BMW iX5 Hydrogen im Wintertest nahe dem Polarkreis

BMW prüft den Einsatz von Wasserstoff erneut als Antriebslösung für Automobile. Wir waren nahe des Polarkreises mit einem Prototyp des iX5 Hydrogen unterwegs und kehrten beeindruckt von der Fahrdynamik dieses SUV zurück. Noch vor Jahresende soll eine erste Kleinserie gebaut werden.

Wir befinden uns auf dem 28 Hektar großen Wintertestgelände der BMW Group, auf einer Versuchsstrecke also, auf der sich entscheidet, was fahrdynamisch und beim Handling wirklich überzeugt.

Das gilt umso mehr, weil einige Abschnitte über einen zugefrorenen See führen – einen von fast 9.000 in dieser Region nahe Arjeplog im Norden Schwedens, 55 km südwestlich des Polarkreises.

Der SUV aus München lässt sich davon nicht beeindrucken: Selbst auf den schwierigsten Untergründen kommt er voran, gelegentlich mit leicht auskeilendem Heck. Für den Fahrer bleibt das dank passender Winterreifen, die genügend Traktion und Grip bereitstellen, weitgehend unproblematisch.

Zusätzlich hilft der Wechsel in den B-Modus erheblich dabei, die gewünschte Linie wiederzufinden und übertriebene Anzeichen eines „losen Hecks“ bei diesem elektrisch angetriebenen Hecktriebler zu beseitigen.

Bevor wir das Fahrverhalten des BMW iX5 Hydrogen genauer analysieren, folgt zunächst die Vorstellung des Fahrzeugs.

Der BMW iX5 Hydrogen auf den ersten Blick

Abgesehen von der zusätzlichen Messtechnik im Innenraum wirkt alles erstaunlich „normal“. Dabei ist dieser X5 alles andere als gewöhnlich: Es handelt sich um den Prototyp iX5 Hydrogen, also ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (FCEV), das 2019 auf der IAA in Frankfurt erstmals öffentlich gezeigt wurde.

Beim Fahren sind im Vergleich zum iX, dem anderen großen Elektro-SUV von BMW mit Batterieantrieb (BEV), kaum Unterschiede auszumachen. Der iX5 bewegt sich über den vereisten See ebenso souverän wie über schneebedeckte Straßen.

Und das ohne den Nachteil, dass seine Reichweite durch Minusgrade oder den dauerhaften Einsatz der Klimaanlage massiv einbricht.

Sowohl iX als auch iX5 Hydrogen bringen 2,5 Tonnen auf die Waage; ebenso schwer ist der X5 Plug-in-Hybrid (PHEV), dessen technische Basis dieser Prototyp nutzt. Die hohe Masse erklärt auch, weshalb der BMW iX5 Hydrogen im Comfort-Modus etwas zurückhaltend wirkt – und die Lenkung in dieser Einstellung ein wenig unpräzise erscheint.

Was selbstverständlich wirkt, ist in Wahrheit alles andere als einfach. Zahlreiche Komponenten müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein, damit ein derart kompetentes Fahrverhalten möglich wird.

Die bayerischen Ingenieure beschreiten mit dem BMW iX5 Hydrogen in mehrfacher Hinsicht Neuland. Ihr Ziel war insbesondere ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Spitzenleistung von 275 kW (374 PS) zu entwickeln – die höchste Leistung, die bislang in einem Pkw installiert wurde. Die Dauerleistung fällt mit 125 kW beziehungsweise 170 PS deutlich geringer aus.

Damit dieses Leistungsniveau erreicht werden kann, übernimmt ein elektrischer Turbolader die Versorgung mit verdichtetem Sauerstoff. So kann der Wasserstoff mit Sauerstoff reagieren und elektrische Energie erzeugen. Eine der großen Herausforderungen bestehe darin, sicherzustellen, „dass die Brennstoffzelle sofort arbeitet“, erläutert der Techniker Robert Halas.

3 bis 4 Minuten für 500–600 km

Das Herzstück des Brennstoffzellensystems sitzt im Motorraum. Es entspricht etwa der Größe eines Dreizylinder-Verbrennungsmotors und wiegt rund 180 kg.

Die beiden Kohlefaserbehälter speichern Wasserstoff bei einem Druck von 700 bar. Sie befinden sich unter der Rückbank und im Mitteltunnel – beim X5 mit Verbrennungsmotor der Getriebetunnel – und sind T-förmig angeordnet. Mit einem Fassungsvermögen von 6 kg ermöglichen sie 500 km bis 600 km Reichweite; an einer H₂-Station dauert eine vollständige Betankung lediglich drei bis vier Minuten.

Das leistungsstärkste Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug

Bei BMW besitzt Fahrdynamik traditionell einen besonders hohen Stellenwert. Deshalb arbeitet unter dem Kofferraumboden eine Hochvoltbatterie mit 150 kW und einer Kapazität von 2,3 kWh. Sie dient als Energiereserve und hebt die Systemleistung für begrenzte Zeit auf 275 kW (374 PS), wenn besondere Anforderungen oder der Wunsch nach mehr Leistung bestehen. Dafür genügt ein Druck auf die Sportmodus-Taste – und der Spaß kann beginnen … solange die Reserven reichen.

Die Antriebskraft liefert ein BMW-Elektromotor der fünften Generation, der die Hinterachse antreibt. Ausschließlich mit Energie aus der Batterie erreicht der iX5 mit Wasserstoff-Brennstoffzelle eine Reichweite von 10 km bis 15 km. Ihre Besonderheit liegt darin, dass sie Energie sehr schnell abgeben kann und sich ihre Zellen ebenso zügig wieder laden lassen.

Den Sprint auf 100 km/h absolviert das Fahrzeug in weniger als sieben Sekunden, danach sind bis zu 190 km/h Höchstgeschwindigkeit möglich. Damit dieser Leistungsschub jederzeit verfügbar bleibt, lädt das Brennstoffzellensystem die Hochvoltbatterie kontinuierlich und hält ihren Ladezustand stets zwischen 60 % und 80 %.

Weitere Einschränkungen kennt der BMW iX5 Hydrogen nicht: Der Kofferraum ist ebenso groß wie jener des Plug-in-Hybridmodells X5 xDrive45e, während das Fahrwerk mit Luftfederung mehr als ausreichend Komfort bietet.

Für Juergen Gueldner, Vizepräsident BMW Hydrogen Fuel Cell Technology and Vehicle Projects, ist besonders erfreulich, „dass die Brennstoffzelle ohne jegliche Verzögerung auf Befehle des Gaspedals reagiert“.

Dies ist der zweite Versuch von BMW, ein FCEV zu entwickeln. Vorausgegangen war 2015 der 5er Gran Turismo, mit dem die erste Zusammenarbeit mit Toyota auf diesem Gebiet begann.

Verglichen mit jenem Projekt konnte die deutsch-japanische Kooperation die Energiedichte des iX5 Hydrogen deutlich erhöhen. Er kombiniert Toyota-Zellen mit einem Brennstoffzellenmodul und Software aus Bayern.

Eine weitere wichtige Grundlage zur Verbesserung dieses experimentellen Antriebs lieferte die jüngste, fünfte Generation des BMW-eDrive-Systems, auf dem das Fahrzeug basiert.

Im Unterschied zum iX bezieht es Strom jedoch nicht aus einem Hochvoltbatteriesystem. Stattdessen entsteht die Elektrizität in Zellen, welche den komprimierten Wasserstoff umwandeln; ein anschließender Konverter passt die Spannung so an, dass der Elektromotor sie nutzen kann.

Eine Frage der Chemie

Bei dieser chemischen Reaktion werden Wasserstoff- und Sauerstoffatome zusammengeführt. Würde man einen Behälter einfach mit den Gasen dieser beiden Elemente füllen, entstünde daraus allerdings nicht automatisch Wasser. Erst wenn Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle angeregt, beschleunigt und mit höherer Energie zusammengebracht werden, können sie Wasser bilden.

Der Vergleich von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV) mit Batterie-Elektrofahrzeugen (BEV) und Verbrennern verdeutlicht, weshalb sich diese Technik noch nicht als wichtigste Lösung für eine dringend gewünschte CO₂-neutrale Zukunft durchgesetzt hat – den heiligen Gral des dritten Jahrtausends.

Denn obwohl die Energiedichte von Wasserstoff pro Kilogramm ungefähr dreimal höher ist als die von Benzin, muss das leichteste aller Elemente stark verdichtet werden, um ausreichend dicht zu sein. Selbst dann bleibt es noch weit von der Energiedichte von Benzin entfernt.

Damit eignet sich Wasserstoff nicht als passende Lösung für Verbrennungsmotoren, deren Wirkungsgrad unter jenem von Elektromotoren liegt. Gegenüber Batterie-Elektrofahrzeugen bestehen jedoch einige unbestreitbare Vorteile, weil ein Brennstoffzellensystem angemessene Mengen elektrischer Energie bereitstellen kann.

Selbst wenn ein Brennstoffzellenmodul fast leer ist, erzeugt es weiterhin Hochspannung – anders als Batterien. Das erklärt, warum Batteriemanagement und die Vermeidung eines Unterschreitens eines vorher definierten Ladegrenzwerts so wichtig sind; beides ist für Lebensdauer und Gesamtfunktion absolut entscheidend.

Kleinserie noch in diesem Jahr

Wer den BMW iX5 Hydrogen lediglich für ein unterhaltsames Experiment technikbegeisterter Ingenieure hält, liegt falsch.

Noch vor Jahresende soll eine Kleinserie des Wasserstoff-Brennstoffzellen-SUV produziert werden. Bis Ende des Jahrzehnts dürften diese Brennstoffzellenvarianten nach Einschätzung von BMW genauso viel kosten wie vergleichbare Batterie-Elektrofahrzeuge, dabei 100 kg leichter sein und eine ähnliche Reichweite bieten.

Einige Monate später folgt außerdem ein iX5 Hydrogen mit Allradantrieb. Dazu kommt ein zweiter Elektromotor an der Vorderachse, der unter dem Brennstoffzellenmodul eingebaut wird.

Nach der BMW-Strategie sollen Batterie-Elektrofahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge dieselben Plattformen nutzen, weil diese Synergien die Kosten niedrig halten. Die Brennstoffzelle eines Pkw unterscheidet sich nicht von der eines Lkw; der Platingehalt wird fortlaufend reduziert, und das Material stammt aus recycelten Katalysatoren von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Ausbau der Infrastruktur

Auch ein Nebeneinander von Wasserstoff und Batterie-Elektromobilität erscheint möglich. Laut der Hydrogen-Council-Studie „Roadmap to zero Emissions“ unterscheidet sich die CO₂-Bilanz von Batterie-Elektrofahrzeugen und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen bei Betrachtung des gesamten Lebenszyklus nicht wesentlich.

Zudem muss Strom für Batterie-Elektrofahrzeuge immer in der Nähe des Netzes erzeugt werden, während Wasserstoff über große Distanzen per Schiff oder Pipeline transportiert werden kann.

Die Vereinigten Arabischen Emirate beschäftigen sich bereits seit einiger Zeit mit dem Ansatz, Solarenergie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff zu nutzen, und haben dafür eine Arbeitsgruppe mit Deutschland gegründet.

Ob aus Solar- oder Windenergie gewonnen: Der große Vorzug von Wasserstoff besteht darin, dass er nicht nur als „Kraftstoff“, sondern auch als speicherbare Energie dienen kann.

Einerseits dürfte es wegen des weit verzweigten bestehenden Pipelinenetzes möglich sein, einzelne Abschnitte für Wasserstoff freizugeben. Andererseits untersuchen Unternehmen wie Linde Engineering ein Verfahren, beide Gase gemeinsam durch die Leitungen zu führen und sie am Ziel mithilfe von Membranen wieder zu trennen. In Dormagen (Deutschland) wurde bereits eine erste Pilotanlage eröffnet.

BMW unterstützt AFIR, die Verordnung über den Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe. Sie soll sicherstellen, dass das Netz an Wasserstofftankstellen so dicht wird, dass die Distanz zwischen Stationen entlang wichtiger Verkehrsachsen höchstens 150 km beträgt.

Für die Marke aus München reicht selbst das nicht aus: Wenn BMW sich durchsetzt, soll dieser Abstand bis 2027 auf weniger als 100 km sinken.