe und Lkw 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. Schiffe und 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. Die Tankstelle der Zukunft hält also neben Benzin und Diesel auch gasförmigen und flüssigen Wasserstoff für die Autofahrer bereit.
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Alt 14.11.2004, 11:51     #6
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5. Tanken: So kommt Wasserstoff ins Auto.

Eine Grundvoraussetzung für die flächendeckende Einführung von Wasserstoff als Kraftstoff ist ein Betankungssystem, das nicht komplizierter als das heutige sein darf. Das gilt sowohl für tiefkalten, flüssigen Wasserstoff als auch für die gasförmige, unter hohem Druck stehende Variante.

Die BMW Group setzt auf Wasserstoff in flüssiger Form. Der wesentliche Grund: Die Energiedichte des flüssigen Treibstoffs bezogen auf das Volumen des Tanksystems ist fast doppelt so groß wie die des auf 700 bar komprimierten Gases und erreicht somit annähernd 2,5 Kilowattstunden pro Liter.

In Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Magna Steyr entwickelt BMW ein Tanksystem, bei dem die Fahrzeuge mit flüssigem Wasserstoff ähnlich schnell, verlustfrei und gefahrlos betankt werden können wie Fahrzeuge mit Benzin oder Diesel. Um den Kunden ein Maximum an Komfort zu gewährleisten, wird diese Tanktechnik in der weltweit ersten öffentlichen „Robot-Tankstelle“ für flüssigen Wasserstoff am Münchner Flughafen eingesetzt. Die für die Einrichtung und den Betrieb dieser Tankstelle verantwortlichen Projektpartner, u. a. die BMW Group, konnten im April 2004 bereits auf ihr fünfjähriges Bestehen zurückblicken. In über 600 Betankungen wurden bisher mehr als 30 000 Liter Flüssigwasserstoff gefördert.

Der Ablauf ist dabei denkbar einfach: Wie bei jeder anderen Tankstelle auch fahren die mit Wasserstoff betriebenen Pkws vor die Tanksäule der Station, die im öffentlichen Bereich des Münchner Flughafens untergebracht ist. Dann initiiert der Fahrer den vollautomatisch ablaufenden Betankungsvorgang. Während des Tankaufenthaltes – die Betankungsdauer entspricht in etwa der einer konventionellen Betankung mit Benzin oder Diesel – braucht der Fahrer den Wagen theoretisch noch nicht einmal zu verlassen, denn die Identifizierung des Kunden geschieht mit Hilfe einer Tankkarte oder einer elektronischen Fernbedienung. In den BMW Tank wird 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. Es geht also bei der Betankung kein Wasserstoff verloren.

Aber auch die manuelle Betankung unterscheidet sich in ihrem Aufwand praktisch nicht von der an einer konventionellen Tankstelle. Das System unterscheidet sich im Wesentlichen durch die druck- und kältedichte Kupplung an Stelle der Zapfpistole. Zum Tanken wird die Kupplung am Tankstutzen angesetzt und verriegelt: Der Wasserstoff kann „fließen“. Wie sich die manuelle Betankung im Alltag bewährt, wird im Rahmen eines groß angelegten Demonstrationsprojektes in Berlin untersucht. Im Herbst 2004 wird dazu die erste in eine öffentliche Tankstelle integrierte Wasserstoff-Tankstelle Deutschlands eröffnet. Um darüber hinaus 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.

Crashtests 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 vorgesehene Sollbruchstelle im Innentank sorgt dafür, dass der gespeicherte Wasserstoff ohne größere Gefährdung dosiert abgeblasen wird.

In weiteren Tests wurden mit flüssigem Wasserstoff gefüllte Fahrzeugtanks auf einem Prüfstand Brandtests unterzogen. Bis zu 70 Minuten lang wurden die Tanks dabei vollständig von fast 1000 Grad Celsius heißen Flammen umschlossen. Auch hierbei zeigten die Tanks ein unproblematisches Verhalten: Der verdampfte Wasserstoff entwich langsam und kaum wahrnehmbar über die Sicherheitsventile. 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.

Auch das Gesamtsystem Fahrzeug wurde erfolgreich intensiven Crashtests unterzogen. Mehr dazu wird in dem Kapitel „So fahren Autos mit Wasserstoff“ beschrieben. Nach diesen umfangreichen Untersuchungen kam der TÜV zu dem Schluss, dass Wasserstoff genauso sicher eingesetzt werden kann wie Benzin.

Flüssiger Wasserstoff ist immer tiefkalt.

Prinzipbedingt erwärmt sich der flüssige Wasserstoff im Tank. Dabei steigt der Druck im Tank langsam an, bis auf einen zur Zeit mit 5,5 bar festgelegten Wert. Für diesen Druck ist der Speicher für flüssigen Wasserstoff ausgelegt. Bei höheren Drücken wird der Gasdruck über ein Überströmventil gezielt abgelassen. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit dem in einem konventionellen Autotank, bei dem in der prallen Sonne Benzin verdunstet.

Bei heutigen Wasserstoff-Tanks dauert es rund einen Tag, bis bei stehendem Motor 5 bar erreicht sind. Wird das Auto zwischendurch gefahren, sinkt der Druck wieder und Standverluste werden vermieden.
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Alt 14.11.2004, 11:55     #7
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6. Antrieb: So fahren Autos mit Wasserstoff.

Als erster Automobilhersteller der Welt hat die BMW Group mit der Serienentwicklung eines Wasserstoff-Fahrzeuges begonnen. Professor Göschel, Vorstand für Entwicklung und Einkauf der BMW AG: „Noch im Produktionszyklus unseres aktuellen BMW 7er werden wir Wasserstoff-Fahrzeuge in Kundenhand geben.“

Bereits seit 1978 erforscht BMW 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 von 15 Limousinen mit Wasserstoffantrieb vorgestellt. „Wir setzen auf den Verbrennungsmotor, weil wir davon überzeugt sind, dass unsere Kunden auch in Zukunft Wert auf Dynamik, Komfort und Reichweite legen“, so Professor Göschel. Die Fahrzeuge haben sich im Alltagsbetrieb 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 war es, die Wasserstoff-Technologie, ihre Vorteile und die noch offenen Aufgaben ins internationale Bewusstsein zu rücken. In fünf Welt-Metropolen lud die BMW Group zu entsprechenden Events für Politik, Wissenschaft und Medien ein. Eine breite Resonanz in der internationalen Öffentlichkeit machte die CleanEnergy WorldTour zu einem großen Erfolg.

Bivalenter Antrieb sorgt für praktischen Kundennutzen.

Nur der Verbrennungsmotor bietet nach heutiger Technologie den Vorteil, bivalent – sowohl mit Benzin als auch mit Wasserstoff – fahren zu können. Damit können Versorgungslücken, die sich beim Aufbau eines Wasserstoff-Tankstellennetzes anfangs ergeben werden, überbrückt werden. Autofahrer, die sich für den CleanEnergy-Antrieb entscheiden, sind damit in ihrer Bewegungsfreiheit nicht eingeschränkt.

Bei BMW läuft Serienentwicklung für Wasserstoff-Auto.

Als erster Automobilhersteller der Welt hat BMW mit der Serienentwicklung eines Fahrzeuges begonnen, das von einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die zukunftsweisende Limousine wird auf dem aktuellen BMW 7er basieren. Dieses Fahrzeug wird eine Spitzengeschwindigkeit von über 215 Stundenkilometer erreichen, mit einer Reichweite von mehr als 200 Kilometern im Wasserstoff- und 500 Kilometern im Benzin-Betrieb.

Auf der Internationalen Automobilausstellung IAA 2003 in Frankfurt präsentierte BMW einen richtungweisenden Wasserstoff-Konzeptmotor. Dieser 12-Zylinder-V-Motor schöpft aus 6,0 Litern Hubraum eine Leistung von mehr als 170 Kilowatt bei 5 500 min–1. Sein maximales Drehmoment von 337 Nm erreicht er bereits bei 2 000 min–1.

Ein großer Erfolg hierbei: Der neue Wasserstoff-Konzeptmotor kann mit stöchiometrischem Wasserstoff-Luft-Gemisch (Lambda = 1) betrieben werden. Eines der größten Hindernisse auf dem Weg dorthin war die Vermeidung von Verbrennungsanomalien, die durch den vollvariablen Ventiltrieb Doppel-Vanos mit VALVETRONIC überwunden werden konnten.

Intelligente Verbrennung vermeidet Stickoxidbildung.

Mit ausgefeilter Motorentechnologie können unerwünschte Nebenprodukte bei der Verbrennung vermieden werden. Oberhalb von 1700 Grad Celsius können im Verbrennungsraum Stickstoffoxide (NOx) entstehen, ohne dass Wasserstoff daran beteiligt ist.

Zur drastischen Reduzierung der NOx Emissionen nutzen die BMW Ingenieure eine besondere Betriebsstrategie:

Wird der Motor in Teillast betrieben, erfolgt die Laststeuerung ähnlich wie bei einem Dieselmotor über eine so genannte Qualitätsregelung. D. h. der Motor wird im Magerbetrieb mit Luftüberschuss (Lambda > 1,7) betrieben, wodurch NOx-Emissionen nur in sehr geringen Mengen auftreten. Das Resultat: Eine Abgasnachbehandlung ist nicht erforderlich.

Wird hingegen vom Motor eine hohe Leistung gefordert, erfolgt die Steuerung der Motorlast ähnlich wie beim Benzinmotor über eine Quantitätsregelung. Der Motor wird dann 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.

Zwischen diesen beiden Betriebsmodi kann aufgrund einer schnellen Motorelektronik und der Flexibilität der Ventilsteuerung verzögerungsfrei gewechselt werden.

BMW Forschungsmotor: 50 Prozent Wirkungsgrad erreichbar.

Mit dem neuen Wasserstoff-Konzeptmotor ist aber das Entwicklungspotenzial der Wasserstoff-Verbrennungsmotoren bei BMW noch nicht ausgeschöpft. Bei äußerer Gemischbildung kann die Leistung des Motors durch Aufladung gesteigert werden. Als Maßnahme zur weiteren Wirkungsgradsteigerung bei gleichzeitiger Leistungssteigerung im Vergleich zum Wasserstoff-Konzeptmotor bietet sich die Kombination von Wasserstoff-Direkteinblasung und Aufladung an, die die spezifische Leistung solcher Wasserstoff-Motoren über das Niveau von Benzinmotoren hebt.

In der Forschungsabteilung der BMW Group wird an einem Wasserstoff-Motor gearbeitet mit dem langfristigen Ziel, einen effektiven Wirkungsgrad von 50 Prozent im Bestpunkt zu erreichen. Dieses anspruchsvolle Ziel soll durch Optimierung des Brennverfahrens unter Ausnutzung der hervorragenden Brenneigenschaften von Wasserstoff (niedrige Aktivierungsenergie, hohe Flammgeschwindigkeiten) und weiterer Maßnahmen wie der Reduzierung der Reibleistung des Motors, der Optimierung der Nebenaggregate und des Gesamtenergiemanagements erreicht werden.

Crashtests mit Wasserstoffautos.

Nicht nur die Tanks, auch komplette Fahrzeuge müssen ihre Sicherheit unter Beweis stellen. So werden BMW Wasserstoff-Fahrzeuge heute üblichen Crashtests unterzogen, beispielsweise dem Front-Offset-Crash gemäß Euro NCAP mit 64 km/h Aufprallgeschwindigkeit, dem Heck-Crash mit 100 und 40 Prozent Überdeckung sowie dem Seiten-Crash im verwundbarsten Bereich, am Einfüllstutzen zum Wasserstofftank. Alle Anforderungen werden dabei einwandfrei erfüllt. Laut TÜV Süddeutschland sind „Wasserstoff-Fahrzeuge mindestens so sicher wie konventionelle Benzinfahrzeuge“.

Brennstoffzellen-APU speist Bordnetz mit Strom.

Das Wasserstoff-Konzept der BMW Group sieht auch den Einsatz einer Brennstoffzelle vor: als sogenannte APU (Auxiliary Power Unit). Dabei liefert eine Membran-Brennstoffzelle (PEM, Polymer-Elektrolyt-Membran) Strom für das Bordnetz. Während konventionelle Batterien mit einem Generator aufgeladen werden müssen, arbeitet dieses System motorunabhängig und wird vom Wasserstofftank gespeist. Auch wenn der Motor nicht läuft, lässt sich so zum Beispiel die Klimaanlage oder Heizung betreiben. Die Brennstoffzelle liefert nicht nur dreimal mehr Leistung als eine Lichtmaschine, sie erzeugt auch nur dann Strom, wenn er von den eingeschalteten Verbrauchern angefordert wird, während der Motor die Lichtmaschine permanent antreibt. Insgesamt ergibt sich so, umgerechnet auf Benzin, eine Treibstoffeinsparung von einem Liter pro 100 Kilometern im Stadtverkehr. Wenn auch Wasserpumpe, Ölpumpen, Bremskraftverstärker und By-Wire-Anwendungen elektrisch versorgt werden, kann eine entsprechend eingesetzte Brennstoffzelle den Verbrauch weiter reduzieren. Außerdem wird der Motor um mehr als zehn Kilowatt entlastet, die dann zusätzlich als Antriebsleistung zur Verfügung stehen.

Formtank statt Wasserstoff-Zylinder.

Bisher werden für die Speicherung von flüssigem Wasserstoff nur zylindrische Tanks eingesetzt, weil derzeit 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, stehen bei den Ingenieuren ganz oben als Entwicklungsvorgabe. Ziel ist es, den Wasserstofftank optimal in das Fahrzeug zu integrieren und dem Kunden das gewohnte Raumangebot zur Verfügung zu stellen.
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7. Kooperationen: CleanEnergy Partnership, VES.

CleanEnergy Partnership (CEP): umfassender Probebetrieb mit Wasserstoff in Berlin.


Um die Wasserstoff-Technologie in Deutschland praxisnah voranzutreiben, gründete die BMW Group gemeinsam mit Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel und MAN im Juni 2002 die „CleanEnergy Partnership“, kurz CEP. Die mit einer Projektlaufzeit bis voraussichtlich 2007 und mit 33 Millionen Euro ausgestattete 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. Ein elementarer Punkt ist hierbei der Nachweis positiver Effekte auf die Umwelt. Wasserstoff soll deshalb so weit wie möglich mittels regenerativer Energien hergestellt werden, also hauptsächlich mit Strom aus Sonnenenergie, Wasser- oder Windkraft. Damit fallen angefangen bei der Erzeugung bis hin zur Nutzung von Wasserstoff praktisch keine unerwünschten Emissionen an. BMW beteiligt sich an dem Projekt mit dem Betrieb von Wasserstoff-Fahrzeugen.

Tankstelle für flüssigen und gasförmigen Wasserstoff wird gebaut.

Kernpunkt der CEP ist der Bau und Alltagsbetrieb einer Wasserstoff-Tankstelle. Im Herbst 2004 wird diese Wasserstoff-Tankstelle, integriert in den Alltagsbetrieb einer konventionellen Tankstelle, eröffnet. Neben Ottokraftstoffen und Diesel können hier zwei Arten von Wasserstoff getankt werden: gasförmiger (Compressed Gaseous Hydrogen CGH2) und flüssiger Wasserstoff (Liquid Hydrogen LH2). Letzterer wird von der BMW Group aus Gründen der Handhabung und der Fahrzeugreichweite favorisiert.

Gasförmiger Wasserstoff wird vor Ort hergestellt.

Der gasförmige Wasserstoff wird direkt an der Tankstelle nahezu emissionsfrei mittels Druckelektrolyseur hergestellt. Diese Technik wurde für die dezentrale Herstellung von Energiewasserstoff hoher Reinheit entwickelt. Das Prinzip ist einfach: Wasser wird unter Druck mittels Gleichstrom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die kompakte Anlage ist auf einen vollautomatischen, kontinuierlichen und sicheren Betrieb hin ausgelegt. Eine Besonderheit ist die Kopplung der Wasserstoffproduktion an die Nachfrage an der Zapfsäule; es wird jeweils nur so viel Wasserstoff produziert, wie auch getankt wird. Eine Kompressor-Anlage verdichtet den gasförmigen Wasserstoff von rund 15 auf 350 bar; mit diesem Druck wird er in die Autos gefüllt. Die Zapfsäulen sind darüber hinaus bereits für eine Betankung mit einem Druck von 700 bar vorbereitet.

Tankwagen liefern flüssigen Wasserstoff.

Der flüssige Wasserstoff wird zentral hergestellt und im Tankwagen angeliefert. An der Tankstelle wird der tiefkalte Wasserstoff in einem hochvakuumisoliert Doppelmantel-Behälter mit 10 000 Litern gespeichert. Da der Verdunstungsdruck durch jeden Tankvorgang verringert wird, sind Wasserstoff-Verluste und Kühlaufwand gering. Die Flüssigwasserstoff-Versorgung dient außerdem als Reservesystem für die Versorgung mit gasförmigem Wasserstoff: Falls der komprimierte Wasserstoff knapp wird, kann der flüssige Wasserstoff wiederum in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt werden und eventuelle Versorgungsengpässe ausgleichen. Die Zapfsäule für flüssigen Wasserstoff ist mit einer Umfüllpumpe und einer kalt ziehbaren Kupplung zur Schnellbetankung ausgerüstet. Der Vorteil einer Tankstelle mit flüssigem Wasserstoff liegt in dem potenziell größeren Energiedurchsatz der Tankstelle.

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.

Ziel 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 Zielen liegt die Vision einer krisenresistenten, nachhaltig umwelt- und ressourcenschonenden Energieversorgung zugrunde, die in Kombination mit einer neuen Generation von hocheffizienten Fahrzeugen den Weg in eine ökologischere und zugleich wirtschaftliche Mobilität der Zukunft ermöglichen soll.

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.

Auf dem Weg zu einer Wasserstoffwirtschaft hat sich in letzter Zeit in Europa viel getan: So tagte Anfang 2004 in Brüssel zum ersten Mal die Vollversammlung eines neuen Gremiums, der 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. Bis zu 2,8 Mrd. EUR 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 Beratungsgremien wie den Advisory Council und die Leitung des Deployment Strategy Panel der EHP oder auch das California Hydrogen Highway Implementation Advisory Panel der kalifornischen Regierung berufen worden. 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.

BMW CleanEnergy – weitere Partnerschaften.

Bei der Serienentwicklung des Wasserstoff-Autos setzt die BMW Group auf ein Netzwerk von Industriepartnern. BMW hat mit der Firma Magna Steyr bereits einen kompetenten Partner bei der Entwicklung und Lieferung eines Wasserstofftanks gewinnen können.

Im Rahmen eines offenen Entwicklungskonsortiums arbeitet die BMW Group zusammen mit General Motors an der Entwicklung einer Flüssigwasserstoff-Tankkupplung, die als weltweiter Standard etabliert werden soll.

Die projektierte Flüssigwasserstoff-Kupplung lehnt sich an den Richtlinienentwurf des European Integrated Hydrogen Project (EIHP) an. Die Entwürfe des EIHP sind die Grundlage für die Erarbeitung der zukünftigen UN/ECE-Richtlinien für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge (UN/ECE = United Nations Economic Commission for Europe). Für die Entwicklung konnte das Konsortium die Firma Linde und die Firma Walter gewinnen.
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Alt 14.11.2004, 12:02     #9
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8. Weg in den Alltag: Vorhandene Akzeptanz stärken.

Die BMW CleanEnergy WorldTour von 2001/2002 war einer von mehreren Bausteinen, mit denen die BMW Group die Sensibilisierung für und die Akzeptanz von Wasserstoff in der Öffentlichkeit vorantreiben will. Mit dem Projekt „H2 – Mobilität der Zukunft“ bietet die BMW Group seit 2001 Schulen in ganz Deutschland umfangreiches Unterrichtsmaterial zum Thema CleanEnergy an. Die Materialsammlung, die sich zum Unterrichtseinsatz in der Sekundarstufe I und II an Gymnasium und Realschule richtet, umfasst neben einer Lehrermappe auch eine interaktive CD-ROM. Weiter liegt das Unterrichtsmaterial in den Sprachen Englisch und als Informationsmaterial „Expertenwissen Wasserstoff“ in der Sprache Mandarin vor. Schließlich gibt es eine kindgerechte Version dieses Schulungsmaterials für die Grundschule. Dieses Material kann über die BMW Presse- und Öffentlichkeitsarbeit bezogen werden.

„H2 – Mobilität der Zukunft“ als Unterrichtsthema.

Die BMW Group greift mit dem Unterrichtspaket „H2 – Mobilität der Zukunft“ die Wünsche vieler Pädagoginnen und Pädagogen auf, die im Schulalltag immer häufiger mit Fragen zu alternativen Energien konfrontiert werden. Die Materialien können dabei nicht nur als Basis für eine sachlich fundierte Auseinandersetzung im Fachunterricht dienen, sondern eignen sich auch hervorragend für fächerübergreifende Unterrichtsansätze, die handlungsorientiertes Lernen und Eigeninitiative der Schülerinnen und Schüler fördern.

Für den Unterrichtseinsatz eignen sich damit nicht nur die naturwissenschaftlichen Fächer Chemie, Physik und Technik, auch Fächer wie Geographie, Sozialkunde und Wirtschaftslehre bieten gute Vernetzungsmöglichkeiten, wenn es um die intelligente und nachhaltige Energieversorgung von morgen geht.

Das Unterrichtsmaterial behandelt dabei das Thema Wasserstoff disziplinübergreifend. Schwerpunkte sind die Bedeutung von Mobilität und Energie, die Ursache von Klimaproblemen, die regenerative Energieerzeugung, Wasserstoff als Energieträger der Zukunft in der mobilen und stationären Anwendung und die Umstellung auf eine Wasserstoffwirtschaft.

BMW CleanEnergy im Verkehrszentrum des Deutschen Museums

Als Gründungsmitglied des Verkehrszentrums des Deutschen Museums in München informiert die BMW Group dort über die Wasserstoff-Mobilität von morgen. Seit Frühjahr 2003 zeigt das Projekt BMW CleanEnergy, wie Wasserstoff die Mobilität der Zukunft ermöglicht. Die Besucher des Verkehrszentrums lernen in unterhaltsamer Form die Erzeugung, Verteilung, Speicherung und den Einsatz von Wasserstoff kennen. Interaktive Exponate zeigen, wie Strom aus erneuerbaren Energien Wasser aufspaltet und so das Wasserstoff-Gas erzeugt. Die Tankstelle der Zukunft demonstriert, wie der tiefgekühlte Kraftstoff in den Autotank kommt, und natürlich darf auch das Herzstück nicht fehlen: der Prototyp des ersten Wasserstoff-Serienautos der Welt, ein BMW 7er. An einem Touch-Screen kann der Besucher die Technik des Wasserstoff-Fahrzeugs genauer betrachten: Motor, Tank und Leitungen bis hin zur Abgasanlage. Das – über Internet steuerbare – H2-Labor, Filme und Grafiken ergänzen das Bildungsangebot. Auf diese Weise erhält der Betrachter eine Vorstellung davon, welche Vorteile Wasserstoff hat und schärft sein Bewusstsein dafür, welche Voraussetzungen die Gesellschaft noch schaffen muss, damit der Kraftstoff der Zukunft Realität werden kann.

BMW CleanEnergy Projekte in China.

Seit April 2004 steht den chinesischen Universitäten eine Informationsmappe in Mandarin mit dem Titel „Expertenwissen Wasserstoff“ zur Verfügung. Ein BMW CleanEnergy Internetportal stellt in chinesischer Sprache zudem sicher, dass dieses Informationsmaterial in China flächendeckend abgerufen werden kann. Die Informationskampagne ist Teil des Projektes BMW CleanEnergy in China. Um die Einführung von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft in einer der größten Volkswirtschaften der Welt zu untersuchen, plant die BMW Group eine Vielzahl an Aktivitäten. So erarbeiten BMW Experten zusammen mit deutschen und chinesischen Partnern die Möglichkeiten der Umsetzung einer Wasserstoff-Infrastruktur in China.

BMW CleanEnergy Ausstellung im Science & Technology Museum in Peking.

Als Beitrag zu Verbreiterung der Wissensbasis in der Öffentlichkeit hat die BMW Group zusammen mit dem Science & Technology Museum in Peking eine BMW CleanEnergy Ausstellung realisiert. Das Ausstellungskonzept folgt der Ausstellung, die die BMW Group zusammen mit dem Deutschen Museum verwirklicht hat. Sie zeigt den vollständigen Wasserstoff-Kreislauf beginnend mit der Produktion, Verteilung, Betankung und schließlich der Nutzung im Fahrzeug.

Forschungsergebnis: Wasserstoff hat hohe Akzeptanz als Kraftstoff.

Für die breite Einführung von Wasserstoff-Fahrzeugen muss Wasserstoff als Kraftstoff von der Gesellschaft angenommen werden. Das Berliner Institut für Mobilitätsforschung hat die Einstellung der Bevölkerung in einer umfangreichen Studie untersucht und kam bereits Ende der 90er Jahre zu dem Schluss, dass Wasserstoff eine hohe Akzeptanz genießt. Allerdings ist das Wissen über Wasserstoff beschränkt, speziell Jugendliche sind wenig über die vielfältigen Möglichkeiten der Wasserstoffnutzung informiert. Hier leistet das von der BMW Group herausgegebene Unterrichtsmaterial einen wichtigen Beitrag.

Im Rahmen einer Befragung stellte sich heraus, dass das auf die Akzeptanz Einfluss nehmende „Image“ dieses Energieträgers neutral ist. Obwohl die Risiken von Wasserstoff beim Betrieb von Fahrzeugen im Vergleich zu Benzin und Diesel subjektiv höher eingeschätzt werden, unterstützten die Befragten die Ansicht, dass Wasserstoff in Zukunft die konventionellen Kraftstoffe ersetzen sollte. Seine Einführung für den Betrieb eines Allround- oder Hightech-Fahrzeugs würde den Prozess beschleunigen. Der gesellschaftliche und persönliche Nutzen wird in erster Linie im Beitrag zum Umweltschutz gesehen.
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Alt 14.11.2004, 12:05     #10
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9. Alternativen: Weitere von der BMW Group untersuchte Antriebsarten.

Im Rahmen der Energiestrategie haben BMW Wissenschaftler und Ingenieure neben dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor auch weitere alternative Antriebskonzepte untersucht und vielversprechende Ansätze bis ins Prototypenstadium entwickelt.

Hybridantrieb.

Ein Versuch, systemübergreifend Nachteile zu kompensieren und Vorteile zu addieren, ist der Hybridantrieb. BMW hat bereits 2003 einen Extremansatz durchgespielt: Dabei unterstützt ein Elektromotor, der in einem BMW X5 Experimentalfahrzeug zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe integriert ist, den konventionellen Antrieb beim Beschleunigen. Als Energiespeicher dienen Hochleistungskondensatoren. Mit dem Forschungsfahrzeug wurden einerseits ein bis dahin unerreichtes Ansprechverhalten und eine Drehmomenterhöhung auf 1000 Nm im unteren Drehzahlbereich erreicht. Andererseits erzielt das Fahrzeug im Testfahrzyklus eine Verbrauchssenkung um bis zu 15 Prozent.

In Zukunft ist ein kompaktes „Aktivgetriebe“ vorstellbar, das in einem Block sowohl den Elektromotor als auch die Leistungselektronik in das Getriebe integriert und damit das Zusatzgewicht und den Bauraum für das System deutlich verringert. Hochleistungskondensatoren in den Türschwellern könnten zu einem weiteren Vorteil beitragen. Die Kondensatoren weisen im Vergleich zu Batteriesystemen deutlich höhere Lade- und Entladeraten auf. Elektrische Eingriffe in den Antriebsstrang können darüber hinaus Fahrsituationen wie Stop & Go-Verkehr oder Beschleunigungen optimieren.

Beim seriellen Hybrid sind Verbrennungsmotor, Generator, elektrischer Speicher und der mit dem Antriebsstrang verbundene Elektromotor im Energiefluss hintereinander geschaltet (seriell). Der Verbrennungsmotor kann auf den Bereich mit dem besten Wirkungsgrad optimiert werden und wird nur gestartet, wenn die Batterie den momentanen Energiebedarf nicht mehr decken kann.

Die Herausforderung für die Ingenieure besteht darin, den Bauraumbedarf und das Gewicht – beide steigen vor allem durch die zusätzliche Antriebsbatterie – in den Griff zu bekommen. Dazu kommen die beiden in ihrer Funktion teilweise doppelt ausgeführten Antriebsstränge. Das komplexe Zusammenwirken der beiden Teilsysteme führt schließlich auch zu höheren Aufwendungen für Management und Entwicklung des Gesamtfahrzeugs. Damit sprechen zwei entscheidende Argumente gegen den Hybridantrieb: Als „Add-On“-Lösung macht er das Fahrzeug nicht nur schwerer, sondern auch teurer. Alle Konzepte der intelligenten Elektrifizierung sind deswegen immer nur eine ergänzende Lösung zur Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors.

Elektroantrieb.

Mit die älteste alternative Antriebsart ist der Elektroantrieb. Er ist frei von gasförmigen Abgasemissionen und gilt als umweltfreundlichste Antriebsart. Dies trifft allerdings nur dann zu, wenn der Strom vollständig „ökologisch“ gewonnen werden kann.

Die BMW Group hat bereits 1991 mit dem E1 ein innovatives Konzept für Elektrofahrzeuge realisiert. Es eignet sich in Größe und Reichweite vor allem für den Einsatz in Städten und Ballungsräumen. Dort spielen die prinzipbedingten Nachteile des Elektromotors eine untergeordnete Rolle: Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor entwickelt der Elektromotor seine größte Kraft im unteren Drehzahlbereich. Bei typischen Autobahngeschwindigkeiten erreicht er aber nicht annähernd die Dynamik und Agilität eines Verbrennungsmotors.

Die Weiterentwicklung des Elektroautos ist im Übrigen untrennbar mit der Leistungsfähigkeit der Batterie verknüpft. Nach wie vor unzureichend erfüllen die Batteriesysteme die Anforderungen, die mit dem Einsatz in einem Straßenfahrzeug verbunden sind. Ungelöst blieb bisher beispielsweise der Zielkonflikt zwischen Energie- und Leistungsdichte. Hochtemperaturbatterien können bei gleichem Gewicht dreimal mehr Energie speichern als Bleibatterien, erlauben aber nicht die hohe Leistungsentnahme etwa einer Nickel-Metallhydrid-Batterie. Für eine Reichweite von 200 Kilometer müsste man ein Batteriegewicht von etwa 500 Kilogramm einkalkulieren. Auch die Schnellladefähigkeit ist unzureichend, so dass „Tankstops“ nur über Nacht sinnvoll möglich sind. Auch die Brennstoffzelle als chemische Batterie erfordert nach wie vor hohe Zugeständnisse bei Gewicht und Kosten.

Erdgasantrieb.

Erdgas besteht im Wesentlichen aus Methan (CH4) und ist in seinen fahrzeugrelevanten Eigenschaften dem Wasserstoff sehr ähnlich. Im Vergleich zum Benzinbetrieb entstehen bei der Verbrennung im Motor rund 20 Prozent weniger Kohlendioxid (CO2). Da die Aufbereitung und Bereitstellung des Erdgases vom Förderort zu den Tankstellen mit höheren CO2-Emissionen verbunden ist als die konventionelle Kraftstoffbereitstellung von Benzin oder Diesel, ergibt sich jedoch in Summe eine CO2-Einsparung von nur circa 10 bis 15 Prozent gegenüber benzinbetriebenen Fahrzeugen. Die BMW Group bot ab 1995 als erster europäischer Pkw-Hersteller Serienfahrzeuge mit Erdgasantrieb an, die bivalent, also wahlweise mit Erdgas oder Benzin betrieben werden können. Der mit komprimiertem Erdgas CNG fahrende 316 g war eines der saubersten Autos der Welt, er erfüllte von Anfang an die weltweit strengsten kalifornischen Abgas-Grenzwerte von 2003.

Die gewonnenen Erkenntnisse zeigen für den Erdgasantrieb langfristig jedoch keine zielführende Perspektive: Ein mit Erdgas betriebenes Fahrzeug emittiert noch immer in nennenswerter Menge Kohlendioxid. Zudem ist Erdgas ein fossiler und damit begrenzt verfügbarer Energieträger. Die Notwendigkeit, eine Erdgas-Infrastruktur mit Tankstellen aufzubauen, lässt den Zwischenschritt über Erdgas auf dem Weg zum Wasserstoff als unrentabel erscheinen. Auch hat sich die Marktakzeptanz von Ergasautos als begrenzt herausgestellt. Die BMW Group hat deshalb sein Angebot an Erdgasfahrzeugen wieder eingestellt. Sinnvoller ist der direkte Schritt in die Wasserstoffwelt.

Diesen Weg setzt die BMW Group mit der Serienentwicklung des Wasserstoffautos mit Verbrennungsmotor und dem konsequenten Bekenntnis zu Wasserstoff als nachhaltigem Energieträger der Zukunft weiter fort.
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