Formula H – der Wasserstoff Rennwagen

Lernfeld 6 -  Alternative Antriebe

Ein Rennwagen, der nur mit Wasserstoff (H2) läuft!

Bei einem Wasserstoffmotor wird ein herkömmlicher Verbrennungsmotor mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben. Grundlage dafür ist die Knallgasreaktion bei der zwei Teile Wasserstoff mit einem Teil Sauerstoff reagieren. Das Viertakt-Otto-Prinzip bleibt wie in konventionellen Ottomotoren bestehen.

 Um nur zwei Beispiele zu nennen: Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff zu betreiben wird bekanntermaßen seit zehn Jahren bei BMW im Feldversuch mit seinen Hydrogen7-Prototypen praktiziert. Bereits 1991 entwickelte Mazda mit dem HRX-1 ein mit einem Wasserstoffwankelmotor angetriebenes Versuchsauto. Mazda testete aktuell 2009 mehrere RX-8 Hydrogen RE in Norwegen beim dortigen HyNor-Projekt um die Wirksamkeit des Knallgases als Treibmittel auch für den Wankelmotor zu belegen. (Anm.: HyNor ist ein Gemeinschaftsprojekt zum Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur in Norwegen). Außergewöhnlich mag vielleicht auch die Idee erscheinen, H₂ im Rennsport zu etablieren. Doch was ungewöhnlich klingt, wird manchmal umso schneller umgesetzt.

Prof. Dr.-Ing. Jörg Wellnitz mit einem Teil, der Studenten, die das Projekt Formula H Racer verwirklichten.

Komplette Neuentwicklung in 18 Monaten

 Studenten der Hochschule für angewandte Wissenschaften Ingolstadt haben in einem gemeinsamen Projekt mit Studenten des australischen Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) einen Fahrzeug namens "Formula H" innerhalb von nur 18 Monaten auf die Räder gestellt. Bei Formula H (H steht hierbei für Hydrogen, also Wasserstoff) handelt es sich um einen mit Wasserstoff angetriebenen Rennwagen. Ziel war es nicht ein möglichst perfektes und ausgereiftes Fahrzeug auf die Rennstrecke zu bringen, sondern zu zeigen, dass es prinzipiell relativ einfach ist den Wasserstoffantrieb straßentauglich zu machen. Schwerpunkt der Projektarbeiten für die Ingolstädter war der Antriebsmotor und die Kraftübertragung, die Studenten aus „Down Under“ kümmerten sich dafür mehr um Rahmen und Karosserie. Und: Der Formula H läuft. Federführung in Deutschland hatte Prof. Dr.Ing. Jörg Wellnitz, sein australischer Pendant war Prof. Dr. Aleksandar Subic.

Technik im Überblick

 Das Design erinnert ein wenig an einen Le-Mans-Rennwagen. Guckt man jedoch unter die Kohlefaserverkleidung des 500 kg leichten Renners findet man hinter dem Fahrersitz aber keinen V8 oder ähnliches vor, sondern blickt auf ein eher bescheidenes Zweizylinder-Aggregat. Der 0,8 Liter Motor stammt aus einem BMW F 800 S Motorrad, wo er 85 PS leistet. Für die Umrüstung auf Wasserstoff-Betrieb musste an der Motormechanik gar nicht so viel verändert werden. Eine Besonderheit ist die kryogene Kühlung, die mit Hilfe einer Flüssig-CO₂-Flasche, Ventil und Ladeluftkühler die Motorwärme an den Luftkanal abführt.

Der Motor wurde dem BMW F 800 S Motorrad entnommen und etwas modifiziert.

 Beschleunigt wird der Formula H via druckluftbetätigtem Sechsgang-Schaltgetriebe vom BMW-Motorrad. Über einen so genannten Air Shifter, eine pneumatisch sequenzielle Schaltbetätigung, lassen sich die Gänge auch per Schaltpaddles am Lenkrad einlegen. Die Druckluftbetätigung und das Differenzial sind selbst gebaut.

 Da Wasserstoff gegenüber Benzin volumenbezogen einen geringeren Heizwert hat, sinkt auch die Leistung des Formula-H-Motors gegenüber dem Benziner-Pendant auf ungefähr 50 PS. Die Maschinenbaustudenten aus Ingolstadt kompensierten dies teilweise durch Einsatz eines Kompressors, so dass am Ende ca. 60 PS zur Verfügung stehen. Der Wirkungsgrad ist mit bis zu 45% aber besser ist als bei Benzinmotoren, die bis zu 25% effizient sind. Dies kommt dadurch zustande, dass der Verbrennungsprozess im Wasserstoffmotor aufgrund der hohen Brenngeschwindigkeit des Wasserstoff-Luft-Gemisches dem thermodynamisch günstigen Gleichraumprozess näher kommt als ein Benzinmotor.

Druckgasspeicherung

 Ein großes Problem bei wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen ist die Lagerung des Treibstoffes. Wasserstoff als Gas ist extrem flüchtig und hat nur eine sehr geringe Dichte. Um Wasserstoff an Bord eines Fahrzeugs speichern zu können ist es jedoch notwendig, eine hohe Energiedichte auf möglichst kleinem Raum zu erzielen um eine geeignete Reichweite des Fahrzeugs zu erreichen.

 Bei diesem Projekt wurden auf die technisch aufwendigen Flüssigwasserstoff- oder Metallhydridspeicherungen zugunsten der Druckgaswasserstoff-Speicherung verzichtet. Diese Art der Speicherung ist für ein Leichtbaufahrzeug sinnvoller und erfordert den geringeren Aufwand. Die Tankkapazität ist für ein Rennfahrzeug allerdings beschränkt. Der Tank des Formula H fasst ca. 1kg gasförmigen Wasserstoff. Das reaktionsfreudige Molekül H₂ wird dabei in dem mit Kohlefaser (CF/EP) ummantelten zylindrischen Aluminium-Druckgasbehälter auf bis zu 250 bar unter Druck gesetzt.

Für den Versuch wurde ein 15 l Tank mit 1 kg Wasserstoff verwendet.

Druckregelung

 Der Gasdruck muss dann erst noch für die Gemischbildung durch einen Regler auf etwa 5 bar herunter geregelt (im Bild hinter dem Tank) und gekühlt werden, um ausreichend Gas für die Verbrennung zur Verfügung zu haben. Aus Kostengründen musste aber auf einen elektronischen automatischen Druckregler verzichtet werden. Das hatte zur Folge, dass der manuelle Druckregler bei sinkendem Tankfüllstand von Hand nachjustiert werden musste. Den optimalen Druck des Wasserstoff-Gases für die Verbrennung musste  das Team auch erst herausfinden.

Zündung

 Im Vergleich zu konventionellem Benzin ist Wasserstoff leichter entzündlich und benötigt auch eine geringere Zündungsenergie. Die Flamme einer Wasserstoffverbrennung breitet sich mit etwa 2,65 m/sec viel schneller als eine Benzinflamme mit 0,4 m/sec aus. Die Entwickler aus Ingolstadt  verbauten kältere Zündkerzen, die nicht nachglühen und so ein eventuelles Klopfen verhindert wird. Das Steuergerät erkennt Zündaussetzer, Probleme mit Rückzündung oder Frühzündung waren laut Professor Wellnitz nicht gravierend aufgetreten. Um schädliche Rückzündungen zu vermeiden wurde außerdem außen eine Kurbelgehäuseentlüftung angebaut. Ein Kolbenring musste allerdings bereits einmal dran glauben, weil am Feuersteg des Kolbens angesammelter Wasserstoff plötzlich schlagartig verbrannte und dieser durch die unkontrollierte Knallgasreaktion brach.

Die Kurbelgehäuseentlüftung soll Rückzündungen verhindern.

Im folgenden kurzen Video-Schnipsel wird der Weltrekordversuch für das Guinnes Buch der Rekorde gezeigt.

Formula H Rekordfahrt von kfztechde

Die Gemischbildung

 Der Schwerpunkt der Anpassungsarbeit lag besonders bei der Gemischbildung. Die Einblasventile der modifizierten Saugrohreinspritzung wurden vom in Kleinserie hergestellten BMW 7er mit Zwölfzylinder-Wasserstoffmotor übernommen. Die Gemischbildung ist neben der Gasdruckregelung momentan noch die größte Herausforderung für das Studententeam um Professor Dr.-Ing. Jörg Wellnitz. Schließlich musste das Motor-Steuergerät von MoTeC für alle Last- und Drehzahlbereiche ja erst noch programmiert werden, denn Werte auf die man zurückgreifen kann, gab es bei diesem H₂-Prototypen ja noch keine.

Screenshot von der Motec Software

Den Studenten stellte sich also die Aufgabe unter anderem herauszufinden, welcher Lambdawert bei welcher Last und welcher Drehzahl am geeignetsten ist, die explosionsartige Knallgasverbrennung zu bändigen, um einen stabilen Motorlauf gerade bei Drehzahlen zwischen 4000 und 6000 1/min zu gewährleisten. Um optimale Kennfelder zu erstellen, fehlte es aber leider an genügend Zeit und Möglichkeiten für Testfahrten auf dem Leistungsprüfstand.

Anpassung des Kennfelds auf dem Leistungsprüfstand

Es wurde ein Leistungsprüfstand mit aktiver Verlustleistung der Fa. AHS bei der Regens-Wagner-Berufsschule in Schrobenhausen verwendet.

 Beim Guiness Speed Trial Rekordversuch am 09. Februar wurde eine Höchstgeschwindigkeit von 133 km/h erreicht. Keiner kann momentan genau sagen, wie viel Potenzial bei weiterer Optimierung des Motormanagements noch drin wäre Die Teilnahme an einem richtigen Rennen ist zumindest bei diesem Modell momentan nicht geplant. Vorgestellt wurde der Formula H übrigens bereits 2009 auf der IAA. Anschließend begab er sich auf eine Road Show durch Australien. Neben der Guinessfahrt ist der Formula Bestandteil der Icsat 2010, einer Automobil Konferenz für nachhaltige Technologien.

Auf der Startbahn des Flughafens Manching wurde die Rekordfahrt bei eisigen Temperaturen durchgeführt.

Verbrauch und Abgas

 Der Verbrauch des Boliden liegt bei 1 kg Wasserstoff in 60 Minuten bei einer Konstantfahrt von 90 km/h. Dabei bläst der Formula H prinzipbedingt nur Wasser und ein kleines bisschen Stickoxide zu seinem Auspuff hinaus. Da in dem Motor der Wasserstoff mit der Umgebungsluft verbrannt wird, reagieren Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:1 zu umweltneutralem Wasserdampf, der wieder in den natürlichen Wasserkreislauf zurückgeführt wird. Dagegen entweicht das beim Einsatz von Benzin- oder Dieselmotoren als Abfallstoff emittierte CO₂ in die Atmosphäre.

 Da Wasserstoff eine sehr geringe Dichte hat, verdrängt er bei der Saugrohr-Einblasung viel Luft. Folglich kommt weniger Luft in den Brennraum, der Liefergrad wird schlechter. Zu Sauerstoffmangel kommt es aber dadurch trotzdem nicht, da man meist etwas im Magerbereich fährt. Bei hohen Verbrennungstemperaturen steigt der Stickoxidanteil, weil dann die Luftbestandteile Stickstoff und Sauerstoff miteinander reagieren. Die Stickoxidanteile liegen aber ca. um die Hälfte unter denen eines Ottomotors mit Katalysator. Feinstaub entsteht erst gar nicht. Der Schmierölverbrauch verursacht vernachlässigbar auch noch Spuren von Kohlendioxid, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen. Dem Boliden reicht  ein herkömmlicher Dreiwege-Katalysator und eine Lambdasonde, damit fast reiner Wasserdampf den Auspuff verlässt.

Fazit und Ausblick

 Die jungen Entwickler um die Professoren Wellnitz und Subic haben ein tolles Projekt auf die Beine gestellt, das wegweisend für Alternative Antriebe und Kraftstoffe sein könnte. Mit ihrem engagierten Einsatz wurde ein schmuckes Rennfahrzeug in kürzester Zeit auf die Beine gestellt, das praktisch keine Emissionen hat und als Basis einen herkömmlichen Verbrennungsmotor aufweist. Wenn der Formaula H Racer sicherlich so schnell in keinem richtigen Rennen auftreten wird, so kann jedoch festgestellt werden, dass von den Herstellern im Prinzip gar nicht so viel Aufwand wie beim BMW 12 Zylinder betrieben werden müsste, um ein straßentaugliches Wasserstofffahrzeug auf die Straßen zu bringen.

 Und ist inzwischen es offiziell: Das nächste Projekt der Ingolstädter Hochschule wird eine 2 Liter H2-Version werden, die sich mit einem Audi TT im Renntrimm und dem Profi Rennfahrer Jörg van Ommen auch an richtigen Rennen mit anderen Alternativen Antrieben messen möchte.

Der TT Motor von Jörg Ommen wird für das nächste Projekt umgebaut werden.

 Dass Wasserstoff derzeit häufig auf nicht gerade Ressourcen schonende Weise aus Erdgas gewonnen wird, sollte für Politik und Industrie ein Ansporn sein, vielleicht doch künftig für eine Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse aus Wasser mit regenerativen Energien zu sorgen und den derzeitigen Weg in eine batteriebetriebene Fahrzeugzukunft zu überdenken. Länder wie Norwegen denken und arbeiten bereits heute an einer Zukunft ohne fossile Brennstoffe, wie das HyNor Projekt beweist.

Johannes Wiesinger, 31.05.2010

Quelle Bilder: eigene Bilder, 1 Bild von Motec, 1 Bild FH/Ommen

Links:

• http://formulahydrogen.de/

• www.hyracer.de

• www.icst2010.de

• www.prochain.de

• www.anthrocells.eu

• http://www.motec.com.au/home

Lesen Sie auch die Berichte von H.-D. Zeuschner:

• Wasserstoffantriebe

• Shell Eco-marathon