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Alt 15.11.2006, 11:46     #9
Hermann   Hermann ist offline
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Der Energiespeicher: Doppelwandiger Flüssigwasserstoff-Tank mit Vakuum-Superisolation.
  • Bahnbrechende Isolationseffizienz des Wasserstoffspeichers.
  • Doppelwandiger Tank minimiert Wärmeeintrag.
  • Sicheres Boil-off-Managementsystem.
Das bivalente Antriebskonzept des BMW Hydrogen 7 setzt die Integration zweier separater Kraftstoffspeicher voraus. Um eine maximale Reichweite zu erzielen, verfügt der BMW Hydrogen 7 über einen konventionellen Benzintank, der 74 Liter fasst, sowie über einen zusätzlichen Kraftstoffspeicher, der rund 8 Kilogramm (etwa 170 Liter) flüssigen Wasserstoff (LH2) aufnimmt. Die BMW Group setzt auf Wasserstoff in flüssiger Form, weil die Energiemenge des flüssigen Treibstoffs bezogen auf den Volumenbedarf des Tanksystems im Fahrzeug um mehr als 75 Prozent höher ausfällt als bei gasförmigem Wasserstoff, der in einem Druckgas-Tanksystem bei 700 bar gespeichert wird. Flüssig gespeicherter Wasserstoff ermöglicht aufgrund der höheren Energiedichte also eine deutlich höhere Reichweite des Fahrzeugs.

Der LH2-Speicher stellt neben dem bivalenten Motor im BMW Hydrogen 7 eine weitere bedeutende Neuentwicklung dar. Die besondere Herausforderung bei der Entwicklung dieses Tanksystems lag darin, dass Wasserstoff den flüssigen Zustand bei Umgebungsdruck erst bei einer Temperatur von minus 253 Grad Celsius erreicht und diese Temperatur im Tank möglichst lange gehalten werden muss. Um dies zu erreichen, wurde der Tank doppelwandig konstruiert, mit einer speziellen Superisolation ausgestattet und damit ein Hochvakuum erreicht.

Vakuum-Superisolation für den Tank.

Der Wasserstoffspeicher besteht aus einem Innen- und einem Außentank, beide sind aus jeweils 2 Millimeter starkem Edelstahlblech gefertigt. Zwischen dem Innen- und dem Außentank befindet sich eine 30 Millimeter starke Vakuum-Superisolation. Das Hochvakuum vermeidet eine Wärmeübertragung über Luft. Zur Vermeidung von ungewünschtem Wärmeeintrag befinden sich darüber hinaus im Zwischenraum Aluminiumreflexionsfolien und Glasfaserschichten, um die Wärmeeinstrahlung zu reduzieren. Die Aufhängung des Innen- im Außentank erfolgt über gering wärmeleitende Bänder aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK).

Die vakuumisolierte Zwischenschicht erreicht eine herausragende Isolationswirkung, vergleichbar mit einer etwa 17 Meter starken Styroporschicht. Diese Form der Isolation ermöglicht eine extrem hohe Temperaturkonstanz, wie ein anschauliches Beispiel verdeutlicht: Würde ein derartiger Speicherbehälter etwa mit kochendem Kaffee gefüllt, so bliebe dieser mehr als 80 Tage lang heiß. Erst danach wäre er auf eine Temperatur abgekühlt, bei der das Getränk trinkbar wäre. Ebenso kann der tiefkalte Wasserstoff im Wasserstoffspeicher lange Zeit bei einer Temperatur von etwa minus 250 Grad Celsius flüssig gehalten werden.


Boil-off-Managementsystem.

Ein geringer Wärmeeintrag lässt sich jedoch nie ganz vermeiden. Dies bewirkt, dass ein Teil des Wasserstoffs auf natürliche Weise verdampft. Dieser Vorgang wird als Boil-off-Effekt bezeichnet.

Die geringen Verluste durch Abdampfung treten jedoch erst nach einer Parkzeit von mehr als 17 Stunden auf. Danach erhöht sich der Druck im Kraftstoffbehälter, so dass der gasförmige Kraftstoff einem so genannten Boil-off-Management zugeführt werden muss. Es begrenzt den Tankinnendruck, indem es für eine kontrollierte Entnahme von bereits verdampftem Wasserstoff sorgt. Ein Druckanstieg über den Wert von 5,1 bar hinaus führt zu einer automatischen Öffnung eines Boil-off-Ventils, womit ein Überdruck im Tank ausgeschlossen wird. Der freigegebene gasförmige Wasserstoff wird in einem Venturirohr mit Luft vermischt und in einem Katalysator ohne zusätzlichen Energieaufwand zu Wasser aufoxidiert. Die als Standzeit bezeichnete Phase bis zur kontrollierten Entleerung eines zur Hälfte gefüllten Wasserstofftanks beträgt etwa 9 Tage. Danach verbliebe im Tank ausreichend Wasserstoff, um noch rund 20 Kilometer Wegstrecke im Wasserstoff- Modus zurückzulegen. Wird der BMW Hydrogen 7 zwischendurch im Wasserstoff-Modus gefahren, bewirkt die für den Motorbetrieb erforderliche Entnahme von Kraftstoff eine Reduzierung des Tankinnendrucks. Nach dem erneuten Abstellen des Fahrzeugs beginnt die 17-stündige verlustfreie Standzeit bis zum Eingreifen des Boil-off-Managements erneut.

Um für den Fall einer Beschädigung der Vakuum-Superisolation und der dadurch erfolgenden erhöhten Erwärmung vorzusorgen, wurde der Tank zusätzlich zum Boil-off-Ventil mit zwei redundanten Sicherheitsventilen versehen, die bei einem überdurchschnittlich starken Druckaufbau den gasförmigen Wasserstoff kontrolliert und dezentral in die Umgebung abblasen. Dabei werden die physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs genutzt. Weil Wasserstoff leichter ist als Luft, steigt er auf und verflüchtigt sich sogleich. Wenn das erste Ventil öffnet, wird der gasförmige Wasserstoff über die in den C-Säulen verlaufenden Sicherheitsleitungen zum Fahrzeugdach geführt. Über das zweite, erst bei höherem Auslösedruck ansprechende Ventil wird das Gas zum Fahrzeugunterboden geleitet und dort abgeblasen.

Im Fahrbetrieb des BMW Hydrogen 7 ist die definierte Umwandlung von flüssigem zu gasförmigem Wasserstoff ein permanenter Vorgang. Im LH2-Tank befindet sich neben dem flüssigen Wasserstoff stets ein Polster aus gasförmigem Wasserstoff. Dieses Polster ist notwendig, weil der Wasserstoff gasförmig dem Tank entnommen und dem Motor zugeführt wird. Außerdem wird das konstante Gas-Polster zum Starten des Motors genutzt, da dieser, immer automatisch im emissionsarmen H2-Modus startet. Der Wasserstoff gelangt durch das Druckgefälle über doppelwandige Leitungen in den Motor – diese Konstruktion macht eine Kraftstoffpumpe für Wasserstoff überflüssig.


Die Nebensystemkapsel.

Der Wasserstoff wird in tiefkaltem, gasförmigem Zustand aus dem Speicher entnommen und muss, bevor er für die äußere Gemischbildung im Verbrennungsmotor geeignet ist, erwärmt werden. Zu diesem Zweck wird das Wasserstoffgas zunächst in einen Wärmetauscher überführt, der sich in einer so genannten Nebensystemkapsel befindet, einem weiteren innovativen Bauteil im BMW Hydrogen 7. Sie ist ebenfalls doppelwandig ausgeführt und umkapselt neben dem Wärmetauscher die Sensorik für Druck und Temperatur sowie die Ventilblöcke.

Der Wärmetauscher nutzt die Wärme des Motors und arbeitet mit dem Wasser des Kühlkreislaufs. Liegt der Tankdruck unter dem für den Motorbetrieb erforderlichen Wert von 3 bar, wird ein Teil des erwärmten, gasförmigen Wasserstoffs durch den LH2-Behälter geleitet. Dieser Wärmeeintrag trägt zum weiteren Verdampfen eines Teils des flüssigen Wasserstoffs im Tank bei und der Druck steigt so wieder auf das erforderliche Niveau an.


Adaptierter Benzintank.

Für den BMW Hydrogen 7 wurde der Benzintank des BMW 760Li an den vorhandenen Bauraum angepasst, er fasst nun 74 Liter. Die Anpassung wurde notwendig, damit die LH2-Vorlaufleitungen vom Wasserstoffspeicher zur Sauganlage des Motors am Benzintank vorbeigeführt und der Kühlkreislauf für die Wasserstofferwärmung erweitert werden konnten. Außerdem entstand so der für die Zusatzwasserpumpe des Kühlkreislaufs benötigte Raum.
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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 16:58 Uhr)
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