REVIVAL DES
WASSERSTOFF-VERBRENNERS
TEXT Kristina Simons
Schon heute können Autos mit Wasserstoff betrieben werden. In Brennstoffzellen wird der Energieträger in elektrische Energie umgewandelt, der dann den Elektromotor des Fahrzeugs antreibt. Doch es geht auch anders: Gleich mehrere Unternehmen arbeiten derzeit an Verbrennungsmotoren, die Wasserstoff ohne vorherige Umwandlung wie einen Kraftstoff nutzen können – und bei der Fahrt kein CO₂ emittieren.

urück in die Zukunft: Bereits in den 1990er-Jahren hat BMW ein Auto mit Wasserstoffverbrennungsmotor entwickelt, im Jahr 2000 baute das Unternehmen 15 Einzelexemplare vom Typ 750hL. Der japanische Hersteller Mazda stellte schon 1991 mit dem HR-X einen ersten Pkw-Prototypen vor, der Wasserstoff statt Benzin tankte. Doch die Technologie setzte sich damals nicht durch. Es fehlte damals – wie im Übrigen auch heute – schlicht an der Infrastruktur, um die Wasserstoffverbrenner aufzutanken. Wie stehen die Chancen heute, wo immer klarer wird, dass die Elektromobilität mangels ausreichend grünen Stroms alleine nicht reichen wird, um den Verkehrssektor in Deutschland zu defossilisieren? Grüner Wasserstoff, der mittels Erneuerbarem Strom hergestellt wird, wird eine immer größere Rolle spielen: als Basis für klimaneutrale synthetische Kraftstoffe, in Brennstoffzellen-Fahrzeugen und nun womöglich auch zur direkten Nutzung in Verbrennungsmotoren. Das ist vor allem für Lkw oder große Bau- und Landmaschinen interessant. „Speziell beim Nutzfahrzeug ist Wasserstoff als Energieträger deshalb so relevant, da die täglichen Fahrleistungen und die damit einhergehenden notwendigen Energiemengen signifikant größer sind als bei Personenkraftwagen“, erläutert Bernhard Raser, Produktlinienmanager Internal Combustion Engine-basierte Antriebsstränge für Lkw und Busse beim Antriebsentwickler AVL List.
Das Unternehmen aus Graz arbeitet derzeit an einem hocheffizienten Wasserstoff-Verbrennungsmotor für den Schwerlastverkehr. Batterieelektrische Antriebe seien in der Nutzfahrzeuganwendung derzeit nämlich nicht in allen Einsatzprofilen attraktiv. „Die vergleichbar kurzen Tankzeiten von Wasserstoff kommen hier dem Güterverkehr mehr zugute, als das im Personenverkehr der Fall ist.“

„Aus strategischer Sicht macht der Nutzfahrzeugsektor als
Einstiegssegment sicherlich am meisten Sinn.“

Jürgen Nadler,
Sprecher des Münchner
Start-ups Keyou
„Sehr gute Wirkungsgrade – vergleichbar mit denen des Dieselmotors oder sogar noch besser.“
Markus Schwaderlapp,
Leiter Produktentwicklung
Deutz AG

Vorteile gegenüber Batterie und Brennstoffzelle

Alle Motoren, die heute mit Gas, Benzin oder Diesel laufen, können an sich auch mit Wasserstoff betrieben werden, unabhängig von der Motorengröße oder der jeweiligen Anwendung. „Die Nachfrage hierzu ist auf Endkundenseite auch schon vorhanden“, sagt Jürgen Nadler, Sprecher des Münchner Start-ups Keyou, das ebenfalls gerade einen lokal emissionsfreien Wasserstoffantrieb entwickelt hat. „Aus strategischer Sicht macht aber der Nutzfahrzeugsektor als Einstiegssegment sicherlich am meisten Sinn, weil dort vor allem Reichweite, Nutzlast, dauerhafte Haltbarkeit und Kosteneffizienz gefragt sind – alles Eigenschaften, die Batterie und Brennstoffzelle in diesem Marktsegment weniger erfüllen.“ Im Vergleich zum Pkw-Markt benötige man im Nutzfahrzeugsektor nicht zwingend ein engmaschiges Tankstellennetz, da beispielsweise Busse und kleinere Lkw eher zentral im Depot betankt würden. „Und durch den sukzessiven Ausbau des Wasserstoff-Tankstellennetzes können auch Lkw bedient werden, die mehr auf der Langstrecke unterwegs sind.“ Klar sei aber, dass beim Thema Infrastruktur in den nächsten Jahren noch viel passieren müsse.
Ein weiterer Vorteil des Wasserstoffverbrenners gegenüber einem Brennstoffzellen-Fahrzeug ist, dass bestehende Grundmotoren verwendet und weiterentwickelt werden können.„Zwar ist die technische Herausforderung nicht trivial, da Wasserstoff seine spezifischen Herausforderungen hat“, sagt Keyou-Sprecher Nadler. Mit der richtigen Expertise und Erfahrung sei das aber durchaus beherrschbar. Während der Basismotor selbst weitestgehend unverändert bleiben kann, müssen verschiedene Hard- und Softwarekomponenten angepasst werden: unter anderem das Kraftstoffzuführungssystem, Druckregler, Ventile, Zündanlage, aber auch Turbolader oder Kolben. „Wichtig sind natürlich auch die Betriebsstrategie sowie die entsprechende Software, die den ganzen Prozess steuert“, so Nadler. Das ursprüngliche Steuergerät müsse durch ein spezifisches Wasserstoff-Steuergerät ersetzt werden. „Auch müssen die eingesetzten Werkstoffe auf ihre Tauglichkeit im Wasserstoffbetrieb überprüft und abgesichert werden“, ergänzt Bernhard Raser von AVL. Deshalb hat sich der Antriebsentwickler mit zwei weiteren Unternehmen zusammengetan: dem brasilianischen Unternehmen Tupy, Spezialist für hochbelastbare, maschinell gefertigte Eisenguss-Komponenten, sowie mit Westport Fuel Systems, internationaler Anbieter von Transporttechnologien, die mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden und emissionsarm sind.

Wirkungsgrade verbessern

Um den Wirkungsgrad derzeitiger Wasserstoff-Verbrennungsmotoren zu erhöhen und damit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, setzen die drei Partner auf Hochdruck-Direkteinspritzung (HPDITM). Die ersten Prüfstandergebnisse werden bis Anfang 2022 erwartet. AVL hat bereits zuvor zu Demonstrationszwecken einen Wasserstoffverbrennungsmotor für Nutzfahrzeuge mit einem ottomotorischen Brennverfahren entwickelt. „Damit konnten wir Spitzenwirkungsgrade von mehr als 42 Prozent darstellen.“ Der neue Wasserstoffmotor werde eher einem dieselmotorischen Brennverfahren folgen. „Daraus resultieren signifikant höhere Wirkungsgrade.“ Angestrebt würden mehr als 50 Prozent.  
Auch Keyou will den Wirkungsgrad weiter erhöhen. Auf dem Prüfstand habe das Unternehmen bereits Wirkungsgrade von bis zu 44,5 Prozent erzielt. Während hier der Wasserstoff sequenziell, also direkt vor dem Einlassventil, eingeblasen wurde, arbeitet das Start-up nun an der sogenannten Direkteinblasung, bei der der Wasserstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Keyou rechnet damit, dass sich dadurch der Wirkungsgrad um weitere gut 1 bis 2 Prozent erhöht. Die Deutz AG, Hersteller von Motoren für Großfahrzeuge wie Bau- und Landmaschinen, rechnet ebenfalls „mit sehr guten Wirkungsgraden – vergleichbar mit denen des Dieselmotors oder sogar noch besser“, so Markus Schwaderlapp, Leiter Produktentwicklung. Das Kölner Unternehmen hat gerade seinen ersten Wasserstoffmotor auf den Markt gebracht. Der TCG 7.8 H2 soll ab 2024 in Serie produziert werden.

Nahezu emissionsfrei

Wasserstoff verbrennt mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, es entsteht also kein klimaschädliches CO2. Durch Inhomogenitäten im Brennraum können sich in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor Stickoxide (NOx) bilden. Um sie zu reduzieren, kommen daher Abgasnachbehandlungssysteme wie SCR-Katalysatoren zum Einsatz. Außerdem werden durch das Verbrennen von Schmieröl kleine Mengen CO2 emittiert. „Diese sind aber so gering, dass selbst die EU den Wasserstoffmotor als Zero Emission klassifiziert, da er weniger als ein Gramm CO2 pro Kilowattstunde ausstößt“, betont Keyou-Sprecher Nadler.

Wasserstoff-Verbrenner:
AVL verwendet einen 12,8-Liter-Erdgasmotor als Basis für die Entwicklung.