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Effiziente Wasserstoffversorgung in der Brennstoffzelle eines Rennwagens läutet eine neue Ära ein

Effiziente, kompakte und sichere Wasserstoffversorgung in brennstoffangetriebenen Kraftfahrzeugen des Forze Hydrogen Racing Teams

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Forze

Ziel ist es, mit dem Experimentalfahrzeug auf der berühmten Nordschleife des Nürburgrings den Rekord für Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb zu brechen. Neben sportlichen Bestleistungen geht es aber auch um den Wettkampf mit benzinversorgten Fahrzeugen und dem Beweis, wie schnell grüne Technologie tatsächlich sein kann.

Im Laufe des vergangenen Jahrhunderts kamen viele Systeme für den Antrieb von Fahrzeugen zum Einsatz. Am Anfang der Motorsportgeschichte standen dabei auch Elektrofahrzeuge bereit. Heute werden diverse Ressourcen für den Motorantrieb genutzt: Benzin, Diesel, Biokraftstoffe, Erdgas, Strom und Wasserstoff. Die Entwicklungen der letzten Jahre führen uns deutlich vor Augen, wie wichtig nachhaltige Mobilitätslösungen sind. Die fossilen Brennstoffe gehen zur Neige, werden immer teurer und sind nicht umweltfreundlich. Inzwischen sind neue und nachhaltigere Systeme für den Antrieb von Fahrzeugen entstanden, darunter z. B. auch die Brennstoffzelle. Das Projekt „Forze“ betrachtet Wasserstoff als eine Zukunftslösung in puncto Antrieb, die aber auch für andere Anwendungen, z. B. im Haushalt, genutzt werden kann. Automobilhersteller wie Hyundai, Mercedes oder Honda entwickeln bereits Prototypen und wollen diese Technik ab 2015 auf den Markt bringen. In verschiedenen europäischen Ländern wird der Aufbau eines Tankstellennetzes mit Wasserstoff für solche Fahrzeuge geprüft. Deutschland ist ein gutes Beispiel: 2015 soll es bundesweit bereits 50 Wasserstofftankstellen geben. Rennwagen, die Wasserstoff tanken, sind jedoch nach wie vor selten. Derzeit arbeitet außer „Forze“ nur noch „Green GT“ an Hochleistungs-Rennwagen mit Brennstoffzellenantrieb. „Forze“ ist das einzige Studenten-Team der Welt, das an Hochleistungs-Brennstoffzellen für den Fahrzeugantrieb arbeitet.

Forze VI without body

Wasserstoff & elektrischer Strom

Elektrofahrzeuge können nicht nur mit Akkus, sondern auch mit Wasserstoff betrieben werden. Der Fahrer merkt zwischen Akku- und Wasserstoffantrieb kaum einen Unterschied. In beiden Fällen wird der Antriebsstrang von einem Elektromotor angetrieben. Der größte Unterschied ist der Kraftstoff: In einem Fall ist die Antriebsenergie in einem Akku gespeichert, im anderen wird Wasserstoff verbraucht. Der Wasserstoff wird in einer sog. Brennstoffzelle in Strom umgewandelt. Das Auftanken erfolgt, ähnlich wie mit Benzin, innerhalb von Minuten an einer Tankstelle. Ein Fahrzeug, das Wasserstoff tankt, kann sehr wohl lange Strecken zurücklegen und muss nicht zwischendurch aufladen.

Anbau der Niederdruck-Box

Die Brennstoffzellentechnologie dieser Boliden wird von Forze entwickelt. Herzstück des ­Systems ist ein Stack der Firma Ballard, in dem der Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft reagiert. Im Rahmen dieser Reaktion entstehen Strom und Wasser. Mit dem Strom wird der Elektromotor angetrieben und mit dem Wasser die Bremsen gekühlt. Einen solchen Brennstoffzellen-Stack zu betreiben und zu regeln ist eine herausfordernde Angelegenheit. Um das Betriebsgleichgewicht herzustellen und die Brennstoffzelle erfolgreich zu betreiben, werden zahlreiche Sensoren, ­Pumpen und diverse weitere Komponenten benötigt. Bordelektronik und Software sorgen für eine effiziente­ Regelung. Das System von Forze ist leicht und somit besonders gut für Fahrzeuge geeignet, auch für solche im Motorsport. Der Wirkungsgrad des Systems liegt bei 50 %, was bedeutet, das es mit Hilfe eines Wärmetauschers gekühlt werden muss. Bei Straßenfahrzeugen könnte die überschüssige Wärme zum Beispiel auch zum Heizen des Fahrgastraums verwendet werden.

Langjährige Partnerschaft

Das Forze-Team ist keineswegs ein Neuling im Bereich der Brennstoffzellentechnik. Seit 2007 wurden bereits fünf Fahrzeuge entwickelt, die jedes Mal ein Stück erfolgreiche Pionierarbeit sowohl hinsichtlich der Technologie als auch der Leistung darstellten. Bürkert leistete seine ersten Beiträge in Form von Komponenten. Im „Forze IV“ waren ein Proportionalmagnetventil, ein Drucksensor und ein Regler von Bürkert verbaut. Alle Komponenten bewährten sich gut. Doch schon bald konnte Bürkert die Mitglieder von Forze inspirieren, die Technik auf die nächste Ebene zu bringen.

Johann Gunnesch ist ein Ingenieur im Bürkert Systemhaus in Ingelfingen und für die Entwicklung individueller Systemlösungen für Kunden aus der ganzen Welt zuständig. Das Studenten-Team legte­ ihm ein Flussdiagramm für die Brennstoffzelle vor und erläuterte die technischen Anforderungen. Das Ziel war eine effiziente Gesamtlösung für die Wasserstoffversorgung, die so leicht und kompakt wie möglich sein sollte und trotzdem Standardkomponenten von Bürkert beinhaltet. Johann Gunnesch und sein Systemhaus-Team machten sich an die Arbeit und legten eine integrierte Lösung vor. Ein kompakter Aluminiumblock würde erhebliche Materialeinsparungen ermöglichen und zudem Platz für ein Sicherheitsventil, ein Magnetventil zur Regelung des Wasserstoffdrucks, einen Massendurchflussmesser, ein Abblasventil sowie Temperatur- und Drucksensoren bieten.

Neue Technologie sprengt Grenzen

Johann Gunnesch erläutert die Funktionsweise des sog. Niederdruckblocks: „Der Wasserstoff kommt aus dem Tank und geht zuerst durch ein Absperrventil. Im Falle einer Störung muss das integrierte Überdruckventil den Wasserstoff ableiten. Ein Magnetventil des Typs 2875 dosiert den Wasserstoff für die Zelle, indem es den erforderlichen Druck regelt. Ein Massendurchflussmesser des Typs 8701 misst die bereitgestellte Menge Wasserstoff und schickt die Daten an den elektronischen Controller. Auch Druck und Temperatur werden kontinuierlich mit Hilfe von Sensoren überwacht. Die Daten gehen ebenfalls an den Controller, sodass die Brennstoffzelle stets unter optimalen Bedingungen arbeiten kann. Zuletzt sorgt ein Abblasventil vom Typ 6011 dafür, dass das System entleert werden kann, wenn das Fahrzeug steht.“

Ultraleicht und effizient: Das Luftdurchflussmesssystem von Bürkert für die Brennstoffzelle

Der Forze IV war der erste Rennwagen mit Brennstoffzelle, der an einem offiziellen Rennen teilgenommen hat. Auf der Basis damaliger Daten und Erfahrungen entstand eine neue Konstruktion, der Forze V, der bei gleichem Gewicht 50 % mehr Leistung auf die Straße brachte. Mit einer Brennstoffzellenleistung von 18 kW und einer Leistungsreserve (Boost Power) von 60 kW beschleunigte das 315 kg schwere Fahrzeug in unter 5 Sek. von 0 – 100 km/h. Die Höchstgeschwindigkeit des grünen Flitzers Forze V betrug 120 km/h.

Ein neues Jahr – neue Herausforderungen

Nach diesen Leistungen sollte es niemanden überraschen, dass das ehrgeizige Forze-Team sich nicht auf den erbrachten Leistungen ausruht, sondern eine neue Ära des Automobilsports einläutet. Der neue Bolide basiert auf dem Rahmen eines Lotus 7. Der Chefingenieur des Teams steht nun vor der Herausforderung, eine Brennstoffzelle mit 100 kW Leistung und 190 kW Boost Power in den Boliden zu implementieren. Darüber hinaus benötigt das Fahrzeug zwei Wasserstofftanks, die 74 l bei 350 bar Druck fassen. Die Stacks müssen über einen Durchflussmesser mit bis zu 5.000 l/min Luft versorgt werden, damit genug Sauerstoff zur Verfügung steht. Auch für ­Bürkert stellt das eine Herausforderung dar. „Um die Anforderungen des Forze VI zu realisieren, haben wir ein neu konstruiertes Laminarstromelement integriert. Dieses ist leicht und kompakt, generiert aber mindestens viermal mehr Leistung“, erläutert Johann Gunnesch. Die kompakte Leichtbaulösung des Forze VI von Bürkert bringt das 880 kg schwere Fahrzeug in weniger als 4 Sek. von 0 – 100 km/h. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt über 210 km/h. Die einzige Emission, mit der dabei die Umwelt belastet wird, ist Wasser.

Typ 2875

Direktwirkendes 2-Wege-Standard-Proportionalventil

Typ 2875
  • Hervorragender Stellbereich
  • Sehr gutes Ansprechverhalten
  • Kompakte Stellventilbauform
  • Nennweiten DN 2...9,5 mm
  • Optional: Explosionsgeschützte Spule

Typ 8701

Massendurchflussmesser für Gase (MFM)

Typ 8701
  • Nenndurchflussbereiche von 0,010 lN/min bis 80 lN/min
  • Hohe Messgenauigkeit
  • Sehr schnelle Reaktionszeiten
  • Optional: Feldbus-Schnittstelle

Typ 6011

Hubankerventil 2/2-Wege direktwirkend

Typ 6011
  • Direktwirkendes und kompaktes Kleinventil bis Nennweite DN 2,4
  • Übergestecktes Spulensystem
  • Einfache und schnelle Flansch- oder Anschlussplattenmontage
  • Schnellkupplung (Push-In Fitting) für Schlauchsteckverbinder

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