Über 60 Prozent: Neuer Wasserstoffmotor aus Magdeburg erreicht Wirkungsgrad, von dem Diesel nur träumen kann

Der Wasserstoffmotor galt lange als Technik mit vielen Fragezeichen. Zu teuer, zu kompliziert, zu wenig effizient – so lauteten oft die Vorurteile. Vor allem bei schweren Maschinen schien der klassische Diesel kaum zu ersetzen. Fernverkehrs-Lkw, Schiffe, Traktoren oder große Baumaschinen brauchen viel Leistung über viele Stunden. Batterien stoßen dort oft an Grenzen, weil sie schwer sind, Ladezeiten brauchen und nicht überall geladen werden können.

Eine neue Entwicklung der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg bringt nun eine neue Variante ins Spiel. Ein Forschungsteam hat einen Wasserstoffmotor getestet, der mit einem geschlossenen Kreislauf arbeitet und einen Wirkungsgrad von mehr als 60 Prozent erreichen soll.

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel der eingesetzten Energie tatsächlich als nutzbare Antriebsleistung herauskommt. Je höher der Wert, desto weniger Energie geht als Wärme oder Abgas verloren. Für einen Verbrennungsmotor sind mehr als 60 Prozent daher ein außergewöhnlich hoher Wert.

Warum ein Wasserstoffmotor für schwere Fahrzeuge interessant ist

In Magdeburg verfolgen die Forscher einen anderen Ansatz als die Brennstoffzelle: einen Wasserstoffmotor, der wie ein Verbrenner arbeitet, aber deutlich effizienter sein soll. Er richtet sich vor allem an Anwendungen, bei denen Maschinen lange unter hoher Last laufen müssen – etwa in der Schifffahrt, im Fernverkehr oder in der Landwirtschaft.

„Der Kreislaufmotor kombiniert hohe Leistung ganz hervorragend mit einem emissionsfreien Betrieb“, erklärt Prof. Hermann Rottengruber von der Fakultät für Maschinenbau.

Das Gas bleibt im Motor und wird immer wieder genutzt

Der große Unterschied liegt im Aufbau des Motors. Ein normaler Verbrennungsmotor saugt ständig Luft an und stößt Abgase wieder aus. Beim sogenannten Kreislaufmotor bleibt der größte Teil des Gasgemischs im System.

Nach jedem Arbeitstakt wird das Gas abgekühlt, aufbereitet und erneut verwendet. Es zirkuliert also immer wieder durch den Motor. Der entstehende Wasserdampf wird entfernt und verflüssigt. Dadurch gehen deutlich weniger Energie und Stoffe verloren.

Das Prinzip erinnert eher an einen geschlossenen technischen Kreislauf als an einen klassischen Motor mit ständigem Verbrauch. Diese Bauweise verbessert den Wirkungsgrad und spart auf lange Sicht Betriebskosten.

Wasserstoff, Sauerstoff und Argon übernehmen verschiedene Aufgaben

Im Inneren arbeiten drei Stoffe zusammen:

• Wasserstoff liefert die Energie
• Sauerstoff ermöglicht die Reaktion
• Argon stabilisiert den Prozess als Trägergas

Argon ist ein Edelgas. Es ist farb- und geruchlos und reagiert unter diesen Bedingungen nicht mit Sauerstoff. Es verbrennt also nicht selbst, sondern sorgt dafür, dass die Verbrennung kontrollierter und thermisch günstiger abläuft.

Die Fachleute nennen das Konzept deshalb Argon-Power-Cycle-Motor. Im Rahmen eines vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekts testete das Team mehrere Varianten gemeinsam mit der WTZ Roßlau gGmbH auf dem Motorprüfstand der Universität. Zusätzlich liefen Computersimulationen, um Leistung und Verhalten des Motors besser zu bewerten.

Mehr als 60 Prozent Wirkungsgrad überraschen selbst Fachleute

Der erreichte Wirkungsgrad von mehr als 60 Prozent ist für einen Verbrennungsmotor ein sehr hoher Wert. Viele klassische Dieselmotoren liegen darunter – besonders gute Lkw-Motoren erreichen laut Bosch Mobility etwa 46 Prozent.

Das macht den Ansatz wirtschaftlich interessant. Wer große Maschinen betreibt, achtet nicht nur auf den Kaufpreis, sondern vor allem auf Verbrauch, Wartung und Laufzeit. Wenn ein Motor über Jahre weniger Energie braucht, verändert das die Rechnung deutlich.

Rottengruber hält das auch finanziell für vielversprechend. „Nach unserer Einschätzung kann das geschlossene System über realistische Betriebszeiten günstiger sein als ein offener Wasserstoff-Verbrennungsmotor“, sagt er.

Ein Grund dafür ist der Verzicht auf aufwendige Abgassysteme. Auch die hohe Effizienz trägt dazu bei, dass sich der größere technische Aufwand später rechnen kann.

Diese Bereiche könnten zuerst vom neuen Wasserstoffmotor profitieren

Die Technik ist besonders dort gefragt, wo Batterieantriebe bislang Schwächen haben. Dazu gehören:

• Fernverkehrs-Lkw
• Schiffsantriebe
• Stromaggregate
• Traktoren und Erntemaschinen
• große Bau- und Nutzfahrzeuge

Gerade in der Schifffahrt wächst der Druck stark. Reedereien müssen klimafreundlicher werden, und viele Hersteller suchen nach Lösungen, die bis 2050 praxistauglich sind. Laut der Universität Magdeburg haben führende Hersteller von Schiffsantrieben bereits Interesse an dem Konzept signalisiert.

Auch in der Landwirtschaft oder auf Baustellen zählt vor allem Verlässlichkeit. Dort geht es weniger um Reichweitenangst als um die Frage, ob eine Maschine täglich ohne Ausfall läuft.

Noch bremsen zwei technische Probleme den breiten Einsatz

Trotz der guten Werte ist der Motor noch nicht marktreif. Die Leistungsdichte ist bislang begrenzt. Während der Einspritzung kann nur eine bestimmte Menge Wasserstoff eingebracht werden.

Hinzu kommt ein zweites Problem: Im geschlossenen Kreislauf kann sich Kohlendioxid anreichern. Das passiert etwa dann, wenn Schmieröl mitverbrennt. Dieses CO₂ verschlechtert den Wirkungsgrad und senkt die Motorleistung.

Beide Punkte müssen gelöst werden, bevor ein breiter Einsatz möglich wird. Trotzdem verändert die Magdeburger Studie den Blick auf den Wasserstoffmotor. Lange galt er als Übergangstechnik ohne große Zukunft. Nun könnte er ausgerechnet dort wichtig werden, wo Diesel bislang kaum zu verdrängen war.

Kurz zusammengefasst:

• Ein neuer Wasserstoffmotor arbeitet in einem geschlossenen Kreislauf, bei dem das Gasgemisch nach jedem Arbeitstakt wieder aufbereitet und erneut genutzt wird, statt als Abgas verloren zu gehen.
• Dadurch erreicht der Wasserstoffmotor einen Wirkungsgrad von über 60 Prozent und könnte vor allem bei Fernverkehrs-Lkw, Schiffen, Traktoren und großen Maschinen eine klimafreundliche Alternative zum Diesel werden.
• Noch begrenzen die Leistungsdichte und die mögliche Anreicherung von Kohlendioxid im System den breiten Einsatz, doch das Interesse aus Industrie und Schifffahrt ist bereits groß.

Übrigens: Während neue Wasserstoffmotoren für Lkw und Traktoren getestet werden, lief in Augsburg erstmals ein großer Schiffsmotor komplett mit 100 Prozent Wasserstoff – ohne einen Tropfen Diesel und mit höherer Leistung auf gleichem Raum. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Jana Dünnhaupt/Uni Magdeburg