Die 24 Stunden von Fuji – Toyota gibt mit Wasserstoff Gas

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Toyota geht im Motorsport ganz neue Wege – und einen nächsten großen Schritt in Richtung null Emissionen: Ein neu entwickelter Wasserstoffmotor treibt den Corolla als Rennfahrzeug beim 24-Stunden-Rennen im japanischen Fuji an. Bereits 2007 schrieb Toyota mit einem Supra HV-R als wegweisendem Hybrid-Rennwagen weltweit Geschichte in der Motorsportwelt.

Beim diesjährigen 24-Stunden-Rennen auf dem Fuji Speedway in Japan (22 und 23. Mai) geht ein mit Wasserstoffmotor angetriebener Rennwagen auf Basis des Toyota Corolla an den Start. Bei der Premiere für die brandneue und umweltfreundliche Fahrzeugperformance kommt das Versuchstriebwerk auf Basis des Typs “GE16-GTS” mit drei Zylindern zum Einsatz. Es verfügt über ein speziell angepasstes Kraftstoffversorgungs- und Einspritzsystem, das den Wasserstoff in die Brennräume des Hubkolbenmotors bringt. Die Vorteile: Die Verbrennung erfolgt schneller als bei vergleichbaren Benzinern. Das führt zu einem besseren Ansprechverhalten des Motors. Zudem verringern sich die Vibrationen – das Fahrgefühl sowie die Fahrzeugrückmeldung wiederum steigen und der markante Klang des Verbrennungsmotors bleibt erhalten. Der größte Vorteil der Antriebsart liegt aber in der Umweltfreundlichkeit: Wasserstoffmotoren stoßen keine CO2-Emissionen aus. Damit zahlt Toyota auf die bereits 2015 verkündete Toyota Environmental Challenge 2050 ein, dessen Ziel die CO2-Neutralität ist.

Verstecktes Potenzial nutzen

Das Timing bei der Entwicklung des außergewöhnlichen Modells war genauso sportlich wie das Fahrzeug an sich: Der Corolla mit Wasserstoffantrieb wurde erst am 24. April beim sogenannten „Shakedown“ intensiv auf Herz und Nieren geprüft. Seither ist das Modell in Vorbereitung auf das 24-Stunden-Rennen bereits mehrmals auf der Strecke getestet worden.

Doch wie kommt Toyota eigentlich auf die Idee, den neuen Motor ausgerechnet bei einem so anspruchsvollen Rennen zu testen? Präsident Akio Toyoda gibt die Antwort: „Der Grund für die Teilnahme an einem 24-Stunden-Langstreckenrennen ist, dass es nicht ausreicht, nur drei oder fünf Stunden zu schaffen. Man muss auf 24 Stunden vorbereitet sein. Darüber hinaus bin ich einer der Fahrer. Viele Menschen in Japan assoziieren Wasserstoff mit Explosionen. Ich möchte also zeigen, dass es sicher ist, wenn ich selbst in einem Rennen fahre.“

Akio Toyoda

“Ich möchte mich der Herausforderung stellen, mit wasserstoffbetrie-benen Motoren zu arbeiten – sie stellen ein verstecktes Potenzial für den Motorsport dar.”

Akio Toyoda, Toyota Präsident

Lead engineer Naoaki Ito erklärt die Idee hinter dem Antriebssystem: „Unser Konzept für dieses Projekt war die Entwicklung eines Wasserstoffmotors unter Berücksichtigung möglichst vieler vorhandener Verbrennungstechnologien. Der Gedanke war, dass dies die Umstellung bestehender Automotoren auf Wasserstoff ermöglichen würde – ein großer Schritt für das Erreichen von CO2-Neutralität. Zwar heißt es, dass wir einen Motor aus dem GR Yaris* ‚umgebaut‘ haben. Richtiger wäre es zu sagen, dass ‚wir daran gearbeitet haben, den Umbau zu ermöglichen‘. Wir glauben, dass zur Erreichung der CO2-Neutralität nicht nur der Bau neuer Autos erforderlich ist, sondern dass auch die bereits vorhandenen Autos und Technologien genutzt und verbessert werden müssen. Aus diesem Grund haben wir versucht, die ‚Verwandlung‘ mit minimalen Komponentenänderungen und Steuerungstechnologien zu ermöglichen.“

Die Ingenieure versuchten zunächst, einen Bi-Fuel-Ansatz mit 50 Prozent Benzin und 50 Prozent Wasserstoff zu entwickeln. Im nächsten Schritt setzten sie zu 100 Prozent auf Wasserstoff – mit eher mäßigem Erfolg: Anfangs fiel der Motor innerhalb von fünf Minuten aus. „Der Gedanke an ein 24-Stunden-Rennen schien zum damaligen Zeitpunkt selbst in unseren wildesten Träume nicht machbar“, sagt Ito.

Und wie gelang es letztlich, den wasserstoffbetriebenen Motor so zu verbessern, dass er in der Lage ist, ein 24-Stunden-Rennen zu überstehen? Die Ingenieure nennen drei Schlüsselfaktoren.

Erster Schlüsselfaktor: die Injektoren

Dahinter steckt Folgendes: In Benzinmotoren spritzen Injektoren flüssiges Benzin als winzige Partikel in den Motor. Für den neuen wasserstoffbetriebenen Motor wird jedoch Gas als Kraftstoff genutzt. Also galt es, eine Technologie zu entwickeln, mit der dieser Wasserstoff so eingespritzt werden kann, dass eine effiziente und stabile Verbrennung gewährleistet ist. Hier holten sich die Ingenieure von Toyota Unterstützung von den Experten des Zulieferers Denso. Am Ende war eine Kombination von Denso-Einspritzdüsen mit der Direkteinspritzungstechnologie von Toyota die entscheidende Lösung – und brachte das Team dem Traum vom 24-Stunden-Rennen wieder einen Schritt näher.

Zweiter Schlüsselfaktor: der Wasserstoff-Transport

Hier konnten die Ingenieure auf die Expertise der Wasserstofftank-Technologie im Toyota Mirai** zurückgreifen. Das Modell wird elektrisch angetrieben –  der Strom resultiert dabei aus einer chemischen Reaktion des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle mit dem Sauerstoff aus der Luft. Beim Wasserstoffmotor hingegen wird Wasserstoff verbrannt. Die Brennstoffzellen-Limousine lieferte daher die Technologie zum Transport von Wasserstoff.

Während der Mirai mit drei, unterflur integrierten Wasserstofftanks unterschiedlicher Größe (groß, mittel, klein) ausgestattet ist, verfügt der Rennwagen über insgesamt vier: zwei mittelgroße Tanks wie im Mirai sowie zwei leicht verkürzte Varianten. Dabei fasst der Rennwagen 180 Liter, während die Kapazität des Mirai bei 141 Liter liegt. Der Corolla ist also mit so vielen Tanks wie möglich ausgestattet, um die Turns auf der Rennstrecke und die gefahrene Strecke mit einer einzigen Ladung Wasserstoff zu maximieren.

Dass dabei der Sound nach wie vor beachtlich ist, zeigt dieses Video:

Dritter Schlüsselfaktor: die Technologie des GR Yaris

Das allseits bekannte und gelobte Hochleistungstriebwerk des GR Yaris nahmen die Ingenieure sich zum Vorbild. Die Tatsache, dass eben dieser leistungsstarke und standfeste Verbrennungsmotor bereits vorhanden war, erleichterte den Bau eines wasserstoffbetriebenen Motors immens.

Für Toyota dient das 24-Stunden-Rennen vor allem als Testfeld für den Einsatz der neuen Technologie im Motorsport. Der Präsident von GAZOO Racing, Koji Sato, sagt: „Wasserstoff ist mit vielen Herausforderungen verbunden, daher ist es nicht so einfach, ihn sich zu eigen zu machen.“ Am Ende aber müsse man Dinge immer wieder auf die Probe stellen und sich bewusst dorthin begeben, wo die Entwicklungen rasant und agil vorangehen. „Und im Motorsport ist die (Entwicklungs-)Zeitachse, wie Sie sich vorstellen können, überwältigend schnell und agil.“

Also: Auf geht’s. Auf die Strecke in Richtung Zukunft.

*Toyota GR Yaris 1,6-l-Turbobenziner, 192 kW (261 PS), Sechsgang-Schaltgetriebe (4×4), Kraftstoffverbrauch innerorts 9,3 l pro 100 km, außerorts 6,7 l pro 100 km, kombiniert 7,7 l pro 100 km, CO2-Emissionen kombiniert 175 g pro km, CO2-Effizienzklasse F. **Toyota Mirai, Brennstoffzelle mit Elektromotor 134 kW (182 PS), stufenloses Getriebe, Stromverbrauch kombiniert 0 kWh pro 100 km, Kraftstoffverbrauch (Wasserstoff) kombiniert 0,89-0,79 kg pro 100 km, CO2-Emissionen kombiniert 0 g pro km, CO2-Effizienzklasse A+

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21. Mai 2021

Die Kraftstoffverbrauchs- und Emissionswerte wurden nach dem vorgeschriebenen EU-Messverfahren (VO (EG) Nr. 715/2007) ermittelt. Weitere Informationen zum offiziellen Kraftstoffverbrauch und den offiziellen spezifischen CO₂-Emissionen neuer Personenkraftwagen können dem „Leitfaden über den Kraftstoffverbrauch, die CO₂-Emissionen und den Stromverbrauch neuer Personenkraftwagen“ entnommen werden, der an allen Verkaufsstellen und bei der Deutschen Automobil Treuhand GmbH (DAT) unter www.dat.de unentgeltlich erhältlich ist. Gesetzl. vorgeschriebene Angaben gem. Pkw-EnVKV, basierend auf NEFZ-Werten. Die Kfz-Steuer richtet sich nach den häufig höheren WLTP-Werten.