Die Rede ist von NECAR 4, dem neuesten Brennstoffzellenfahrzeug von DaimlerChrysler. Der umweltverträgliche, mit Flüssigwasserstoff betankte Pkw auf Basis der A-Klasse gibt nur reinen Wasserdampf an die Luft ab. Deshalb ist er ein echtes Null-Emissions-Fahrzeug oder Zero Emission Vehicle (ZEV). Umweltschädliche Abgase sowie Kohlendioxid sind bei ihm kein Thema. Das Entwicklungsfahrzeug mit dem alternativen Antrieb besticht aber nicht nur durch Schadstofffreiheit. Im Vergleich zum Vorgänger NECAR 3 stieg die Leistung der Brennstoffzellen um 40 Prozent. Mit seinem kräftigen 55-kW-Motor vermittelt NECAR 4 deshalb eine gute Portion Fahrspaß. Der kleine und komfortable Flitzer, der fünf Erwachsenen Platz bietet, glänzt zudem durch seine hohe Reichweite von 450 Kilometern. "Brennstoffzellensysteme sind weltweit das erfolgversprechendste alternative Antriebskonzept für die Zukunft", begründet Dr. Ferdinand Panik, der Leiter des Projekthauses Brennstoffzelle von DaimlerChrysler, das Engagement des Konzerns für diese Antriebe. "Dies gilt nicht nur vor dem Hintergrund begrenzter Erdölvorräte. Ziel ist es für uns auch, den zahlreichen Megastädten mit ihren bisher unbewältigten Problemen bei der Luftqualität umweltverträgliche Verkehrslösungen anzubieten." Wie bei jedem New Electric Car (NECAR), das DaimlerChrysler bisher vorgestellt hat, schnurrt auch im neuen NECAR ein leiser Elektromotor, der seinen Strom aus Brennstoffzellen bezieht. Die Energie für die Brennstoffzellen wiederum liefert flüssiger Wasserstoff, den das Entwicklungsfahrzeug in einem Tank mitführt. Weil NECAR 4 keinerlei Abgase ausstößt, erfüllt es schon heute die zukünftigen Vorschriften des US-Bundesstaates Kalifornien in Sachen Zero Emission Vehicle. Dieses Gesetz beinhaltet, dass ab dem Jahr 2003 in Kalifornien neue Fahrzeuge nur noch dann zugelassen werden, wenn der Hersteller auch Null-Emissions-Fahrzeuge in seiner Produktpalette anbietet. Vom auffälligen Schriftzug NECAR 4 einmal abgesehen, gleicht das neue Brennstoffzellenauto seinen konventionellen Klassenkameraden aus der A-Klasse. Nur das Armaturenbrett mit anderen Kontrolllampen und das Fehlen des Auspuffs lassen erahnen, dass unter der Karosserie keine herkömmliche Technik mit Verbrennungsmotor steckt. Bei sämtlichen Fahrzeugen der NECAR-Serie von DaimlerChrysler sind die sogenannten Brennstoffzellen-Stacks die eigentliche Kraftquelle des alternativen Antriebs. In den Brennstoffzellen wird der Wasserstoff aus dem Fahrzeugtank in einer kontrollierten Reaktion mit Luftsauerstoff zusammengeführt. Dabei entsteht neben reinem Wasser auch elektrische Energie. Diese lässt sich für den Antriebsmotor und die Nebenaggregate wie zum Beispiel den Luftkompressor nutzen. Die zwei Stacks im NECAR 4 bestehen jeweils aus 160 einzelnen Brennstoffzellen, die dicht hintereinander gepackt sind. Das Brennstoffzellensystem steckt in einem koffergroßen Kasten. Dieser wiederum verschwindet komplett im Sandwichboden der A-Klasse, die damit einmal mehr ihren innovativen Charakter unter Beweis stellt. Jeder Brennstoffzellen-Stack hat eine Leistung von 35 Kilowatt, so dass sich eine Gesamtleistung von 70 Kilowatt ergibt. Im Vergleich zu den zwei Stacks im NECAR 3, die "nur" 50 Kilowatt liefern, bedeutet dies ein Leistungsplus von 40 Prozent. Mit anderen Worten: NECAR 4 besticht durch dynamisches Fahrverhalten und gute Beschleunigung. "Der Leistungszuwachs beruht auf einem verbesserten Innenleben der Brennstoffzellen", erläutert Dr. Werner Tillmetz, Geschäftsführer der deutschen Tochter von Ballard Power Systems, dem Lieferanten der Stacks. Um mehr elektrische Leistung aus den Zellen herauszukitzeln, haben die Wissenschaftler und Ingenieure an zweierlei Schrauben gedreht: an der Gasführung von Wasserstoff und Luft innerhalb der Brennstoffzelle sowie an der Katalysatorschicht auf der hauchdünnen Kunststoffmembran. Damit Wasserstoffgas und Luft ungehindert durch die Stacks strömen, wurden spezielle Bipolarplatten entwickelt, welche die die Gasversorgung sicherstellen. Zudem arbeitet die Katalysatorschicht auf der sogenannten Protonenaustauschmembran (PEM) wesentlich effektiver als bisher. Das Katalysatormaterial bringen die Brennstoffzellenprofis von Ballard inzwischen in einem Schichtverfahren überaus gleichmäßig auf der Membranfolie auf. Deshalb sind auch die Reaktionsstellen, an denen Wasserstoffatome in Protonen und Elektronen zerlegt werden, auf der gesamten Fläche äußerst homogen verteilt. Als Folge davon verbessert sich die Stromproduktion der Brennstoffzelle. Die Stacks von NECAR 4 arbeiten mit wesentlich höheren Stromstärken als die von NECAR 3. Dessen Brennstoffzellen liefern 260 Ampere, bei NECAR 4 sind es jetzt 340 Ampere. "Entscheiden jedoch ist", so Werner Tillmetz, "dass wir auch bei NECAR 4 den Wirkungsgrad auf hohem Niveau halten konnten. Bei den neuen Stacks liegt er im Durchschnitt zwischen 50 und 80 Prozent." Wirkungsgrad bedeutet in diesem Fall: Von der chemischen Energie, die im Wasserstoff steckt, werden bis zu 80 Prozent in elektrische Energie umgewandelt. Doch dabei will es das Ballard-Team nicht bewenden lassen: So sollen Wirkungsgrad und Leistungsdichte der Stacks weiter ansteigen. Und mit Blick auf die spätere Serienfertigung müssen parallel dazu die Herstellungskosten mit Hilfe neuer Materialien und Produktionsverfahren deutlich reduziert werden. Bei NECAR 4 haben die Ingenieure von dbb fuel cell engines - der gemeinsamen Tochter von DaimlerChrysler, Ballard Power Systems und Ford Motor Company - ein leistungsfähiges Brennstoffzellensystem im Sandwichboden der A-Klasse untergebracht und zugleich die einzelnen Komponenten in Richtung Serientauglichkeit weiterentwickelt. War bei NECAR 2 für 1 kW Leistung noch ein Volumen von 9 Liter nötig, schrumpfte e bei NECAR 4 um über 30 Prozent auf 6 Liter zusammen. Auch die Masse, bezogen auf ein Kilowatt Leistung, konnten die Ingenieure um rund 15 Prozent reduzieren. Möglich sind solche Ergebnisse nur durch eine genaue, zielorientierte Planung. Mit Hilfe von CAD-Daten und CAD-Werkzeugen stellten die Experten sicher, dass sie die Bauräume im Sandwichboden der A-Klasse optimal ausnutzen konnten. Auch die Schnittstellen zwischen Brennstoffzellensystem und Fahrzeug - wie etwa Tank- und Kühlwasserleitungen, elektrische Verkabelung und Datenaustausch - wurden zuerst im Rechner definiert und erst dann als reale Bauteile verwirklicht. Durch den Einsatz modernster 3D-CAD-Techniken ließ sich die Entwicklungsdauer verkürzen. Ferner arbeiteten mehrere Entwicklungsteams parallel an speziellen Testständen, um die neu entwickelten Komponenten auf ihre Funktionalität zu testen. Mit Hilfe verschiedener Simulationsprogramme wurden Überwachungs- und Regelstrategien direkt an die neu entwickelte Hardware angepasst. Das Brennstoffzellensystem konnten die Ingenieure im NECAR 4 erstmals komplett im Unterboden montieren, so dass nun der gesamte Innenraum den Fahrzeuginsassen uneingeschränkt zur Verfügung steht. Lediglich ein Teil des Kofferraums wird noch vom Wasserstofftank beansprucht. Neben der technischen Weiterentwicklung der alternativen Antriebe arbeiten die Ingenieure und Wissenschaftler schon heute an Verbesserungen, die in zukünftigen Versionen des NECAR den Kundennutzen erhöhen. So haben sie die Handhabbarkeit des Brennstoffzellensystems deutlich verbessert; das komplette System lässt sich in kurzer Zeit montieren und in Betrieb nehmen. Ferner erlaubt ein verbessertes elektronisches Diagnosesystem, dass alle Fahrzeugdaten leicht ausgelesen werden können, was die spätere Wartung wesentlich vereinfacht und somit verkürzt. Zudem lässt sich das Fahrverhalten mit einer sogenannten Black-Box ermitteln. Dies wiederum ermöglicht es, das System nachhaltig zu optimieren. Die Verkabelung ist bereits serientauglich und gegen elektromagnetische Felder abgeschirmt. "Wir haben nicht nur die Stromerzeugung, sondern das System insgesamt optimiert, und davon wird auch die nächste Version des NECAR profitieren", fasst dbb-Geschäftsführer Dr. Günther Dietrich zusammen. Verbesserungen gibt es auch beim Antriebsmotor und Getriebe. Der querliegende Asynchronmotor mit einer Antriebsleistung von 55 Kilowatt stammt von EcoStar, einem gemeinsamen Tochterunternehmen von DaimlerChrysler, Ford Motor Company und Ballard Power Systems. "Bei diesem Elektroantrieb wurde ein neues Baukonzept verwirklicht, bei dem der Motor die Antriebsachse umschließt. Das Getriebe ist platzsparend in die rechte Seite des Motors integriert. Von dort führt eine Antriebswelle direkt zum rechten Vorderrad, die zweite Antriebswelle läuft durch den Motor hindurch zum linken Vorderrad. Ein weiterer Pluspunkt neben der platzsparenden Bauweise: Beim alternativen Antriebskonzept erreicht der Elektromotor sein maximales Drehmoment bereits beim Anfahren, so dass sich ein sehr dynamisches Fahrverhalten ergibt. NECAR 4 besticht zudem durch einen sehr hohen Wirkungsgrad. Gemessen im neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) liegt der Wirkungsgrad am Rad bei 36 Prozent. Dies bedeutet: Über ein Drittel der im Wasserstoff steckenden chemischen Energie wird in mechanische Energie umgewandelt, die das Fahrzeug vorwärts treibt. Einfach gebaute, aber äußerst effektive Elektromotoren, die sogenannten Reluktanzmotoren, treiben bei NECAR 4 sämtliche Nebenaggregate an - wie zum Beispiel den Luftkompressor für die Stacks, die Kühlmittelpumpe oder den Fahrzeuglüfter. Der Vorteil der Reluktanzmotoren liegt besonders in ihrer Robustheit. Ihre Leistungselektronik sitzt unmittelbar im Motor; ein eigener Schaltkasten für Steuerung, Sensorik, Schutz- und Diagnoseeinrichtungen erübrigt sich. Dadurch sinken die Fertigungskosten, zudem verliert der Motor deutlich an Größe und Gewicht. Je nach Fahrweise erzielt das Erprobungsfahrzeug NECAR 4 eine Reichweite von bis zu 450 Kilometern. Für ein Elektrofahrzeug ist dies ein außergewöhnlicher Wert. Möglich ist dies dank des hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzellen und des hohen Energiegehalts von verflüssigtem Wasserstoff. Der zylindrische Tank im Heck fasst fünf Kilogramm Flüssigwasserstoff, dessen Temperatur übrigens bei eisigen -253 °C liegt. Um diese Extremtemperatur zu gewährleisten, besteht der Tank aus zwei Stahlhüllen, die wie eine überdimensionale Thermosflasche wirken und so den Wasserstoff flüssig halten. Weil die Brennstoffzellen aber gasförmigen Wasserstoff brauchen, geht der eiskalte Flüssigtreibstoff auf dem Weg zu ihnen in den Gaszustand über. Dafür sorgen zwei Heizstäbe, die in den Tank integriert sind. Sie bewirken, dass die Stacks beim Start sofort Wasserstoffgas erhalten und augenblicklich Strom liefern. "Dies ermöglicht ein Startverhalten", so Jürgen Friedrich, "das mit dem herkömmlicher Fahrzeuge ohne weiteres vergleichbar ist." Mit NECAR 4 stellt DaimlerChrysler ein Fahrzeug vor, das sich sehr gut für Flottenverkehr und Fuhrparks eignet, die in einer Region operieren. Wenn die umweltfreundlichen Fahrzeuge abends an ihren Stützpunkt zurückkehren, können sie dort an einer zentralen Wasserstofftankstelle rasch mit neuer Energie versorgt werden - ein Betankungsvorgang dauert kaum länger als bei einem Benzin- oder Dieselfahrzeug. Da Brennstoffzellenfahrzeuge dank ihres Elektromotors leise vor sich hinschnurren und bei einem Ampelstopp sogar keinerlei Geräuschemission abgeben, eignen sie sich besonders für den Einsatz in Städten - etwa als lärmarme und emissionsfreie Fahrzeuge von Postzustellern und Lieferdiensten. Und auch komfortable Taxis könnten in doppelter Hinsicht zu Zero-Emission-Fahrzeugen werden - keine Abgase und kein Lärm. Entwickelt wurde NECAR 4 übrigens im Technologiepark Nabern bei Stuttgart, Dort hat DaimlerChrysler seine Entwicklungsaktivitäten für Brennstoffzellenfahrzeuge konzentriert. Bei ihren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben die Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker neues Wissen gewonnen. Und von diesem Know-how wird auch das nächste Fahrzeug der NECAR-Serie profitieren. Die Teams im Projekthaus Brennstoffzelle bereiten sich schon auf NECAR 5 vor. Dieser wird der technologische Nachfolger von NECAR 3 sein und als Kraftstoff wieder Methanol im Tank haben. "Mit den beiden Konzepten Methanol und Wasserstoff", so Ferdinand Panik der Leiter des Projekthauses Brennstoffzelle, "verfolgt DaimlerChrysler zwei zukunftsträchtige Optionen für umweltverträgliche Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb, die sich an unterschiedliche Kundenanforderungen anpassen lassen." aus: zurück zum Datenblatt von NECAR 4 |