Der BMW Hydrogen 7 Der Energiespeicher: Doppelwandiger
Flüssigwasserstoff-Tank mit Vakkuum-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.
Wasserstoff-Tank im BMW Hydrogen 7
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).
Grafische Darstellung der Lage des
Wasserstofftanks, sowie weitere wichtiger Antriebskomponenten
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.
Quelle: BMW Presse-Information vom 13.11.2006
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