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07.09.2021 | Wasserstoff | Im Fokus | Onlineartikel

Wasserstoffmotor mit Abwärmenutzung für stationäre Anwendungen

Autor:
Frank Urbansky
3:30 Min. Lesedauer

Im Zuge der Verkehrswende kommt auch die Diskussion um den Wasserstoffmotor wieder auf. Dessen Effizienz könnte mittels Abwärmenutzung gesteigert werden. Doch das macht die Aggregate schwer.

Die Ablösung fossiler Treibstoffe ist ohne grünen Wasserstoff nicht vorstellbar. Lange galten Brennstoffzellen (BSZ) als einzige strategische Lösung, um aus Wasserstoff Strom und mechanische Arbeit zu generieren. Doch BSZ sind noch immer schwer, teuer und unflexibel.

Verbrennungsmotoren haben gegenüber der BSZ Vor- und Nachteile, wobei ein Betrieb mit Wasserstoff die meisten Nachteile beseitigen würde. "Die Kohlenstofffreiheit macht Wasserstoff zum einzigen Kraftstoff, der zumindest theoretisch eine motorische Verbrennung ohne Ausstoß von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen ermöglicht", beschreibt dies ein Springer-Vieweg-Autorenkollektiv um Helmut Eichlseder in seinem Buchkapitel Direkteinblasung von gasförmigen Kraftstoffen auf Seite 521.

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Dabei spielt der Wasserstoffmotor nicht nur in der aktuellen Diskussion um eine dekarbonisierte Verkehrswende eine Rolle. Geforscht und getüftelt wurde an ihm auch schon vor 40 Jahren. Der Autokonzern Daimler-Benz war damals führend in dieser Technologie. Dafür wurden mehrere Patente angemeldet, unter anderem für einen regenerativen Verbrennungsmotor.

Geringer Wirkungsgrad von Nachteil

Der wesentlichste verbleibende Nachteil des Verbrennungsmotors gegenüber der BSZ ist der vergleichsweise bescheidene Wirkungsgrad, und der ist beim Betrieb mit grünem Wasserstoff ein zentraler Kostenfaktor.

Der Königsweg aus dem Dilemma könnte eine entsprechende Steigerung der Effizienz von Verbrennungsmotoren sein. Dabei konnte damals (und könnten heute wieder) ein Griff in die Mottenkiste alter Erfindungen helfen. Kern der damaligen Patente ist die Regeneration der Abwärme des Verbrennungsprozesses innerhalb des regulären Arbeitsprozesses. Die Regeneration der Abwärme im Prozess ist klar zu unterscheiden von der heute recht verbreiteten Abwärmenutzung, die dem eigentlichen Verbrennungsprozess nachgelagert und weitgehend unabhängig ist. 

Die Regeneration im Prozess steigert den Wirkungsgrad des Motors direkt und gravierend und führt zu deutlich weniger Abwärme, die dann gegebenenfalls immer noch einer Abwärmenutzung zugeführt werden kann. Natürlich verursacht diese zusätzliche Technik auch Kosten und zusätzliches Gewicht. Nebenbei nimmt sie dem Verbrennungsmotor aber auch ein Stück seiner Leistungsdynamik.

Dieser motorische Prozess hat zudem einige weitere Nachteile gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Um eine gute Regeneration der Abwärme zu erreichen, muss auf Leistungsdichten verzichtet werden. Der Motor wird bezogen auf die Leistung relativ groß und schwer. Wegen der Regeneration braucht er auch nicht rußende Treibstoffe, also Methanol, Erdgas oder Wasserstoff (Benzin ist grenzwertig). Die Modulation (etwa zwischen 25 und 100 Prozent) geht zwar über weite Bereiche mit gutem Wirkungsgrad, braucht aber Minuten für die Reaktion. Aus diesen Gründen ist der Motor als Kfz-Motor herkömmlicher Art nicht tauglich, könnte aber als Range-Extender im E-Auto oder für Blockheizkraftwerke gute Dienste mit hoher Effizienz leisten. 

Zu früh für die Zeit

Damals war die Zeit nicht reif für solche Erfindungen, da die Motoren auf der einen Seite die Ansprüche damaliger Kfz nicht erfüllen konnte und auf der anderen Seite in den 1970er Jahren billiger Atomstrom das Maß der Dinge war. So ist dieses Wissen von damals einfach eingestaubt und in Vergessenheit geraten.
Die Vorteile jedoch sind beachtlich. Die Verbrennung ist außerordentlich sauber, vollständig und verläuft praktisch ohne Bildung von Stickoxiden. Wird Wasserstoff genutzt, ist der Verbrennungsprozess auch völlig frei von Kohlenstoffoxiden.

Der Motor kann schon bei recht kleinen Leistungen (etwa 0,5 kW) Wirkungsgrade über 50 Prozent erreichen. Das zeigten praktische Versuche kombiniert mit Computersimulationen. Bei größeren Motoren sollten 60 Prozent und mehr erreichbar sein.
Ein erster kleiner Prototyp als proof of concept mit 250 bis 500 W und 40 bis 45 Prozent Wirkungsgrad wurde damals noch entworfen, aber nicht mehr ausgeführt.

Heute, mit der politischen Vision Wasserstoff, könnte das Projekt jedoch wieder aufleben. Ob er jedoch das Potenzial hat, in die Praxis übergeführt zu werden, ist vollkommen offen. Denn auch hier sind Ressourceneffizienz und Rationalität ein Muss. "Zukünftige Wasserstoffmotoren sollten möglichst weitgehend auf Basis von bereits im Markt verfügbaren technischen Lösungen für Komponenten und Motorenbaukästen abgeleitet werden", benennt ein Springer-Autorenkollektiv um Dimitri Seboldt in seinem Zeitschriftenartikel Wasserstoffmotoren für zukünftige Pkw und leichte Nutzfahrzeuge auf Seite 47 eine dieser Notwendigkeiten.

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