BMW setzt Pilotflotte von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen ein – The Detroit Bureau

BMW ist Feldtest des iX5 Hydrogen Version des iX SUV, angetrieben von einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die Strom direkt an Elektrofahrzeugmotoren liefert. 

Im Rahmen einer Partnerschaft zur Entwicklung von Brennstoffzellenantrieben bezieht die BMW Group ihre einzelnen Brennstoffzellen von der Toyota Motor Corp. und Luftpumpen von Garrett Motion. Toyota hat bereits einen vermarktet Serien-Brennstoffzellenfahrzeug Mirai, in ausgewählten Märkten seit 2014. 

Mit den Toyota-Zellen produziert die BMW Group in ihrem Münchner „Kompetenzzentrum“ für Wasserstoff hocheffiziente Brennstoffzellensysteme. Die Brennstoffzellensystemtechnologie ist eine der wichtigsten Komponenten im BMW iX5 Hydrogen und BMW geht davon aus, dass diese Arbeit die Transformation des gesamten Mobilitätssektors beeinflussen wird. 

„Wasserstoff ist das fehlende Puzzleteil, wenn es um emissionsfreie Mobilität geht. Eine Technologie allein wird nicht ausreichen, um weltweit klimaneutrale Mobilität zu ermöglichen“, sagte Oliver Zipse, Vorstandsvorsitzender der BMW AG. 

Wie eine PEM-Brennstoffzelle funktioniert

Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) ist ein einfacher Festkörpergenerator. Im Inneren der Zelle befinden sich zwei Platten, die durch eine durchlässige Membran getrennt sind. Die Platten sind gerillt, um den Gasfluss zu erleichtern, und mit einem leitfähigen Metall beschichtet. Das System leitet komprimierten Wasserstoff auf einer Seite der Membran und komprimierte atmosphärische Luft auf der anderen Seite. 

Die Membran ermöglicht den Übergang der Wasserstoffatome, entzieht den Wasserstoffatomen jedoch beim Durchgang die Elektronen. Die Elektronen wandern durch die Leiter zur anderen Seite der Zelle und erzeugen dort elektrischen Strom. 

Sobald es die Membran passiert, verbindet sich das Wasserstoffatom mit dem Sauerstoff in der atmosphärischen Luft, um Wasser zu erzeugen, und das Atom erhält ein Elektron zurück. Somit besteht die Leistung der Brennstoffzelle lediglich aus reinem Wasser und Strom. 

Die Herstellung von Brennstoffzellen erfolgt in zwei Schritten: Zunächst werden die einzelnen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt. Anschließend werden alle weiteren Komponenten zu einem kompletten Brennstoffzellensystem zusammengebaut. Für das neue Brennstoffzellensystem hat die BMW Group spezielle Wasserstoffkomponenten entwickelt. Dazu gehört die Zusammenarbeit mit Garrett an der Entwicklung eines hochdrehenden Kompressors, der normale atmosphärische Luft durch die Brennstoffzelle drückt. 

„Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger, der eine Schlüsselrolle bei der Energiewende und damit beim Klimaschutz spielt. Schließlich handelt es sich um eine der effizientesten Möglichkeiten, erneuerbare Energien zu speichern und zu transportieren. Dieses Potenzial sollten wir nutzen, um auch die Transformation des Mobilitätssektors zu beschleunigen“, sagt Zipse. 

Die Herausforderung des Brennstoffzellensystems besteht darin, dass freie Wasserstoffatome, obwohl sie das häufigste Element im Universum sind, auf der Erde selten sind, da sie dazu neigen, sich mit Sauerstoffatomen zu Wasser zu verbinden. Obwohl es auf dem Planeten buchstäblich Ozeane aus Wasserstoff und Sauerstoff gibt, ist für die Spaltung dieser Moleküle mehr Energie erforderlich, als wir durch eine Brennstoffzelle zurückgewinnen können. 

Allerdings haben globale politische Veränderungen, Fortschritte in der Brennstoffzellentechnologie und strengere Emissionsvorschriften zu einem schnell wachsenden Interesse an wasserstoffbetriebenen Elektrofahrzeugen beigetragen. Nach Angaben des Hydrogen Council wurden allein in den letzten zwei Jahren mehr als 500 Milliarden US-Dollar an neuen Wasserstoffprojekten finanziert.

Das Brennstoffzellensystem von BMW

Der zur Versorgung der BMW-Brennstoffzelle benötigte gasförmige Wasserstoff wird in zwei 700-bar-Tanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gespeichert. Zusammen fassen sie sechs Kilogramm Wasserstoff, was dem BMW iX5 Hydrogen eine Reichweite von 313 Meilen beschert gemessen im WLTP-Zyklus. Das Betanken der Wasserstofftanks dauert mit den aktuellen Wasserstoffbetankungssystemen, wie sie in Südkalifornien verfügbar sind, nur drei bis vier Minuten. 

Während des Betriebs wird der Wasserstoff bereits in den Tanks komprimiert, während die Luftkomponente durch Garretts modularen Brennstoffzellenkompressor der neuen Generation für Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge komprimiert wird.

„Seit vier Jahren arbeiten wir eng mit der BMW Group zusammen, um einen fortschrittlichen Wasserstoff-Brennstoffzellen-Kompressor zu entwickeln, der genau auf ihre Bedürfnisse zugeschnitten ist. Diese Bemühungen werden später in diesem Jahr in einem ausführlichen Test auf der Straße gipfeln“, sagte Craig Balis, Vizepräsident und Chief Technology Officer von Garrett.

In einem Brennstoffzellenfahrzeug richtet sich die erzeugte Strommenge nach dem jeweiligen Bedarf. Man kann es sich in dieser Hinsicht als vergleichbar mit Benzin vorstellen. Wenn Sie das Gaspedal betätigen, fordert das System mehr Strom an und die Brennstoffzellen reagieren. Der leistungsstarke elektrische Luftkompressor von Garrett liefert den variablen Luftstrom, der erforderlich ist, um die Leistungsdichte und Leistung des Brennstoffzellensystems von Moment zu Moment zu optimieren. 

Speziell für diese Anwendung ermöglicht ein neuer Turbinenexpander, der die Abfallenergie aus dem Auslass des Brennstoffzellenstapels zurückgewinnen soll, eine Reduzierung des Stromverbrauchs für die Luftkompression um bis zu 20 % im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellenkompressoren. Die modularen Hochleistungs-Brennstoffzellenkompressoren von Garrett basieren auf dem Know-how des Unternehmens im Bereich Turbo-Aerodynamik und arbeiten mit Geschwindigkeiten über 150,000 U/min, die über dem Branchenstandard liegen.

„Garrett ist ein Pionier der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Kompressortechnologie mit langjähriger Erfahrung in der Produktion und im Straßenverkehr. Die nächste Generation baut auf einem Erbe bahnbrechender Konstruktion und Technik auf, einschließlich unseres eigenen Hochgeschwindigkeits-Elektromotors, unserer Leistungselektronik und fortschrittlichen Steuerungen“, sagte Balis.

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• Quelle: https://www.thedetroitbureau.com/2023/06/bmw-fields-pilot-fleet-of-hydrogen-fuel-cell-vehicles/