A hidrogén tüzelőanyagcellára épülő hajtáslánc-technológiák területén elért kutatási és fejlesztési eredményeit a 2015-ös BMW Group Innovációs Napokon mutatták be. A BMW 5-ös Gran Turismo műszaki alapjaira épülő bemutató autó első ízben fedi fel a hidrogén-alapú hajtáslánc-technológiában rejlő lehetőségeket. Az innovatív hajtáslánc a szennyezőanyag emisszió mentes mobilitást sportos dinamikával, a kiváló menetkényelmet pedig hosszú távú futásteljesítménnyel egyesíti.

A tüzelőanyagcella fejlesztésében a BMW a Toyota Motor Corporation-nal működik együtt az elektromos jármű (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle) technológiai fejlesztése területén. A BMW Group és a Toyota Motor Company közötti stratégiai együttműködés 2013-ban vette kezdetét. Az együttműködés célja, hogy 2020-ra készek legyenek a tüzelőanyagcellás elektromos jármű alkatrészei és megoldásai.

A tüzelőanyagcella (Stack) alapegysége, az áramforrás

Az autó villanymotorja 180 kW maximális teljesítményre képes. A rendszert az elektromos energia tárolására hivatott nagyfeszültségű akkumulátor egészíti ki. A rendszert a BMW i modellek jövőbe mutató BMW eDrive technológiájaként és a BMW modellek plug-in hibrid hajtáslánc-alternatívájaként fejlesztették ki.

A hidrogén egy hosszanti tartályban kapott helyet az első és a hátsó tengely között; a BMW Group által szabadalmazott hidrogén-tárolási és nyomástartó technológia kis hőmérsékleten és 350 bar nyomáson (névleges érték) tárolja a gáz halmazállapotú hidrogént.

A tüzelőanyagcella és ellátórendszerének – hidrogén és levegőellátás, vízgőz elvezetés, mérő és szabályozórendszerek, hűtés – teljes kiépítettsége

A hidrogén tüzelőanyagcellára épülő hajtáslánc-technológia azon úttörő járműkoncepció képviselője, amely az emisszió-mentes mobilitás és a BMW által fémjelzett menetdinamika kettősét állítja a középpontba, az energiahatékonyság minden korábbinál magasabb szintjén. A hidrogén tüzelőanyagcellára épülő hajtáslánc-technológia a BMW eDrive technológia előnyeit a hagyományos belső égésű erőforrások jól ismert tulajdonságaival egyesíti:

- Tisztán elektromos, károsanyag-emisszió mentes autózás.
- BMW eDrive technológia elektromos motorja azonnali teljesítmény-többletet, ezáltal kiemelkedő menetdinamikát kínál.
- Teljesítmény-vezérlő elektronika, nagyfeszültségű akkumulátor és intelligens energiakezelés a BMW eDrive technológiája szerint.
- Hosszú távú futásteljesítmény több mint 500 kilométeres hatótávolsággal, a BMW Group által szabadalmazott hidrogéntárolási technológiában rejlő magas energiasűrűségnek köszönhetően.
- Gyors és kényelmes tankolás kevesebb, mint öt perc alatt.

A tüzelőanyagcellára épülő hajtáslánc-technológia ideális opció lehet a BMW i modellek, valamint a BMW azon jövőbeli, sorozatgyártott modelljei számára, amelyeket a jól bevált BMW eDrive technológiával szerelnek.

Az energiát a jármű nagyfeszültségű akkumulátora tárolja, amely hozzávetőlegesen 1 kWh nettó kapacitású, mint a nagyfeszültségű akkumulátorral dolgozó eddigi elektromos meghajtások energiatároló egységei. A gáznemű hidrogén nyomástartó tárolási technológiájának köszönhetően az úttörő hajtáslánc-technológia a jármű típusától függően a hagyományos, belső égésű erőforrással hajtott járművek hatótávolságát garantálja. A hidrogéntartály feltöltése nagyjából ugyanannyi időt vesz igénybe, mint egy benzines vagy dízelüzemű jármű megtankolása.

A BMW Group célja, hogy a tüzelőanyagcellára épülő hajtáslánc-technológiát hosszú távon az EfficientDynamics stratégia szerves részévé tegye. A vállalatcsoport az innovatív megoldás széleskörű alkalmazásával minden korábbinál változatosabb hajtáslánc-palettát hozna létre, amely rugalmasan igazítható a különféle járműkoncepciókhoz, ügyfél-igényekhez és jogi követelményekhez a világ minden táján:

- Kiemelkedően nagy hatásfokú belső égésű erőforrások BMW TwinPower Turbo technológiával.
- Intelligens vezérlésű plug-in hibrid hajtásláncok BMW eDrive vagy Power eDrive technológiával.
- Emisszió-mentes, nagyfeszültségű akkumulátorral dolgozó elektromos meghajtások a BMW i3 mintájára.
- Tüzelőanyagcellás elektromos járművek a BMW eDrive elektromos hajtáslánc-technológiájával.

Az FC energiaforrású járművek sikeres bevezetése nagymértékben függ az érintett piacok hidrogén-tankolási infrastruktúrájának fejlesztésétől is. Az európai HyFIVE projekt, a CEP (Clean Energy Partnership) támogatásával célul tűzte ki, első infrastruktúrális beruházásként, hogy az FC autók Németország déli régiójából a Garda tóhoz eljussanak, tehát a Stuttgart, München, Innsbruck, Bolzánó útvonalon legyenek hidrogén tankoló állomások.

A BMW FC technika azonban feladta a leckét a hidrogén ellátó, tankoló rendszereket fejlesztőknek, így például a Lindének.

„Klasszikusan”, a mai szabványnak megfelelően, a hidrogént az autó tartályaiban gáz halmazállapotban, 700 bar nyomáson, tankolásnál kb. környezeti hőmérsékleten töltik be. A hidrogénkútnak is ehhez a tápnyomáshoz kell illeszkednie. Írtunk erről, amikor a bécsi hidrogénkútról számoltunk be.

A BMW a hidrogén fedélzeti tárolásának egy másik módját is kipróbálja: a hidrogén ennél is gázhalmazállapotban van, de a tartályban a névleges nyomása csak 350 bar. A hidrogént azonban lehűtve tankolják, és tárolják a fedélzeten, ezzel a sűrűsége megnő (azonos térfogatban, a 700 bar nyomású rendszerhez képest, 50%-kal nagyobb energiatartalom tárolható), és így az autóba kisebb méretű tartályt lehet elhelyezni azonos hatótávolság eléréséhez. Ennek a rendszernek a rövidítése CCH2.

A tartályban elhelyezett, tengelyirányban futó bordázott cső fűtőelem; a fűtésre akkor van szükség a gáz kihajtásához, ha a tartályban már csekély a hidrogén mennyisége

Jól megfigyelhető a tartály hőszigetelő falazata

Az első ilyen, természetesen nyilvános Total „kétnormás” kutat Münchenben, a Detmoldstrassen nyitották meg, közel a BMW Group Forschungs- und Innovationszentrumához. A kút technikai berendezéseit a Linde fejlesztette és szállítja.

A hidrogén kuti tárolási hőmérséklete -253 °C, a tankolási pedig -233 °C. (Az abszolút nulla fok a 0 K, -273,15 °C. A termodinamika III. főtétele értelmében az abszolút nulla fok a valóságban elérhetetlen, azonban tetszőleges mértékben megközelíthető.)

A müncheni „kétnormás” hidrogénkút megnyitásán a projektben résztvevő cégek képviselői (balról jobbra) Dr Andreas Opfermann (Linde), Guillaume Larroque (TOTAL), Matthias Klietz (BMW), Dr. Veit Steinle (Federal Ministry of Transportation)

A Total „kétnormás” kútján az oda érkező FC autó tulajdonosa választhat, vagy a CGH2-őt választja, ekkor a nyomás 700 bar, vagy a hűtött hidrogént, a CCH2-őt 300 bar nyomáson. A tervek szerint a BMW FC autók majd választhatnak.

A jelenlegi kísérleti, demonstrációs szakaszban egy BMW i8 és egy BMW 5 Series Gran Turismo kapott FC technikát. Az „5-ös” kapott fele-fele megosztásban 700 és 300 baros hidrogéntartályt, míg az i8-nak csak 700 baros tartálya van.

Egymás mellett található a 700 és a 350 bar nyomású tartály töltőcsonkja

A FC, tehát a tüzelőanyagcella lehet a villanyautó fő áramforrása, melyet nagyfeszültségű akkumulátorral ki kell egészíteni, hiszen a fékezési energiát így lehet visszanyerve tárolni, illetve az FC indítási problémáit, az autó indulásánál kiküszöbölni, valamint a „booster” energiát a gyorsításhoz hozzárendelni.

Az FC technika lehet azonban „csak” kisegítő szerepű, tehát a villanyautó hatótáv növelő, akkumulátortöltő segédberendezése. Ekkor természetesen nem szükséges a range extender belső égésű motor, mint például a mai, sorozatban gyártott i8 esetében.

Ma már vannak sorozatban gyártott, az első esetet megvalósító modellek (például Toyota, Hyundai). A második „struktúra” szerinti technikával épülő autók ma még csak kísérlet fázisban vannak. A BMW mindkét FC technika megvalósításán nagy szellemi és anyagi erők bevetésével dolgozik. Egyedi „nehézsége”, hogy ezzel a technikával is meg kell felelnie a BMW hagyományoknak, a sportosságnak, dinamikának, az EfficientDynamics maga állította követelményeknek. Az előttünk álló korszak, mely még inkább a minimális környezetszennyezésű és fokozott energiahatékonyságú autótechnikáról fog szólni, számos vásárlót nem hoz lázba, nem igazán vannak ezek a tulajdonságok vásárlói motivációs rangsoruk élén. Nekik, sokaknak, az autó klasszikus tulajdonságai állnak az első helyeken: a vezetés élménye, kényelme, a dinamika, a megbízhatóság. Az új hajtástechnikáknak a háttérben maradva kell ezt szolgálniuk. Ezért is tartanak nagyon sokáig az új, néha gyökeresen új – valóban környezetmegváltó – hajtástechnikák kifejlesztése. A hidrogénkorszakra, ami az autózást illeti, lehet, hogy még egy emberöltőt is várni kell.

dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika folyóirat főszerkesztője

Ha az alternatív hajtásról, az új erőforrásokról mérnöki alapossággal kíván többet megtudni, fizesse elő az Autótechnika folyóiratot – http://autotechnika.hu