Beim Einsatz von zwei leicht entzündlichen Kraftstoffen wie Benzin und Wasserstoff in einem Antriebssystem ist Dichtheit eine entscheidende Anforderung - erst recht unter Rennbedingungen. Damit der Wasserstoff seine Wirkung im Motor entfaltet und nicht außerhalb, setzt man bei der Dichtheitsprüfung auf ein Lecksuchgerät.

Das 24-Stunden-Rennen am Nürburgring ist eines der anstrengendsten und herausforderndsten Langstreckenrennen überhaupt. Als erster Rennwagen mit Wasserstoffantrieb bewältigte ein Aston Martin Rapid S erfolgreich den Klassiker durch die Grüne Hölle, die Nordschleife des Nürburgrings. Hinter dem Erfolg steht neben Aston Martin vor allem Alset aus Graz. Das österreichische Unternehmen wollte die Serienreife seines hybriden Antriebskonzepts unter Beweis stellen und konnte die britische Fahrzeugschmiede für eine Kooperation gewinnen. Weitere Partner in dem Projekt waren unter anderem Magna Steyr, Gigatronik Austria, Linde, das FVT in Graz und der TÜV Süd.

Das Wasserstoff-System

Das Wasserstoff-System besteht aus vier Wasserstofftanks, jeweils einer Befüll- und Entnahmeleitung, einer Druckregeleinheit, einem Wasserstoff-Rail und den Einblasventilen sowie einem H2-Steuergerät und einem Motorsteuergerät mit jeweils ausgefeilter elektronischer Regelung und Überwachung. „Einen funktionsfähigen Wasserstoff-Hybrid-Antrieb zu entwickeln, ist prinzipiell nicht allzu schwierig", so Markus Schneider, Vice President of Operations bei Alset und verantwortlich für das Projekt. „Die Herausforderung liegt aber im Detail und besteht unter anderem darin, in jeder Betriebsform eine optimale, gleichmäßige Verbrennung zu erzielen, um das Maximum an Leistung aus den Kraftstoffen zu holen, den Motor nicht zu sehr zu belasten und gleichzeitig die für Wasserstoff typischen Verbrennungsanomalien zu kontrollieren."
Durch eine intelligente Betriebsstrategie, der Vermeidung von Drosselverlusten und den thermodynamischen Vorteilen von Wasserstoff bei der Verbrennung konnte der Wirkungsgrad im Wasserstoffbetrieb im Vergleich zum Benzinbetrieb um bis zu 35 Prozent verbessert werden - und dies praktisch ohne CO2-Emissionen. Die Modifikationen am Motor sind dabei minimal und lassen sich ohne größeren Aufwand auch in die Serienfertigung übertragen. Entscheidend ist an dieser Stelle auch die Dichtheit des Gesamtsystems, die an Fertigung und Prüfung allerdings einige Anforderungen stellt.

Safety first

Die Wasserstoff führenden Komponenten werden in einen Hochdruck- und einen Niederdruckbereich unterteilt. Wasserstofftanks sowie Befüll- und Entnahmeleitungen stehen unter einem Druck von 350 bar. Eine Regeleinheit reduziert den Druck auf 5 bar, bevor der Wasserstoff über eine Niederdruckleitung den beiden Einblaseleisten am Motor zugeführt und schließlich in das Saugrohr eingeblasen wird. Wasserstoff selbst ist harmlos, erst in der Verbindung mit Sauerstoff aus der Luft kann er eine explosive Wirkung im Brennraum des Motors entfalten. Für größte Sicherheit sorgt, neben der Verwendung zertifizierter, hochwertiger Komponenten sowie der Überwachungen verschiedener Systemwerte, eine vollständige Abdeckung des Wasserstoffsystems zum Fahrgastinnenraum. Zudem überprüfen Sensoren im Innenraum und unter der Abdeckung den Wasserstoffgehalt der Umgebungsluft. „Bereits ab einem Prozent riegelt das System automatisch ab, dann ist nur noch der Benzinbetrieb möglich, steigt der Wert weiter, wird der Fahrer aufgefordert, dass Fahrzeug an die Box zu fahren", erklärt Markus Schneider. „Das ist nur eines von vielen Sicherheitsfeatures, aber bis dato musste es noch nie eingreifen."

Dichtheitsprüfung und Dokumentation

Damit der Wasserstoff gleichmäßig zugeführt wird und auch kein Gas an die Umgebungsatmosphäre gelangt, müssen die Wasserstoff-Komponenten besonders hohe Dichtheitsanforderungen erfüllen. Bei allen Wartungen und Inspektionen wird daher das System auf Dichtheit überprüft. Hier kommt die mobile Variante des Sensistor ISH2000 von Inficon ins Spiel, mit dem das Team auch vor Ort am Nürburgring Dichtheitsprüfungen durchgeführt hat. Zwar tritt immer eine gewisse Menge an Wasserstoff aus - so etwas wie vollständige Dichtheit gibt es nicht. Mit typischerweise auftretenden Gesamtleckage-Raten in der Größenordnung von 0,02 bis 0,2 g Wasserstoff pro Monat ist die Menge aber so verschwindend gering, dass sich kein entzündliches Gasgemisch im freien Fahrzeugvolumen bilden kann. „Dennoch müssen wir selbstverständlich alle Komponenten auf ihre Dichtheit hin überprüfen", so Markus Schneider, „da die Beanspruchungen für Fahrzeug und Komponenten wesentlich höher sind als im regulären Straßenverkehr. Zudem benötigt das Entwicklerteam eine lückenlose, umfassende Dokumentation, um Sicherheit und damit Serientauglichkeit nachzuweisen."

Schnelle Prüfzeiten und hohe Genauigkeit kombiniert

„Der Sensistor ISH2000C ist batteriebetrieben und bietet uns damit die notwendige Flexibilität und Bewegungsfreiheit für eine Prüfung vor Ort auf der Teststrecke. Zudem ist er leicht zu bedienen und kann eventuelle Leckagen sehr schnell und präzise lokalisieren", ergänzt Markus Schneider. Die Alset-Ingenieure profitieren dabei von den intelligenten Betriebsmodi des Geräts. Sie fahren zuerst im Analyse-Modus alle Komponenten mit der Schnüffel­sonde des Lecksuchgeräts ab und messen, ob überhaupt Wasserstoff austritt. Ist das der Fall, gibt das Gerät ein akustisches Signal und der Prüfer kann in den Lecksuchmodus umstellen. „Tolerabel sind eigentlich Gesamtleckraten bis 10-3 mbar l/s. Wir messen allerdings gegen eine Grenzleckrate von aktuell 10-5 mbar l/s, ab diesem Wert wird bereits eine Leckage angezeigt", so Markus Schneider.
Für solch niedrige Leckraten braucht es einen hochempfindlichen Sensor, der aber im Regelfall recht lange benötigt, um sich von der Sättigung mit dem Prüfgas zu erholen. „Nicht so beim Inficon-Lecksuchgerät. Haben wir ein Leck aufgespürt, können wir innerhalb weniger Sekunden die Prüfung fortsetzen. Für die vollständige und umfassende Überprüfung aller Komponenten brauchen wir so gerade mal eine Stunde", lobt Markus Schneider. Die Kombination von schnellen Prüfzeiten und hoher Genauigkeit wird zudem für die geplante industrielle Serienfertigung ein entscheidendes Kriterium sein. Zumal sich die Leckortung auch problemlos automatisieren und in industrielle Produktionsprozesse integrieren lässt, was die Prüfzeiten weiter reduziert. Im Unterschied zu anderen Lecksuchgeräten im Markt, die lediglich den Anstieg der Wasserstoffkonzentration detektieren können, errechnet der Sensistor ISH2000C aus dem Anstieg der Konzentration in Abhängigkeit von den bekannten Drücken die korrekte Leckrate und erlaubt damit quantifizierbare Aussagen zur Leckgröße. Neben der reinen Lokalisierung können so auch echte Leckagen von unproblematischen technischen Undichtigkeiten unterschieden werden. Das Gerät rechnet alle Werte automatisch zu einer Summenleckage zusammen. So wissen die Prüfer sofort, ob eventuell zu viel Wasserstoff austreten könnte und ein Sicherheitsrisiko besteht. Was noch nie der Fall war.

„Die Technik ist absolut ausgereift", fasst Markus Schneider zusammen. „Geht der Hybridantrieb in Serie, müssen Autofahrer ihr Fahrzeug nur noch zu den regulären Inspektionen und TÜV-Terminen überprüfen lassen. Mit einem Lecksuchgerät wie dem von Inficon ist auch das schnell, genau und ohne großen Kostenaufwand möglich."