Golf Variant HyMotion mit Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Hintergrundwissen

Volkswagen präsentiert auf der Los Angeles Autoshow in einer Weltpremiere den Golf Variant HyMotion – ein progressives Forschungsfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb.

  •  Golf Variant HyMotion transferiert Brennstoffzelle technisch in die Großserie
  • Golf ist weltweit das erst Auto mit allen heute realisierbaren Antriebsarten

Als Treibstoff der Zukunft verschmelzen in der Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff zu reinem Wasser. Bei dieser „kalten” Verbrennung wird Energie frei – Antriebsenergie für einen emissionsfrei rotierenden Elektromotor. Der frontgetriebene Golf Variant HyMotion beschleunigt in 10,0 Sekunden auf 100 km/h. Gespeichert wird der Wasserstoff sicher in vier Hightech-Kohlefasertanks, die sich platzsparend im Unterboden befinden. Sie ermöglichen eine Reichweite von 500 Kilometern. Wieder aufgetankt ist die Studie nach nur drei Minuten.

Die zentralen Antriebskomponenten des Golf Variant HyMotion wurden von der Volkswagen Konzernforschung in Deutschland entwickelt. Das im Volkswagen Technologiezentrum für Elektrotraktion konzipierte Brennstoffzellensystem entwickelt eine Antriebsleistung von 100 kW. Darüber hinaus besitzt die Studie eine Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie, um die beim Bremsen (via Rekuperation) zurückgewonnene kinetische Energie zu speichern, die Startphase der Brennstoffzelle zu unterstützen und die maximale Beschleunigung des Golf Variant zu dynamisieren. Brennstoffzelle und Batterie treiben einen aus dem e-Golf adaptierten Elektromotor an.

Die konstruktive Basis für diesen innovativen Automobilbau bildet der von Volkswagen entwickelte und konzernweit genutzte modulare Querbaukasten (MQB). Die aktuellen Golf Schrägheckversionen und der neue Golf Variant avancierten dank des MQB zur ersten Fahrzeugbaureihe der Welt, die mit allen denkbaren Antriebsarten darstellbar ist. Bereits heute wird der Golf mit Ottomotor (TSI), Dieselmotor (TDI), Erdgasantrieb (TGI), Elektroantrieb (e-Golf)und einem Plug-In-Hybridantrieb (Golf GTE) angeboten. Kein anderes Auto bietet diese Antriebsvielfalt.

Mit dem Golf Variant HyMotion zeigt Volkswagen nun erstmals, dass auch die Wasserstoff-Brennstoffzelle auf der Basis des MQB umgesetzt werden kann, sobald die Forschungs- und Entwicklungsarbeit abgeschlossen ist und dabei eine für Neuwagenkäufer preislich akzeptable Lösung realisiert wurde. Vor der Markteinführung muss zudem eine Wasserstoff-Infrastruktur geschaffen werden. Gemeint ist hier nicht nur ein flächendeckendes Netz der Wasserstoff-Tankstellen, sondern auch die Herstellung des Wasserstoffs selbst. Denn Wasserstoff als Antriebsenergie macht nur dann Sinn, wenn die Primärenergie zu seiner Herstellung regenerativ gewonnen wird.

Volkswagen verfolgt – anders als viele Wettbewerber – die Strategie, auch alternative Antriebe auf der Basis von Großserienfahrzeugen zu realisieren. Genau wie der rein elektrisch betriebene e-Golf oder der mit einem Plug-In-Hybridantrieb ausgestattete Golf GTE sollen auch die künftigen Brennstoffzellenantriebe in ein alltagstaugliches, perfekt durchdachtes und preislich interessantes Serienmodell integriert werden. Vor diesem Hintergrund entstanden auf der Basis des amerikanischen Passat mehrere Forschungsfahrzeuge, in denen die gleichen Antriebskomponenten wie im Golf Variant HyMotion zum Einsatz kommen. Die Flotte des Passat HyMotion wird derzeit auf den Straßen Kaliforniens getestet.

Hintergrundwissen zum VW Golf Forschungsfahrzeug mit Wasserstoff-Brennstoffzelle

Antriebskomponenten

Systemallianz. Die zentralen Antriebskomponenten des Golf Variant HyMotion wurden von der Volkswagen Konzernforschung in Deutschland entwickelt. Das im Volkswagen Technologiezentrum für Elektrotraktion konzipierte Brennstoffzellensystem entwickelt eine Antriebsleistung von 100 kW. Darüber hinaus besitzt die Studie eine Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie, um die beim Bremsen (via Rekuperation) zurückgewonnene kinetische Energie zu speichern, die Startphase der Brennstoffzelle zu unterstützen und die maximale Beschleunigung des Golf Variant zu dynamisieren. Brennstoffzelle und Batterie treiben einen aus dem e-Golf adaptierten Elektromotor an.

Ein Auto, alle Antriebe. Die konstruktive Basis für diesen innovativen Automobilbau bildet der von Volkswagen entwickelte und konzernweit genutzte modulare Querbaukasten (MQB). Die aktuellen Golf Schrägheckversionen und der neue Golf Variant avancierten dank des MQB zur ersten Fahrzeugbaureihe der Welt, die mit allen denkbaren Antriebsarten darstellbar ist. Bereits heute wird der Golf mit Ottomotor (TSI), Dieselmotor (TDI), Erdgasantrieb (TGI), Elektroantrieb (e-Golf) und einem Plug-In-Hybridantrieb (Golf GTE) angeboten. Kein anderes Auto bietet diese Antriebsvielfalt. Mit dem Golf Variant HyMotion zeigt Volkswagen nun erstmals, dass auch die Wasserstoff-Brennstoffzelle auf der Basis des MQB umgesetzt werden kann, sobald die Forschungs- und Entwicklungsarbeit abgeschlossen ist und dabei eine für Neuwagenkäufer preislich akzeptable Lösung realisiert wurde. Vor der Markteinführung muss zudem eine Wasserstoff-Infrastruktur geschaffen werden. Gemeint ist hier nicht nur ein flächendeckendes Netz der Wasserstoff-Tankstellen, sondern auch die Herstellung des Wasserstoffs selbst. Denn Wasserstoff als Antriebsenergie macht nur dann Sinn, wenn die Primärenergie zu seiner Herstellung regenerativ gewonnen wird.

Perfektes Package. Volkswagen hat die Antriebskomponenten des Golf Variant HyMotion in den Vorderwagen integriert. Die Batterie findet ihren Platz über der Hinterachse; die Tanks sind im Fahrzeugboden untergebracht. Damit steht im Innenraum des Golf Variant HyMotion das gleiche Platzangebot wie in allen anderen Versionen des Modells zur Verfügung. Möglich wurde diese optimale Raumaus­nutzung, da bereits im Rahmen der MQB-Entwicklung alle technisch machbaren Antriebs- und Karosserievarianten im Lastenheft berücksichtigt wurden.

Systemkomponenten im Vorderwagen. Im Golf Variant HyMotion verschmelzen Module der Großserie mit völlig neu entwickelten Komponenten. Der wie skizziert vom neuen e-Golf adaptierte Elektromotor und das koaxial angeordnete zweistufige 1-Gang-Getriebe befinden sich vorn im Motorraum; beide Bauteile wurden von Volkswagen entwickelt. Ebenfalls im Motorraum angeordnet sind der Brennstoffzellenstapel, das Kühlsystem, ein Triportwandler – er passt die Spannung zwischen dem Elektromotor, der Brennstoffzelle und der Lithium-Ionen-Batterie an – und der Turboverdichter. Letzterer sorgt dafür, dass der Sauerstoff aus der Umgebungsluft in die Brennstoffzelle einströmt (Funktionsprinzip der Brennstoffzelle siehe Seite 6). Im Bereich des Mitteltunnels angeordnet ist die Leistungselektronik; sie wandelt den Gleichstrom (DC) in Dreiphasenwechselstrom (AC) um und treibt damit den Motor an. Darüber hinaus ist in der Leistungselektronik ein DC/DC-Wandler integriert, der die Energie aus der Hochvoltbatterie zur Versorgung des Bordnetzes in eine 12-V-Spannung umwandelt.

Systemkomponenten in der Fahrzeugmitte und im Heck. Die Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie befindet sich im Bereich der Hinterachse. Ebenfalls im Heck angeordnet ist eine 12-V-Batterie. Jeweils zwei der insgesamt vier Kohlefaser-Komposite-Tanks sind platzsparend unter der Rücksitzbank und dem Kofferraumboden angeordnet; gespeichert wird der Wasserstoff in den Tanks mit einem Druck von 700 bar. Der Tankeinfüllstutzen befindet sich – wie bei jedem anderen Volkswagen auch – auf der rechten Seite im Heck.

Batterie als zweites Kraftwerk. Die Lithium-Ionen-Batterie ist als zweites Kraftwerk an Bord ein wichtiger Baustein des Antriebssystems. Wie skizziert, speichert sie zum einen die während der Rekuperation gewonnene Energie. Zum anderen ist sie in allen Phasen wichtig, in denen der Turboverdichter gerade erst anläuft, etwa beim Anfahren. Zu diesem Zeitpunkt steht kurzfristig noch nicht ausreichend genug Strom zur Verfügung, um den Motor allein via Brennstoffzelle anzutreiben. In diesen Phasen springt die Lithium-Ionen-Batterie ein und versorgt den Elektromotor mit Energie. Zudem wirkt die Hochvoltbatterie während des schnellen Beschleunigens und auf dem Weg zur Höchstgeschwindigkeit wie ein Turbolader – beim sogenannten Boosten liefern Brennstoffzelle und Batterie in Allianz die Systemleistung von 100 kW.

Funktionsprinzip der Brennstoffzelle

Aufbau und Funktion im Überblick. Die Volkswagen Konzernforschung setzt im Golf Variant HyMotion – und im parallel als Forschungsfahrzeug aufgebauten US-Passat – die vierte Brennstoffzellen-Generation des Unternehmens ein. Die gleiche Brennstoffzelle kommt zudem in einem ebenfalls auf der Los Angeles Autoshow präsentierten A7 der Konzernmarke Audi zum Einsatz. In allen drei Fällen handelt es sich um einen in Deutschland entwickelten NT-PEM-Brennstoffzellenstapel; NT steht für Niedertemperaturbrennstoffzelle, PEM für Proton-Exchange-Membrane. Das zentrale Element jeder einzelnen Brennstoffzelle – von der mehrere zu einem Stapel (Englisch: Stack) zusammengefasst werden – ist die protonenleitende Membran (PEM). Sie befindet sich in der Brennstoffzelle jeweils zwischen einer Anode und einer Kathode. Auf der Seite der Anode strömt Wasserstoff, auf der Seite der Kathode Sauerstoff in die Zelle; Wasserstoff und Sauerstoff reagieren und verbinden sich auf der Seite der Kathode zu Wasser. Bei diesem Vorgang wird Energie frei.

Der Prozess zwischen Anode und Kathode im Detail. An der Anode wird der Wasserstoff in Elektronen und Protonen gespalten. Die positiv geladenen Protonen „wandern” durch die Membran zur Kathode. Die negativ geladenen Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Kathode. Dieser Stromfluss liefert elektrische Energie. An der Kathode reagieren die Protonen mit dem einströmenden Sauerstoff und den Elektronen zum sogenannten Produktwasser, das zum größten Teil über die Abgasanlage entweicht. Etwa sechzig Prozent der in Form von Wasserstoff eingesetzten Energie wird dabei in Strom verwandelt. Die Brennstoffzelle setzt demnach die chemische Energie eines Oxidationsprozesses, einer sogenannten „kalten” Verbrennung, direkt in elektrische Energie um. Als „Abgas” entsteht nichts anderes als sauberer Wasserdampf.

Technologiezentrum für Elektrotraktion
Kräfte gebündelt. Volkswagen erforscht seit den 90er Jahren das Potenzial der Wasserstoff-Brennstoffzelle und den Transfer dieser Antriebstechnologie in die Serie. Um die Kräfte bei der Entwicklung der Brennstoffzelle weiter zu forcieren, entschied sich Volkswagen Anfang des letzten Jahrzehnts, ein eigenes Technologiezentrum für Elektrotraktion in der Nähe des Stammsitzes Wolfsburg zu errichten. Die Wahl fiel dabei auf den Standort Isenbüttel. Dort entstand ab 2001 das auf elektrische Antriebe spezialisierte Entwicklungszentrum. Zur Infrastruktur des Technologiezentrums gehört eine eigene Wasserstoff-Tankstelle.

 

© Volkswagen / Golf Variant HyMotion mit Wasserstoff-Brennstoffzelle

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