BMW-Hybrid mit Brennstoffzellen
Wer kolportierte, BMW sei aus der Entwicklung der Wasserstofftechnologie ausgestiegen, den belehrten die Münchner dieser Tage eines Besseren. Ihre Tochter BMW Forschung und Technik GmbH stellte anlässlich ihres 25-jährigen Bestehens erstmals ein 1er-Modell mit neuartiger Hybridtechnik für 60 km elektrischer Stadtfahrt vor: Antrieb vorn Benziner, hinten E-Maschine, Supercaps als Energiespeicher – Strom liefern H2-Brennstoffzellen.
„Efficient Dynamics“ steht bei der BMW Group für innovative Wege zur Reduzierung von Energieverbrauch und Emission. Anlässlich ihres 25-jährigen Bestehens präsentierte die BMW Forschung und Technik GmbH, München, dieser Tage erstmals einen Prototyp mit einer neuartigen Brennstoffzellen-Hybridtechnologie, die im Rahmen der Strategie „Efficient Dynamics“ entwickelt wird.
Das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug sei mit dem Ziel einer emissionsfreien Mobilität im Stadtverkehr konzipiert worden und orientiere sich eng an den Erfordernissen des Alltagsverkehrs, so BMW. Zugleich könne der Prototyp als innovativer Ansatz für die Nutzung von Wasserstoff (H2) als Energieträger gelten.
Das Forschungsfahrzeug hat als Frontantrieb einen 88-kW-Vierzylinder-Benziner und einen 82-kW-Elektromotor, der die Hinterachse antreibt. Die kleine H2-Brennstoffzelleneinheit als Stromlieferant, die BMW Auxiliary Power Unit (APU) nennt, wurde in den Motorraum integriert. Zur Batterieeinheit gehören 148 Doppelschichtkondensatoren, „Supercaps“, die anstelle des Getriebes und des konventionellen Antriebstrangs im Mitteltunnel untergebracht sind. Ein spezieller H2-Druckgastank (200 bar) ist unterhalb der Fondsitze angeordnet. Die Kombination des Verbrennungsmotors mit Brennstoffzellen schafft laut BMW die Möglichkeit, beide Antriebstechnologien mit einem jeweils optimalen Wirkungsgrad zu nutzen.
Die Brennstoffzelleneinheit ist in ihrer Konzeption auf den Einsatz bei niedrigen Geschwindigkeiten abgestimmt. Auf Überlandfahrten mit höherem Tempo böte der Benzinmotor die Leistungsvorteile, die die BMW-typische Souveränität des Gesamtkonzepts sichere.
Die APU hat eine Leistung von max. 5 kW und liefert kontinuierlich Strom, der in den Supercaps gespeist wird, zusätzlich erhalten sie den in den Schub- und Bremsphasen vom Generator (Elektromotor) erzeugten Strom. Die zurückgewonnene Bremsenergie steht für die nächsten Beschleunigungsvorgänge wieder zur Verfügung und bewirkt eine weitere Verbrauchsreduzierung.
Die Supercaps vom US-Unternehmen Maxwell Technologies Inc. würden sich durch eine herausragend hohe Leistungsdichte und Zyklenfestigkeit auszeichnen. 148 Doppelschichtkondensatoren (jeweils 2000 F und 2,7 V DC) decken laut BMW die Leistungsspitzen für Beschleunigungsvorgänge und Ampelstarts ab.
Im Einsatz überzeugt der Brennstoffzellen-Hybrid, erklärte Wolfgang Strobl, Leiter Projekte Antriebstechnik der BMW Forschung und Technik GmbH, den VDI nachrichten. Der Elektromotor und das unmittelbar beim Anfahren wirkende hohe Drehmoment sorge für BMW-typische, sportliche Fahreigenschaften im rein elektrischen Betrieb und die im Stadtverkehr erzielten Reichweiten von 50 km bis 60 km stimmen zuversichtlich, so Strobl, der noch keinen Wert über den niedrigen Verbrauch sagen wollte. Als Ziel für die nächste Ausbaustufe gilt eine elektrische Reichweite von mehreren 100 km im Stadtverkehr.
Beim zweitürigen Prototyp aus der 1er-Baureihe resultieren im Innenraum keinerlei Einschränkungen gegenüber dem Serienmodell. Er bleibt uneingeschränkt ein Fünfsitzer. Ein etwas verkleinerter Benzintank macht Platz für den H2-Druckgastank. Selbst das Gewicht des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs liegt nur wenig über dem Wert eines entsprechenden Serienmodells.
Die Brennstoffzellentechnologie wird bei BMW seit 1997 erforscht und weiterentwickelt. Entschieden hat man sich für die Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzellen- technologie, weil von Beginn an die Nutzung in Form einer APU mit vergleichsweise kompakten Abmessungen und einem möglichst geringen Gewicht im Mittelpunkt stand. Schon das Wasserstoffkonzeptfahrzeug BMW 750hL von 2000 hatte eine Brennstoffzelleneinheit zur Stromerzeugung für das Bordnetz. Den Ansatz, die kleine Brennstoffzelle als Quelle für die Stromversorgung an Bord zu nutzen, sehen die Forscher bei BMW als das ökonomisch sinnvolle Einführungsszenario in Verbindung mit dem Verbrennungsmotor.
Die BMW Forschung und Technik GmbH stellt bereits die vierte Generation von APU-Einheiten zur Verfügung. Unter automobilen Lastzyklen wurde ihre Lebensdauer und der insgesamt 42 Brennstoffzellen auf mittlerweile 5000 h gesteigert. Die Systemkomplexität reduzierte man Schritt für Schritt, sodass heute eine robuste Brennstoffzelleneinheit bereit steht. Sie arbeitet laut BMW nahezu bei Umgebungsdruck, erzielt einen Systemwirkungsgrad von 58 % und das über eine große Leistungsbandbreite. Durch ihr spezielles Design können rasche Laständerungen, wie sie etwa bei der APU-Anwendung auftreten, von nahezu Leerlauf auf Volllast innerhalb von 5 ms bedient werden.
Einer der wichtigsten Punkte bei der Einführung der Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle ist ihre Froststartfähigkeit nach längerer Stillstandszeit bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Durch eine geschickte Zellauslegung, so BMW, kann auf eine externe Befeuchtung der Gase verzichtet werden, sodass das System bereits nach 30 s das Fahrzeug mit Strom versorgen kann. Intensive Einsatztests, teils unter extremen Schräglagen, zeigten nach mehreren Hundert Froststarts keine sukzessive Verringerung ihrer technischen Leistungswerte, was die Technologiereife für den Autoeinsatz bestätige. W. PESTER
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