Chancen für Alternative Antriebe und Energien für Le Mans

Autoren

V. Beaumesnil, Automobile Club de l’Ouest, Le Mans; B. Niclot, FIA, Paris; Dr. W. Warnecke, Shell, Hamburg

Jahr

2017

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 802

Zusammenfassung

Seit fast 100 Jahren werden Rennwagen von Verbrennungsmotoren angetrieben und mit Benzin oder Dieselkraftstoff betankt, wobei eine zunehmende Elektrifizierung stattfindet. Die Herausforderungen der Mobilität der Zukunft liegen zum einen beim Thema der globalen und lokalen Emissionen, zum anderen aber auch in der Frage nach verfügbaren Energieressourcen und daraus produzierbaren Kraftstoffen. Die WEC-Serie (World Endurance Championship) mit dem 24-Stunden-Rennen von Le Mans als Höhepunkt hat gezeigt, dass Rennsport die Entwicklung von technologischen Innovationen beschleunigt. Ein Beispiel für die Offenheit der Serie für Innovation ist das Duell der letzten Jahre zwischen Ottound Dieselmotoren mit den verschiedenen Stufen der Hybridisierung. Die WEC möchte Anreize für neue Kraftstoffe und Antriebskonzepte setzen, die ökologisch sinnvoll sind, Emissionen reduzieren und die Energie-Effizienz verbessern. Es soll eine Plattform für innovative Fahrzeugkonzepte bereitgestellt werden, die später auch in Serie gehen könnten. Für Langstreckenrennen sehen wir dabei zwei Optionen: Die Optimierung des konventionellen Verbrennungsmotors (ICE) durch weiterentwickelte Verbrennungsprozesse mit dem Ziel, Emissionen reduzieren und die Nachhaltigkeitsbilanz zu verbessern – zum Beispiel durch die vermehrte Verwendung von advanced Biokraftstoffen wie etwa Biomethan (ein Konzept, das mit der „Pit 56“ in Le Mans 2017 umgesetzt wird). Der andere Weg ist eine weitergehende Elektrifizierung des Antriebs, ausgehend von Hybridkonzepten, die für kurze Phasen reinelektrischen Vortrieb erzeugen bis hin zu batterieelektrischen Fahrzeugen (Battery Electric Vehicle, BEV) oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen mit Wasserstoff als Energieträger (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV). Nach heutigem Stand der Technik stehen batterieelektrische Antriebe (BEV) im Langstreckenrennsport (und vergleichbaren Distanzen auf der Straße) vor nicht unerheblichen Herausforderungen, weil Energiedichte und Kapazität der Energiespeicher nicht ausreichen und die Ladedauer bislang zu lang ist – vom Gewicht und den Ausmaßen der Batterien ganz abgesehen. Ob und wie BEVs in WEC-Langstreckenrennen vielleicht doch erfolgreich sein könnten, wäre Gegenstand einer gesonderten detallierten Untersuchung. Dagegen scheint es denkbar, dass mit Wasserstoff betankte FCEVs die erfolgsversprechende Option für emissionsfreien Rennsport sind und mit konventionellen Hybridantrieben konkurrieren könnten. Dieses Paper konzentriert sich auf die Bewertung der mit Wasserstoff betankten FCEVs und geht der Frage nach, wie konkurrenzfähig dieses Konzept gegenüber Otto- und Diesel-Hybridrennfahrzeugen in der Le Mans-Prototype-1-Klasse (LMP1) sein könnte. Die Grundlage bildet eine von der FIA zusammen mit dem Automobile Club de l’Ouest, ACO, entwickelte Simulation, die es erlaubt, die Leistungsfähigkeit eines LMP1 FCEV mit einem LMP1 Benzinhybrid zu vergleichen, Schwachstellen zu identifizieren und Optionen zur Verbesserung der Konkurrenzfähigkeit in einem 24-Stunden-Rennen durchzuspielen. Dabei werden die Anforderungen an die Effizienz eines Brennstoffenzellenantriebs beleuchtet, das Kühlungskonzept analysiert (auch in seiner Auswirkung auf die Aerodynamik) und die Größe und Gewicht der Antriebseinheit mit Blick auf die verschiedenen Aggregatszustände des Wasserstoffs (Hochdruck oder cryo-verflüssigt) sowie die damit verbundenen Tank- und Betankungskonzepte untersucht. Das vorliegende Paper erörtert die verschiedenen Herausforderungen, Perspektiven und Potenziale und diskutiert die Ergebnisse mit Blick auf zukünftige Rahmenbedingungen der Rennen in der WEC.