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23.08.2017 | Betriebsstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Erlebt der Wasserstoff-Verbrennungsmotor eine Renaissance?

Autor:
Christiane Köllner

Eigentlich ein alter Hut, aber vielleicht vor dem Comeback: der Wasserstoff-Verbrennungsmotor. Ein Start-up will nun konventionelle Nfz-Dieselmotoren zu emissionsfreien H 2­-Motoren umrüsten.

Während die Autobranche über Brennstoffzellenfahrzeuge nachdenkt, also über ein Antriebssystem mit Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle und Elektromotor, schlägt ein Start-up aus München einen alternativen Weg ein, um die Evolution des Fahrzeugantriebs voranzutreiben. Das Start-up Keyou arbeitet an einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor, der mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben wird.

Der Ansatz des Start-ups macht sich die Flexibilität des Verbrennungsmotors zunutze, der mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben werden kann. Das Potenzial, auch nicht-fossile und damit CO2-neutrale Kraftstoffe flexibel nutzen zu können, ist ein Hebel für die Optimierung des Verbrennungsmotors. 

Neu ist das Konzept des Wasserstoff-Verbrennungsmotors nicht, wie Andreas Burkert im Report Wasserstoff lässt sich auch gut verbrennen aus der MTZ 4-2017 darlegt. Insbesondere BMW hat sich auf diesem Gebiet engagiert und bereits 1979 seinen ersten Wasserstoff‐4‐Zylindermotor vorgestellt. "Im Jahr 2000 fertigte man zunächst 15 BMW 750hL, im Jahr 2004 folgte der Wasserstoffrennwagen H2R und 2006 wurden einhundert nur leasbare BMW Hydrogen 7 produziert", präzisieren die Springer-Autoren Jochen Lehmann und Thomas Luschtinetz im Kapitel Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge aus dem Buch Wasserstoff und Brennstoffzellen. In den neunziger Jahren sei auch an Hochschulen wie an der FH Stralsund der Wasserstoff‐ beziehungsweise Mischgasbetrieb von entsprechend umgerüsteten Ottomotoren untersucht worden. 

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Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge

Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnik klingen zunächst futuristisch. Schaut man aber auf die Vielzahl der Anwendungen, dann handelt es sich um eine jahrzehntelang „gereifte“ Technologie. Von der Apollo-Mission über U-Boote bis zum unermüdlichen Gabelstapler in unseren Warenlogistik-Zentren oder dem Rennwagen, der auf 100km nur 7g Wasserstoff benötigt, spannt sich der Bogen der ersten Anwendungen.

Motorseitige Erfolge

Beim Wasserstoff-Verbrennungsmotor wird ein konventioneller Verbrennungsmotor mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben. Wie in herkömmlichen Benzinmotoren arbeitet der Gesamtprozess dabei nach dem Ottoprinzip. "Bei der äußeren Gemischaufbereitung können diese Motoren relativ einfach durch Einblasen von Wasserstoff in den Ansaugkanal für den Betrieb mit Wasserstoff modifiziert werden, aber auch die innere Gemischbildung durch Direkteinspritzung ist möglich", erklären die Springer-Autoren Lehmann und Luschtinetz. Als Verbrennungsprodukte würden Wasserdampf und gut über die Luftzahl steuerbare Stickoxide anfallen. Im Abgas nachweisbar seien auch auf das Motoröl zurückgehende Kohlenstoffverbindungen. Feinstaub werde nicht freigesetzt.

Das hört sich erst einmal gut an. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor ist zwar kein Zero-Emission-Fahrzeug, im Vergleich mit anderen Antriebssystemen ist er aber nahezu schadstofffrei. Auf Basis der Fahrzeugtypen Mercedes-Benz 230 TE und 280 TE erprobte Daimler-Benz Anfang der achtziger Jahre an dem serienmäßig verbauten 2,3-l-Ottomotor die Kraftstoffalternative Wasserstoff. Jahre später wollte BWM mit dem Hydrogen 7 ebenfalls den Beweis antreten, dass dieser Kraftstoff eine attraktive Alternative zum herkömmlichen Kraftstoff ist. Im Frühjahr 2006 präsentierte das Unternehmen die erste von einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor angetriebene Luxuslimousine. Doch dann ebbte die Begeisterung für H2­-Motoren allmählich wieder ab. Warum verloren die Hersteller das Interesse? 

Probleme bei Energieeffizienz und Speicherung

Einen Grund liefern die Springer-Autoren Lehmann und Luschtinetz: 

Der Wirkungsgrad von Wasserstoffmotoren ist höher als der von Benzinmotoren, da die Verbrennung durch die hohe Brenngeschwindigkeit einem Gleichraumprozess näher kommt als ein Benzinmotor", so die Autoren. 

Allerdings führe der niedrigere volumenbezogene Heizwert von Wasserstoff und der Betrieb mit einem relativ hohen Luftüberschuss zu einer niedrigeren volumenbezogenen Leistung, sodass bei gleichem Hubraum die Leistung sinke. 

Eine Herausforderung war damals auch das Speichern des flüssigen Wasserstoffs, wie Burkert in seinem Report erläutert. Der bei extrem tiefen Temperaturen gespeicherte Kraftstoff sei trotz aufwendiger Isoliermaßnahmen nach einiger Zeit verschwunden. Entscheidend aber sei neben der fehlenden Infrastruktur auch die politische Entwicklung in Amerika gewesen, und zwar das Urteil der kalifonischen Umweltschutzbehörde EPA, den Hydrogen 7 nicht als Zero Emission Vehicle (ZEV) anzuerkennen. Es wurde befürchtet, dass Schmieröl in den Verbrennungsraum gelangen könnte. Kalifornien verlangte lieber nach dem Elektroauto.

Start-up Keyou: Wasserstoff-Add-on-Kit für Motoren

Jetzt scheint eine Renaissance des Wasserstoff-Verbrennungsmotors bevorzustehen. Um die Idee des H2-Motors wiederzubeleben, hat sich das Ende 2015 gegründete Münchner Start-up Keyou mit den Ingenieuren Thomas Korn und Alvaro Sousa zusammengetan, die beide in der Forschung und Entwicklung von alternativen Antrieben bei BMW tätig waren. Der Wasserstoff soll diesmal aber keine Pkw, sondern Nutzfahrzeuge antreiben. Das Unternehmen will konventionelle Dieselmotoren zu emissionsfreien H-Motoren umrüsten – ohne großen Änderungsaufwand des Basismotors. Aufwand und Kosten für die Umrüstung seien sei mit denen für Erdgasfahrzeuge vergleichbar, erklären die Keyou-Experten. Das Konzept kombiniert eine effiziente Einblasung, Abgasrückführung und Turboaufladung mit einer patentierten H2-SCR-Katalysator-Technik. 

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So arbeitet der Motor

Die in der Vergangenheit von BMW und MAN praktizierte stöchiometrische Wasserstoffverbrennung im saugmotorischen Betrieb sei im Keyou-Konzept durch eine turboaufgeladene Magerverbrennung ersetzt worden, erklären die Experten des Start-ups. Der Wasserstoff werde durch speziell entwickelte Injektoren sequenziell in den Brennraum eingeblasen, anschließend mit dem verdichteten Luftsauerstoff vermischt und durch ein spezielles Zündsystem entflammt.

Aufgrund der hohen Brenngeschwindigkeiten eines Wasserstoffluftgemischs – im Vergleich zu ölbasierenden Kraftstoffluftgemischen – und dessen weite Zündgrenzen lasse sich das hohe Wirkungsgradpotenzial der Wasserstoffverbrennung in diesem Konzept nutzbar machen, erklärt Keyou. So komme es bei einem Wasserstoffmotor zu einem deutlich ausgeglichenem, hohen Wirkungsgradverlauf im gesamten Betriebskennfeld. Am Ende könnten Kraftstoffverbräuche von Wasserstoff-Fahrzeugen mit Keyou-Inside-Technik Verbräuche von konventionellen Fahrzeugen deutlich unterbieten.

Da keine Kohlenstoffatome im Kraftstoff enthalten seien, rekombiniere der Luftsauerstoff bei der Verbrennung mit Wasserstoff zu Wasserdampf. Stickoxide sollen durch die Kombination von Abgasrückführung (AGR) und einem speziellen Wasserstoff-SCR-Katalysator vermieden werden, sodass als Abgas nur Wasserdampf entsteht.

Nutzfahrzeugtypische Leistungsdaten

Wie fallen die Leistungsdaten des Motors aus? In Forschungsmotoren haben man bereits effektive Wirkungsgrade von 50 Prozent an der Kurbelwelle messen können. Auch die spezifische Leistungsdichte von konventionellen Motoren sei deutlich übertroffen worden, so die Keyou-Experten. Mit den Technologien der "Keyou Generation 1" entstünden gerade kosteneffiziente Wasserstoffmotoren, die nutzfahrzeugtypische Leistungsdaten zeigten. Nachfolgende Generationen sollen die Leistungskennzahlen von Dieselmotoren gar übertreffen.

So kommt der Wasserstoff in den Lkw

Und wie kommt der Wasserstoff in den Lastwagen? Keyou setzt darauf, dass er als Nebenprodukt der Industrie ist in vielen Regionen (sogenannte "H2-Inseln") in großen Mengen für den Betrieb von tausenden Fahrzeugen verfügbar ist. In diesen Pioniermärkten könnten Nutzfahrzeugflotten große Mengen Kraftstoff in zentralen Depots tanken, die Abhängigkeit eines flächendeckenden Tankstellennetzes entfalle. Für den Einsatz in Brennstoffzellen ist dieser Wasserstoff oft nicht rein genug. Hier ist der Verbrenner im Vorteil, der ihn trotzdem annimmt, was für ihn relativ günstige Preise ermöglicht.

Keyou hat bereits erste Vereinbarungen und Verträge mit ausgewählten OEMs und Verkehrsbetrieben geschlossen. Ein erster Prototyp soll in Deutschland in einem Bus Ende 2017 präsentiert werden, in China dann in 2018. Anschließend sollen sechs Vorserienbusse als Vorbereitung für den Vertrieb von 60 Demonstrationsfahrzeugen an ausgewählte Verkehrsbetriebe geliefert werden. Kooperationen mit H2-Herstellern sollen eine effektive Absatzsteigerung von Fahrzeugen und Wasserstoff erlauben. Die Kommerzialisierung von Bussystemen beginnt Ende 2019 in Regionen der sogenannten "H2-Inseln" in Europa, ein Jahr später in China, Lkw-Systeme dann im Jahr 2021.

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