HydroGen3: Resultat von Rekorden, Tests und

Meilensteine der Entwicklung
HydroGen3: Resultat von Rekorden, Tests und Know How
In wenigen Jahren vom rollenden Labor zum seriennahen Prototyp
Monaco. Die automobile Zukunft ist bei General Motors (GM) bereits heute im wahrsten
Sinne des Wortes erfahrbar - mit dem Brennstoffzellen-Fahrzeug HydroGen3. Denn das
innovative Technik-Konzept des auf dem Opel Zafira basierenden Fünfsitzers erlaubt nicht
nur ein problemloses Fahren mit Wasserstoff-Antrieb im Alltagsverkehr. Es lässt auch die
Produktion der Autos von morgen ein ganzes Stück näher rücken, weil es wesentliche
Anforderungen der Fertigungsfachleute von GM und Opel erfüllt. „Einen so schnellen
Fortschritt bei der Entwicklung des Brennstoffzellen-Automobils hätte man vor wenigen
Jahren noch für reine Utopie gehalten“, erklärt Larry Burns, GM Vizepräsident für
Forschung, Entwicklung und Planung.
Möglich machte die rasante Entwicklung die große Erfahrung, über die GM auf dem Gebiet
der Brennstoffzellen-Anwendung verfügt. Als erster Automobilhersteller präsentierte das
Unternehmen bereits Ende der 60er-Jahre ein fahrbares Fahrzeug mit dieser
zukunftsweisenden Technologie. Viele hundert Millionen Dollar flossen seither in deren
weitere Erforschung und Entwicklung.
Um die Fortschritte bei den Arbeiten an dem Umwelt und Ressourcen schonenden
Antriebskonzept zu beschleunigen, wurden 1997 drei Entwicklungszentren in Honeoye
Falls bei Rochester im US-Bundesstaat New York und in Warren (Michigan) sowie in
Mainz-Kastel (Deutschland) gegründet. Später kamen die Elektroantrieb-Spezialisten vom
GM Advanced Technology Center in Torrance, Kalifornien, und ein Büro in Tokio dazu.
Heute befassen sich die rund 500 Mitarbeiter der einzelnen Standorte mit
unterschiedlichen Schwerpunkten im gemeinsamen Brennstoffzellen-Programm unter dem
Namen GM Fuel Cell Activities (GM FCA): Warren betreibt die Grundlagenforschung, in
Honeoye Falls kümmert man sich um die Entwicklung der Brennstoffzelle sowie einzelner
Komponenten. Außerdem wird dort die Möglichkeit der Großserienfertigung des Stack
genannten Brennstoffzellen-Blocks untersucht. Die Mitarbeiter in Torrance bringen ihre
Expertise im Bereich elektrischer Antriebskomponenten mit ein, während das Team in
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Mainz-Kastel für die Systementwicklung, die Integration ins Fahrzeug und dessen
praktische Erprobung sowie die Entwicklung von Wasserstoff-Speichersystemen
verantwortlich ist.
Bei der Entwicklung des wegweisenden Antriebs-Konzepts für den HydroGen3 konnten die
Wissenschaftler und Ingenieure der Brennstoffzellen-Zentren auf eine Vielzahl von
Erkenntnissen und Erfahrungen zurückgreifen. Gesammelt wurden sie in erster Linie mit
dem Versuchsträger HydroGen1, der auf zuvor gebauten Studien basierte. Dieser im
Frühjahr 2000 vorgestellte Prototyp, bei dem ebenfalls der Opel Zafira Pate stand, wurde
erstmals von einer mit reinem Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen-Einheit mit
elektrischer Antriebsenergie versorgt. Dieser Stack - ein Block von 200 in Reihe
geschalteten Brennstoffzellen - entwickelte bis zu 80 kW Dauerleistung und ermöglichte
mit Hilfe des 55 kW
(75 PS) starken Drehstrom-Synchron-Elektromotors eine Beschleunigung aus dem Stand
auf Tempo 100 in rund 16 Sekunden sowie eine Höchstgeschwindigkeit von 140 km/h.
Erfolg: 15 Weltbestleistungen in der Wüste Arizonas
Dass bereits der HydroGen1 ein hohes Niveau technischer Entwicklung repräsentierte,
verdeutlichen aber nicht nur diese Leistungsdaten, sondern das zeigte sich auch im Mai
2001 im Rahmen eines umfangreichen Testprogramms auf dem GM-Prüfgelände in Mesa
im US-Bundesstaat Arizona: Trotz der extremen Hitze in der Wüste gelang es, bei den
Versuchsfahrten insgesamt 15 internationale Rekorde für Brennstoffzellen-Fahrzeuge
aufzustellen. Bei dem 24-Stunden-Marathon legte der Versuchsträger insgesamt 1.386,9
Kilometer mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 57,8 km/h zurück. Während der
Rekordfahrten wurden Lufttemperaturen von 38 Grad Celsius im Schatten gemessen, auf
dem Asphalt zeigten die Thermometer bis zu 65 Grad Celsius an.
Einen weiteren Beweis seines großen Potenzials lieferte HydroGen1 bei der „Michelin
Challenge Bibendum 2001” in Kalifornien, einem internationalen Wettbewerb für
umweltverträgliche Fahrzeuge. Als einziger Brennstoffzellen-Personenwagen im Feld fast
aller europäischen, amerikanischen und japanischen Hersteller erreichte der WasserstoffZafira bei einer rund 350 Kilometer langen Fahrt von Los Angeles nach Las Vegas das
Ziel. Zudem überzeugte der HydroGen1 bei Einzelwertungen in den Punkten Schadstoff-
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und Geräuschemissionen sowie Handling und wurde für die gelungene Integration des
Brennstoffzellen-Systems ins Fahrzeug mit dem „Bibendum-Design-Award“ ausgezeichnet.
Pluspunkte sammelte der Vorgänger des HydroGen3 auch im Rahmen einer Welttournee
auf vier Kontinenten bei über 600 Journalisten, Wissenschaftlern und Politikern, die
Testfahrten mit dem GM-Versuchsträger absolvierten. Höhepunkte dieser Weltreise als
Botschafter eines emissionsfreien Individualverkehrs der Zukunft waren der Einsatz als
Vorauswagen bei den Marathon-Wettbewerben der Olympischen Spiele in Sydney, sein
vielbeachteter Auftritt bei einem wissenschaftlichen Symposium in Chinas Metropole
Peking sowie die aktive Mitwirkung an der von der Industrie und der amerikanischen
Regierung gemeinsam ins Leben gerufenen California Fuel Cell Partnership. Insgesamt
haben die HydroGen-Fahrzeuge bei weltweiten Einsätzen in einer Reihe harter Test bisher
rund 75.000 Kilometer zurückgelegt.
Vorteil: Kooperation mit starken internationalen Partnern
Einen wichtigen Anteil an der Entwicklung von HydroGen3 hatte neben dem Know How
des gesamten Teams und den Erfolgen seines Vorgängers auch die Zusammenarbeit mit
einer Reihe von Partnerunternehmen. So kooperieren die Ingenieure und Wissenschaftler
auf dem Gebiet der Brennstoffzellen-Technologie beispielsweise bereits seit 1999 eng mit
dem japanischen Automobilhersteller Toyota im Rahmen einer
Forschungszusammenarbeit. 2001 vereinbarte GM zudem eine Allianz mit Suzuki.
Gegenstand ist die Anwendung der Zukunftstechnologie in Kleinwagen. Außerdem
bestehen Kooperationsvereinbarungen mit viel versprechenden und sich dynamisch
entwickelnden Technologie-Unternehmen, in die GM investiert. Im Einzelnen sind dies:
•
General Hydrogen - das Unternehmen befasst sich mit den infrastrukturellen Aspekten
der Wasserstoff-Wirtschaft.
•
Giner Electrochemical Systems - verfügt über große Erfahrung auf dem Gebiet der
Hochdruck-Membran-Elektrolyseure.
•
Hydrogenics Corporation - eine Fachfirma für Brennstoffzellen-Testeinrichtungen und
innovative Brennstoffzellen-Konzepte für spezielle Anwendungen.
•
Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide - entwickelt fortschrittliche
Hochdruck-Speichertanks für Wasserstoff.
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Packaging und Speicherung
Das Wasserstoff-Auto kann bald Hochzeit feiern
Serienfertigung rückt näher - Durchbruch beim Druckspeichertank
Die Entwicklung des Brennstoffzellen-Autos verläuft im Zeitraffer: Bei der Gründung der
GM-Forschungszentren 1997 ging es noch darum, alle notwendigen Komponenten unter
Laborbedingungen zum Laufen zu bringen. Der nächste Schritt war, die neuartige Technik
in fahrbare Prototypen zu integrieren. Der aktuelle Versuchsträger HydroGen3 nimmt nun
die Serienfertigung fest ins Visier: Die Zahl der Bauteile konnte soweit reduziert, im
Volumen verringert und integriert werden, dass sie alle unter die Fronthaube des auf dem
Opel Zafira basierenden Wasserstoff-Automobils passen. Und nicht nur das: Den
Ingenieuren gelang es zudem, sie zu einem so genannten PDU-Modul (Propulsion Dressup) zusammenzufassen: Die 15 Hauptbaugruppen werden wie die Elemente eines
herkömmlichen Verbrennungsmotor-Antriebs vormontiert und dann gemeinsam bei der
„Hochzeit“ von unten in die Karosserie eingeführt und verschraubt.
Dr. Wolf-Ulrich Herres, im deutschen Brennstoffzellen-Forschungszentrum von GM
verantwortlich für die Fertigunskonzept-Entwicklung, erklärt:: „Für die Konstruktion des
PDU-Moduls wurden konkrete Anforderungen der Großserienfertigung an die
Komponenten- und Systementwickler gestellt. So wurde für das PDU-Modul das gleiche
Antriebslagerkonzept wie für Verbrennungsmotoren realisiert. Es weist zudem identische
Aufnahmepunkte für Montagepaletten und Hochzeitsbock der Zafira-Serienfertigung auf.
Damit konnten wichtige Grundvoraussetzungen für eine zukünftige Integration des
Brennstoffzellen-Fahrzeugs in eine gemischte Großserienfertigung geschaffen werden. Im
nächsten Entwicklungsschritt wird jede Komponente, jedes Teilsystem sowie deren
Verbindung Montage- und Service-gerecht optimiert.“
Noch allerdings ist die innovative Antriebseinheit mit einem Gewicht von 300 Kilogramm
rund 100 Kilogramm schwerer als beispielsweise ein herkömmlicher Dieselmotor, und mit
Abmessungen von 75 x 70 x 55 Zentimetern (Breite x Höhe x Tiefe) auch noch etwas
voluminöser. Aber Herres ist sicher: „Im nächsten Optimierungsschritt, wenn wir uns jede
Schraube im Detail anschauen, kommen wir hier mit Sicherheit noch einmal ein ganzes
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Stück weiter.“ Sein Optimismus beruht auf Erfahrung. Denn gegenüber dem HydroGen1,
dessen Antriebskomponenten noch beträchtlichen Platz im Innenraum des Zafira
beanspruchten, gelang es, rund 150 Kilogramm einzusparen und damit einen Riesenschritt
in Richtung auf das Zielgewicht von 1.590 Kilogramm für das Gesamtfahrzeug zu machen.
Das prominenteste Bauteil, auf das beim HydroGen3 verzichtet werden konnte, ist die
Hochleistungs-Pufferbatterie. Dieser Energiespeicher diente beim HydroGen1 noch dazu,
Leistungsspitzen des Antriebs abzudecken, wurde jetzt aber überflüssig, weil die
Ingenieure das Brennstoffzellen-System dynamisch so optimiert haben, dass es den
Lastbedarf unverzüglich aus eigener Kraft bereitstellen kann. Dieser Fortschritt allein bringt
eine Gewichtseinsparung von fast 100 Kilogramm und weiterhin den Vorteil mit sich, dass
der Laderaumboden des Wasserstoff-Zafira jetzt dem Niveau des Serienmodells
entspricht. Damit steht im HydroGen3 der volle Gepäckraum des Zafira in der FünfsitzerAnordnung
(600 Liter) zur Verfügung.
Zweiter wichtiger Schritt: Durch die Optimierung der Architektur des gesamten
Brennstoffzellen-Systems reicht nun das durch die Reaktion von Wasserstoff und
Sauerstoff in den Zellen anfallende Wasser aus, um den Feuchtigkeitsbedarf der
Brennstoffzellen-Membranen zu decken. Das macht zusätzliche externe
Befeuchtungskomponenten für die Zellen überflüssig und bedeutet weitere Raum- und
Gewichtsvorteile. Weiterentwickelt wurde auch das elektrische Traktionssystem, das jetzt
wesentlich kompakter ausgelegt ist. Das komplette, aus Wechselrichter, Elektromotor
sowie Getriebe mit Parksperre und Differenzial bestehende Modul, das zwischen dem
Gleichspannungswandler und der Antriebswelle als Schnittstellen positioniert ist, wiegt
insgesamt nur 92 Kilogramm.
Anforderung: Flächendeckende Infrastruktur und geringere Kosten
Der große Fortschritt des gesamten HydroGen-Projekts in Richtung Serie wird auch in
scheinbar nebensächlichen Details deutlich. Hierzu gehört auch eine wesentliche
Komfortverbesserung, die der HydroGen3 gegenüber seinem Vorgänger aufweist: An Bord
des Versuchsträgers sorgt nun eine elektrisch betriebene Klimaanlage für angenehme
Temperaturen. Außerdem verfügt das Fahrzeug über ein komplettes Diagnosesystem, das
den Fahrer laufend über den Zustand aller Systeme informiert.
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Trotz aller Fortschritte wird es aber noch einige Jahre dauern, bis Brennstoffzellen-Fahrzeuge in regulären Preislisten auftauchen. Zwei entscheidende Hindernisse gilt es
zunächst zu überwinden: Der Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur zur Versorgung
mit Wasserstoff - und die Systemkosten. Hochgerechnet auf eine Jahresstückzahl von
100.000 Einheiten kostet die Brennstoffzellen-Technik heute noch zehn Mal so viel wie ein
vergleichbarer Verbrennungsmotor-Antrieb. Wesentliche Faktoren dabei sind die teilweise
teuren Materialien in der Brennstoffzelle selbst, die Technik zur Speicherung des
Wasserstoffs an Bord und einzelne Komponenten der Antriebseinheit.
Beim HydroGen3 fahren die Ingenieure bezüglich der Tanksysteme derzeit zweigleisig: Ein
Teil der Versuchsträger, „HydroGen3 liquid“ genannt, wird mit superisolierten Tanks für
tiefgekühlten (minus 253 Grad Celsius) flüssigen Wasserstoff ausgerüstet, weitere
Fahrzeuge mit Namen „HydroGen3 compressed 700“ haben Hochdrucktanks aus KarbonVerbundmaterial. „Beide Ansätze sind heute schon alltagstauglich und garantieren uns
dank der intensiven Entwicklungsarbeit der letzen Jahre Reichweiten zwischen 270
(Drucktank) und 400 Kilometer (Flüssigtank),“ weiß Dr. Josefin Meusinger, verantwortlich
für Wasserstoff-Speichersysteme. „Beide Systeme haben aber auch noch Nachteile, nicht
zuletzt durch die hohen Kosten für die Kryoventile bei der Flüssigspeicherung
beziehungsweise für die Kohlefaserwicklungen, mit denen die Drucktanks ummantelt sind.“
Bis zu 68 Liter beziehungsweise 4,6 Kilogramm Wasserstoff fasst der doppelwandige
Flüssigwasserstoff-Behälter, dessen Innenraum durch ein Hochvakuum zwischen äußerer
und innerer Wand gegen Wärmeleitung von außen isoliert ist. Zusätzliche Lagen dünner
Aluminiumfolie schützen zudem gegen Wärmestrahlungseinträge. Wie sein HochdruckPendant ist der Tank vor der Hinterachse unter der um 25 Millimeter erhöhten
Fondsitzbank untergebracht. Das Gewicht des gesamten Tanksystems (inklusive der
Ventile, Wärmetauscher und Halterungen) beträgt 90 Kilogramm. Ein vergleichbares
Gewicht (95 Kilogramm) hat das aus zwei Einzeltanks bestehende Druckspeichersystem,
das eine Gesamtmenge von 3,1 Kilogramm Wasserstoff aufnehmen kann.
Die Flüssigwasserstoff-Speicherung stellt mit der großen Menge gespeicherten
Wasserstoffs die naheliegende Variante für Vielfahrer dar, und das auch unter dem Aspekt
des so genannten Boil-offs. Damit bezeichnet man die Tatsache, dass sich auch mit der
besten Isolierung der Tankinhalt langsam erwärmt und dadurch gasförmiger Wasserstoff
aus dem parkenden Fahrzeug abgegeben werden muss. Vielfahrer kommen nicht in diese
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Situation, da sie diesen gasförmigen Wasserstoff zum Fahren verwenden können, bevor er
aus dem Tanksystem abgeblasen wird.
Fortschritt: 700-bar-Tank mit internationalen Zertifikaten
Dieses Boil-off-Phänomen gibt es beim Drucktank nicht. Hier hatten die Ingenieure mit der
Tatsache zu kämpfen, dass die speicherbare Menge Wasserstoff unmittelbar mit dem
maximal erlaubten Druck zusammenhängt - und der war bisher auf 350 bar begrenzt.
Parallel zur Entwicklung des HydroGen3 aber gelang hier ein wesentlicher Durchbruch: Im
Frühjahr 2002 gab der Technische Überwachungsverein (TÜV) erstmals einen 700-barTank frei. Das System wurde gemäß den Bestimmungen des EIHP (European Integrated
Hydrogen Project) validiert und zertifiziert und erfüllt gleichfalls den amerikanischen
Industriestandard „NGV2“ sowie die deutschen Richtlinien für Druckbehälter.
Der Tank ist das Ergebnis der ein Jahr zuvor beschlossenen Zusammenarbeit von Opel,
GM und der Firma Quantum, die auf Design, Entwicklung und Erprobung fortschrittlicher
Wasserstoff-Speichertechnologien für die Anwendung im Automobil spezialisiert ist. Das
von Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide Inc. entwickelte TriShieldTM-Konzept
zeichnet sich insbesondere durch eine nahtlose, wasserstoffundurchlässige innere Hülle,
eine Hochleistungs-Ummantelung aus Kohlefaserverbundmaterial und eine patentierte
Schutzwicklung aus.
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Brennstoffzelle und Antrieb
Kompaktes Kraftwerk sorgt für hohe Effizienz
Wirkungsgrad deutlich besser als bei Verbrennungsmotoren
Oberstes Ziel der HydroGen3-Entwicklung war neben der kompakten und modularen
Auslegung des Antriebssystems die Verbesserung seiner Leistungsfähigkeit und
Alltagstauglichkeit. Schon ein kurzer Blick auf das "Kraftwerk" des BrennstoffzellenAutomobils zeigt, wie erfolgreich die Ingenieure und Wissenschaftler der GMBrennstoffzellen-Zentren bei der Umsetzung dieser Vorgaben waren. Gleichzeitig macht er
auch deutlich, wie weit GM die Wasserstoff-Technologie seit den ersten Anfängen vor über
30 Jahren auf dem Weg zur Serienreife entwickelt hat. Füllte damals das komplette
Antriebssystem noch einen ausgewachsenen Kleinbus, passen heute der BrennstoffzellenStapel - englisch Stack genannt -, der Elektro-Antriebsmotor sowie Nebenaggregate wie
Wärmetauscher und Kompressor unter die Fronthaube eines Opel Zafira.
Der von den GM-Spezialisten entwickelte Energiewandler besteht aus einem Block von
200 in Reihe geschalteten Einzel-Brennstoffzellen. Trotz des irreführenden Begriffs brennt
in diesen Zellen nichts, sondern in einem elektrochemischen Prozess reagieren
Wasserstoff und Sauerstoff räumlich getrennt mit Hilfe eines Katalysators zu Wasser.
Dabei wird die frei werdende chemische Energie dieser Reaktion zum Großteil in
elektrische Energie umgewandelt. Der Stack des HydroGen3 liefert bei einer
Prozesstemperatur von 80 Grad Celsius eine Dauerleistung von 94 kW, eine
Spitzenleistung von 129 kW und entwickelt je nach Belastungszustand eine elektrische
Gleichspannung zwischen 125 und 200 Volt.
Diese Spannung wird von einem Gleichspannungswandler auf 250 bis 380 Volt erhöht, von
einer Leistungselektronik in Wechselspannung umgerichtet und einem AsynchronDrehstrommotor zugeführt, der maximal 60 kW/82 PS leistet. Das Aggregat mit einem
maximalen Drehmoment von 215 Nm und einer Höchstdrehzahl von 12.000 min-1 treibt
über ein integriertes einstufiges Planetengetriebe mit einer Übersetzung von 8,67:1 die
Vorderräder des HydroGen3 an. Mit seinem nahezu geräuschlosen Antrieb beschleunigt
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der Brennstoffzellen-Zafira in rund 16 Sekunden von Null auf Tempo 100 und erreicht eine
Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h.
Mit seinen Abmessungen von 472 x 251 x 496 Millimetern (Länge x Breite x Höhe) ist der
HydroGen3-Stack gegenüber der im Vorgänger eingesetzten Brennstoffzellen-Einheit
(590 x 270 x 500 Millimeter) deutlich kleiner geworden. Dabei nahm die Leistungsdichte
des unter einem Druck von 1,5 bis 2,7 bar arbeitenden Brennstoffzellen-Blocks zu. Sie
beträgt 1,60 Kilowatt pro Liter beziehungsweise 0,94 Kilowatt pro Kilogramm gegenüber
Werten von 1,10 Kilowatt pro Liter und 0,47 Kilowatt pro Kilogramm beim HydroGen1. Die
neue Brennstoffzellen-Einheit zeichnet sich auch durch ein gutes Kaltstartverhalten aus:
Bei einer Temperatur von minus 20 Grad Celsius steht die volle Leistung bereits nach
30 Sekunden zur Verfügung – ein wichtiger Faktor im Hinblick auf die Alltagstauglichkeit
der Brennstoffzellen-Technologie im Automobil.
Favorisiert für Fahrzeuganwendungen wird heute die so genannte PEM-Brennstoffzelle,
wobei das Kürzel PEM für Polymer-Elektrolyt-Membran steht. Sie arbeitet bei
Temperaturen von nur 80 bis 90 Grad Celsius und setzt sich im Wesentlichen aus drei
Bauteilen zusammen: der Brennstoff-Elektrode (Anode), der Sauerstoff-Elektrode
(Kathode) und dem Elektrolyten, der den Ionentransport bei der chemischen Reaktion
übernimmt.
Und so läuft der elektrochemische Prozess in der Zelle ab: Wird die mit einem Katalysator
beschichtete Anode mit Wasserstoff umspült, werden diesem die Elektronen entzogen. Die
Wasserstoff-Ionen, die Protonen, wandern durch den Elektrolyten, das heißt durch die
Polymer-Membran, in Richtung Kathode und verbinden sich dort mit Luftsauerstoff zu
Wasser. Die Elektronen, die an der Anode entstehen, können auf ihrem Weg zur Kathode
elektrische Arbeit leisten. In größerer Anzahl zu einem Block in Reihe geschaltete
Einzelzellen generieren auf diese Weise genügend Leistung für den Antrieb eines
Elektromotors.
Ziel: Laufleistung von über 160.000 Kilometern
Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit des HydroGen3 sind die
ausgezeichneten Fahrzeug-Wirkungsgrad-Werte, also die Energieausnutzung des
Antriebs. So erreicht der Versuchsträger beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von
100 km/h einen Wirkungsgrad von deutlich über 40 Prozent. Damit liegt er – ebenso wie in
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anderen Tempobereichen – deutlich über dem eines modernen Diesel-Fahrzeugs. Im
Europäischen Fahrzyklus ergibt sich für den HydroGen3 ein Wirkungsgrad von 36 Prozent,
während ein Direkteinspritzer-Diesel gleicher Leistung nur 22 Prozent erreicht. Und dies
bei Null CO2-Emissionen im Gegensatz zu 177 Gramm CO2-Ausstoß pro Kilometer beim
Diesel. Bei einer GM-Studie, die für 44 Kraftstoffpfade und 18 Antriebssysteme die
Energiebilanz und Treibhausgas-Emissionen von der Gewinnung der Primärenergie bis
zum Verbrauch im Fahrzeug („well-to-wheel“) untersuchte, schnitt der BrennstoffzellenAntrieb mit Wasserstoff als Kraftstoff ebenfalls am besten ab.
Warum solche Werte bei der Anwendung des vor über 160 Jahren von dem Briten Sir
William Robert Grove entdeckten Brennstoffzellen-Prinzips erst jetzt möglich wurden,
erklärt Dr. Erhard Schubert, Direktor des Brennstoffzellen-Entwicklungszentrums in MainzKastel: „In den vergangenen zehn Jahren sind die zentralen Fortschritte auf dem Gebiet
der Membrantechnologie erreicht worden, die für die Produktion der PEM-Brennstoffzelle
nötig waren. Hinzu kommt, dass die Computer-Technologie uns erst seit kurzem die
Modellierung von Brennstoffzellen-Systemen in Hochleistungsrechnern ermöglicht."
Fortschrittsfördernd waren seiner Ansicht nach außerdem ein heute tieferes Verständnis
für die in der Zelle ablaufenden Katalyseprozesse sowie Entwicklungen auf den Gebieten
der Oberflächentechnologie, der Fertigungsverfahren und der effizienten
Hochleistungselektronik.
Nicht zuletzt mit Hilfe derartiger Verfahren und Erkenntnisse wollen die GM-Ingenieure
auch erreichen, dass beim Serienstart der Automobile mit Wasserstoff-Antrieb für die
Käufer nicht nur in puncto Sicherheit und Komfort sowie Kosten und Fahrleistungen kein
Unterschied mehr zu herkömmlichen Fahrzeugen besteht, sondern auch bei der
Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit. Ihr Ziel: Wenn die GM-Brennstoffzellen-Autos in
großen Stückzahlen auf die Straße rollen, soll der Stack eine Betriebsdauer von
mindestens
5.500 Stunden haben. Das entspräche einer Fahrstrecke von rund 160.000 Kilometern.
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Tests und Sicherheit
Brennstoffzellen-Auto - und läuft und läuft und läuft ...
HydroGen-Prototyp hat bereits 75.000 Kilometer absolviert
Nur gut zwei Jahre nach der Jungfernfahrt des ersten Brennstoffzellen-Fahrzeugs auf
Basis des Opel Compact Van Zafira sind die Prototypen schon wahre Weltenbummler:
Rund 75.000 Testkilometer von der harten Sorte haben die Versuchsträger "HydroGen1"
und "HydroGen2" mittlerweile rund um den Globus zurückgelegt. Zu Gast waren sie dabei
in Australien und China, ihre Räder rollten durch die Wüsten-Hitze des US-Bundesstaates
Arizona und sie überstanden heftige Wolkenbrüche, holprige Pflasterstrecken sowie steile
Passfahrten in Italien und der Schweiz. Bernd Zerbe, im deutschen BrennstoffzellenZentrum in Mainz-Kastel verantwortlicher Ingenieur für diese Testtorturen: „Ein besonders
erfreuliches Ergebnis der Versuche war, dass nie ein Wasserstoffleck aufgetreten ist."
Und wenn doch? Auch dies hätte kein ungewöhnliches Gefahrenpotenzial für die
HydroGen3-Crew und ihre Umgebung bedeutet. Den Beweis dafür traten die Tester mit
einer Vielzahl von Experimenten an. Neben Wasserstoff-Ausbreitungs- und
Zündversuchen wurde in einem stillgelegten Felstunnel in Norwegen der schlimmste aller
denkbaren Unfälle simuliert: Aus einem Leck im Tank des Brennstoffzellen-Automobils
entweichen nach einem Crash große Mengen Wasserstoff. Die Fragestellung: Kommt es
zu einer Explosion? Und zwar unmittelbar nach Austritt des Gases oder etwa 15 Minuten
später. Die Antwort: In beiden Fällen bildet sich kein zündfähiges Gemisch. Zerbe: „Das gilt
auch für einen Tunnel ohne zusätzliche Belüftung, weil die Luftströmung auch ohne
Ventilatoren immer groß genug ist." Der Grund: Anders als Benzindämpfe, die sich am
Boden konzentrieren, ist Wasserstoff sehr flüchtig und verteilt sich extrem schnell.
Vorgeschrieben sind solche Tests für Brennstoffzellen-Fahrzeuge übrigens nicht, denn
bisher gibt es noch kein gesetzliches Regelwerk. Deshalb erarbeiteten sich die
Sicherheits-Experten von GM einen eigenen Katalog. Dabei bewerten sie auf einer
Gefahren-Skala von eins bis zehn die Effekte, die ein möglicher Fehler auslösen würde beispielsweise in der großen Fahrzeughalle eines Flottenbetreibers. Und ebenso wie für
die heimische Garage lautete nach vielfältigen Versuchen, Simulationen und
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Berechnungen das Resultat: Die Sicherheits- und Verfahrenstechnik ist unterschiedlich zu
Benzin, aber das Gefährdungspotential nicht größer.
Aber nicht nur in puncto Wasserstoff stellen die HydroGen-Fahrzeuge kein erhöhtes Risiko
gegenüber herkömmlichen Automobilen dar, sondern auch in Sachen passive Sicherheit.
Rund 20 detaillierte Crash-Simulationsläufe am Rechner sowie ein realer Frontalaufprall
mit 56 km/h mit 40 Prozent Überdeckung gegen die deformierbare Barriere mit einem
nahezu komplett ausgestatteten Fahrzeug brachten die Erkenntnis: In allen
Konfigurationen (Frontal-, Seiten- und Heckaufprall) erfüllen die Wasserstoff-Zafira schon
jetzt die gesetzlichen Vorgaben für Europa. Johannes Diehl, zuständiger Ingenieur in
Mainz-Kastel: „Bei diesem Frontalcrash wurde deutlich, dass das Package der
Brennstoffzellen-Einheit hinsichtlich der Crashsicherheit Fahrzeugen mit
Verbrennungsmotoren in keiner Weise nachsteht. Durch eine gute Abstützung am
Vorderachsträger konnten wir - trotz des derzeit gegenüber einem Serienmodell 200
Kilogramm höheren Gewichts - eine starke Deformation der Stirnwand verhindern.“
Zur Freude des Sicherheits-Spezialisten übertrafen die Test-Ergebnisse nicht nur die
gesetzlichen Anforderungen, sondern auch die deutlich höher liegenden internen
Unternehmens-Anforderungen. Zu den besonderen Sicherheitseinrichtungen des
HydroGen3 gehört ein Ventil, das im Falle eines Unfalles nach einem Signal einer
Auslösesensorik die Wasserstoff-Zufuhr aus dem Tank absperrt. Trotz solcher bereits
erreichten hohen Standards ist für Diehl die Sicherheits-Entwicklung des HydroGen3 aber
noch lange nicht abgeschlossen.
Marter-Marathon: Umfangreiches Testprogramm rund um die Welt
Ähnlich positive Ergebnisse wie bei der Sicherheit stehen schon heute auch in Bereichen
wie Zuverlässigkeit und Haltbarkeit zu Buche. Dafür sorgte das umfangreiche
Testprogramm, das die HydroGen3-Vorgänger bisher absolvierten. Dazu gehörte unter
anderem ein mehrwöchiger Hitzetest mit Temperaturen bis zu 38 Grad im Schatten auf
dem
GM-Prüfgelände in Mesa, Arizona. Ihm Rahmen dieser umfangreichen Versuche wurden
zudem noch 15 internationale Geschwindigkeits- und Distanzrekorde für BrennstoffzellenFahrzeuge aufgestellt. Außerdem standen auf dem Programm der Versuchsträger
Dauerläufe auf dem norditalienischen Testgelände Balocco, bei denen die Probanden die
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unterschiedlichsten Straßen- und Fahrzustände erdulden mussten, sowie eine 24Stunden-Fahrt mit Dauer-Topspeed auf der Hochgeschwindigkeitsbahn des deutschen
Opel-Testgeländes in Dudenhofen. Zusätzliche Versuche durchliefen einzelne
Komponenten, die zu diesem Zweck in Zafira-Serienmodelle eingebaut waren.
Ein noch umfangreicherer Test- und Validierungsmarathon wartet auf die aktuellen
Versuchsträger. HydroGen3-Projektleiter Manfred Herrmann: „Allein in den letzten drei
Wochen haben unsere Fahrzeuge einen umfassenden Dauertestzyklus absolviert.“ Auf der
Agenda stehen unter anderem noch Kletterpartien zur Kontrolle des thermischen
Verhaltens bei Bergfahrten, Untersuchungen im Anhängerbetrieb sowie viele lange Aufund Abfahrten vom 2.758 Meter hohen Alpenpass „Stilfser Joch“. Notwendig sind sie, weil
der Elektromotor des Brennstoffzellen-Autos die Ingenieure vor ein besonderes Problem
stellt: Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor-Antrieb entwickelt er bei Bergabfahrt keine
Bremswirkung. Herrmann: “Wir haben schon einige intelligente Lösungen im Kopf. Deren
Wirkung wollen wir bei diesen Tests ausloten.“
Ganz anderer Natur als diese Bergtour ist das Kälte-Testpaket, das die Ingenieure des
Forschungszentrums für den HydroGen3 geschnürt haben. Es ist besonders umfangreich,
weil bei der chemischen Reaktion im Brennstoffzellen-Block Wasser anfällt, das zur
Befeuchtung der Membranen genutzt wird. Wie es am Gefrieren gehindert werden oder
beim Kaltstart schnell wieder aufgetaut werden kann, muss Schritt für Schritt entwickelt
und erprobt werden. Begonnen wird dabei mit Versuchen in der Kältekammer des OpelEntwicklungszentrums, bei denen die Temperatur nach und nach auf minus 20 Grad
Celsius abgesenkt wird. Später folgen dann die üblichen Fahrprüfungen in der Nähe des
Polarkreises.
Flottenversuch: Ab Frühjahr 2003 Bewährungsprobe in Japan und Berlin
Zusätzliche Erkenntnisse versprechen sich die Ingenieure und Wissenschaftler auch durch
den Alltagseinsatz der Brennstoffzellen-Automobile. Seit 2001 beteiligt sich GM unter
anderem mit einem HydroGen1 am Feldversuch der „California Fuel Cell Partnership“. Im
Jahr 2003 starten in Japan und Deutschland weitere Flottenversuche. Im Rahmen des
„Japan Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Projects“ (JHFC) in Tokio und der „Clean
Energy Partnership“ (CEP) in Berlin werden Opel und GM neben anderen Herstellern ihre
Brennstoffzellen-Fahrzeuge im täglichen Betrieb testen.
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„Well-to-wheel“-Studie für Europa
Treibhausgas-Emissionen: Brennstoffzelle bietet beste Lösung
Ergebnisse der umfangreichen Studie bestätigen Strategie von GM
Langfristig werden fossile Energieträger als Kraftstoffe für Automobile abgelöst. Bereits
bevor die natürlichen Vorkommen erschöpft sind, müssen alternative Antriebskonzepte die
individuelle Mobilität sichern. Aber auch die Entwicklung der Verkehrssituation - die
Vereinten Nationen schätzen, dass sich der weltweite Fahrzeugbestand bis zum Jahr 2030
auf rund 1,6 Milliarden Pkw und Lkw verdoppelt - sowie die Selbstverpflichtung der im
Verband der Europäischen Automobilhersteller (ACEA) zusammengeschlossenen
Unternehmen, die CO2-Flottenemissionen bis 2008 auf 140 Gramm pro Kilometer zu
verringern, veranlassen Industrie und Politik zum Umdenken.
Welche Alternative aber ist die beste? Dieser Frage gingen Opel und General Motors (GM)
bei einer umfassenden „Well-to-wheel“-Studie (von der Quelle bis zum Rad) zur Emission
von Treibhausgasen unterschiedlicher Antriebssysteme und Kraftstoffe nach. Die Studie
untersucht unter europäischen Bedingungen die komplette Kette von der
Treibstoffproduktion aus Basisstoffen bis zum tatsächlichen Verbrauch des Kraftstoffs im
Auto. Partner der GM-Experten in den USA und im deutschen Mainz-Kastel bei dem länger
als ein Jahr dauernden Projekt waren das Forschungsinstitut L-B-Systemtechnik GmbH
(LBST) in
Ottobrunn bei München und die Energieunternehmen bp, ExxonMobil, Shell und
TotalFinaElf. Die Ergebnisse bestätigen den vom GM-Konzern eingeschlagenen Weg,
beim Bemühen um eine nachhaltige Mobilität ohne Emissionen auf die mit Wasserstoff
betriebene Brennstoffzelle zu setzen. Folgerichtig arbeiten die Ingenieure und
Wissenschaftler der Brennstoffzellen-Forschungszentren unter dem Dach der GM Fuel
Cell Activities (GM FCA) dies- und jenseits des Atlantiks mit Hochdruck an dieser
zukunftweisenden Antriebstechnologie.
Die Kernaussage der Analyse, die für den projizierten Zeitraum um 2010 insgesamt
44 Treibstoffpfade sowie 18 konventionelle und alternative Antriebskonzepte überprüfte:
Am besten schneiden Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Wasserstoff als Kraftstoff ab.
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Optimal ist die Umweltbilanz, wenn der Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen beispielsweise Biomasse, Windkraft oder Solarenergie - gewonnen wird. In dieser
Prozesskette entstehen keinerlei Schadstoff- und Treibhausgas-Emissionen.
Als Referenzfahrzeug für die Studie diente der Opel Compact Van Zafira, da er bereits
heute mit Benzin-, Diesel-, Erdgas- und als „HydroGen3“ mit Brennstoffzellen-Antrieb
existiert. Im Rahmen der Forschungsarbeit haben die Experten die Energieträger Rohöl,
Erdgas, Elektrizität - aus klassischen Kraftwerken sowie aus erneuerbaren Quellen - und
Biomasse auf ihr Treibhausgas-Potenzial hin getestet. Ein Ergebnis: Bei ganzheitlicher
Betrachtung der Treibhausgas-Emissionen stellt sich als die optimale Nutzung von Erdgas
heraus, daraus Wasserstoff zur nachfolgenden Verwendung in der Brennstoffzelle
herzustellen. In geringerem Maße erweist sich auch der direkte Einsatz von Erdgas im
Verbrennungsmotor als positiv gegenüber Benzin- und Dieselmotoren. Die Verwendung
von aus Erdgas gewonnenem Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor bringt allerdings
keine Vorteile gegenüber Benzin- und Dieselmotoren mit sich. Außerdem wurde deutlich,
dass auf Methanol basierende Brennstoffzellen-Fahrzeuge solchen mit Diesel- und BenzinVerbrennungsmotoren und Brennstoffzellen-Fahrzeugen mit Benzinreformer-Systemen
nicht überlegen sind.
Die ökologisch beste Methode ist es, Wasserstoff mit Hilfe von regenerativ erzeugtem
Strom herzustellen und in der Brennstoffzelle einzusetzen. Diese Variante qualifiziert sich
mit fünf überzeugenden Merkmalen als das Antriebssystem der Zukunft:
•
Keine Schadstoffemissionen
•
Kein Kohlendioxid-Ausstoß
•
Geringer spezifischer Energieverbrauch durch sehr hohen Systemwirkungsgrad
•
Nahezu geräuschloser Betrieb des gesamten Systems
•
Großes Entwicklungspotenzial
„All diese Punkte machen klar, dass der Brennstoffzelle die Zukunft gehört - insbesondere,
wenn erneuerbare Energien bei der Wasserstoffgewinnung eingesetzt werden und eine
entsprechende Infrastruktur zur Verfügung steht,“ resümiert Larry Burns, GM Vizepräsident
für Forschung, Entwicklung und Planung. Nicht zuletzt deshalb engagiert sich GM in
zahlreichen Initiativen zum Aufbau der Wasserstoff-Wirtschaft wie zum Beispiel der
„Verkehrwirtschaftlichen Energie Strategie“ (VES), der „Clean Energy Partnership“ (CEP),
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der „California Fuel Cell Partnership“ (CaFCP), dem „Japan Hydrogen and Fuel Cell
Demonstration Project“ (JHFC) und dem „European Integrated Hydrogen Project“ (EIHP).
Um der umweltfreundlichen Brennstoffzellen-Technologie zum Durchbruch auf dem Markt
zu verhelfen, sind passende Rahmenbedingungen erforderlich. Hierzu gehören nach
Ansicht von Dr. Erhard Schubert, Direktor des Forschungszentrums in Mainz-Kastel, die
Schaffung eines flächendeckenden Netzes von Wasserstoff-Tankstellen in Europa für die
Grundversorgung mit diesem Energieträger, die Vereinfachung von
Genehmigungsverfahren für großindustrielle Energiegewinnungsanlagen aus
regenerativen Quellen - beispielsweise Off-shore-Windkraftparks - sowie die
Standardisierung von technischen Komponenten und die Vereinfachung von
Zulassungsverfahren. Dr. Schubert: „Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist die
Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige Mobilität im 21. Jahrhundert. Mit der Well-towheel-Studie haben wir diese Aussage wissenschaftlich verifiziert. Es gilt nun, die
technischen, politischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen zu schaffen, um
Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf den Markt zu bringen und für die Kunden attraktiv zu
machen.“