Wasserstoff-Verbrennungsmotor fordert den Diesel heraus – mit fast null CO₂

Der Dieselmotor ist im Lkw vor allem deshalb so erfolgreich, weil er schon bei niedrigen Drehzahlen viel Kraft liefert. Ein neuer Verbrennungsmotor aus den USA soll diese Stärke mit Wasserstoff erreichen: Der Kraftstoff verbrennt direkt in den Zylindern, das Drehmoment soll auf Diesel-Niveau liegen. Am Auspuff entsteht dabei nahezu kein CO₂.

Entwickelt wurde der Motor am Southwest Research Institute (SwRI) in Texas. Zwei Jahre arbeitete das Institut mit einem Industriepartner und mehreren Zulieferern an dem Antrieb. Ziel waren mittelschwere Nutzfahrzeuge. Der Motor soll sich deshalb in ein entsprechendes Lkw-Fahrgestell einbauen lassen und genug Leistung für den kommerziellen Einsatz liefern.

Wasserstoff-Verbrennungsmotor liefert Drehmoment wie ein Diesel

Technisch handelt es sich nicht um eine Brennstoffzelle. Wasserstoff gelangt als Kraftstoff in den Motor und verbrennt dort ähnlich wie Benzin. Zündkerzen setzen die Verbrennung in Gang, Kolben wandeln die frei werdende Energie in Bewegung um. Grundlage ist eine ursprünglich für Benzinmotoren entwickelte Brennraumform. SwRI passte sie jedoch umfassend an Wasserstoff an.

„Wir begannen mit einem einzelnen Zylinder und konzentrierten uns zunächst auf die Optimierung von Verbrennung und Einspritzung“, erklärt SwRI-Programmleiter Qilong Lu. Anschließend entwickelte das Team daraus einen vollständigen Mehrzylindermotor. Dabei mussten die Ingenieure unter anderem Vorentflammungen verhindern und die Verbrennung über alle Zylinder stabil halten.

Wasserstoff verbrennt schneller und verlangt andere Technik

Wasserstoff stellt einen Verbrennungsmotor vor andere Aufgaben als Benzin oder Diesel. Er verbrennt besonders schnell. Deshalb veränderten die Ingenieure die Ansaugkanäle, damit die Luft günstiger in die Zylinder strömt. Größere Einlassventile sollen zusätzlich mehr Luft hereinlassen. Spezielle Wasserstoff-Injektoren dosieren den Kraftstoff.

Hinzu kommt ein Turbolader. Er presst mehr Luft in den Motor und ermöglicht dadurch eine höhere Wasserstoffmenge bei der Verbrennung. Das sorgt für das kräftige Drehmoment, das schwere Nutzfahrzeuge bereits bei niedrigen Drehzahlen benötigen. Eine von SwRI entwickelte Motorsteuerung regelt unter anderem Einspritzung, Zündung, Ladedruck sowie das Verhältnis von Luft und Kraftstoff.

Vorentflammung kann den Motor beschädigen

Eine der schwierigsten Aufgaben steckt bereits im Zündzeitpunkt. Wasserstoff entzündet sich leicht. Heiße Bauteile oder verbliebene Verbrennungsgase können das Gemisch schon zünden, bevor die Zündkerze ihren Funken abgibt. Solche Vorentflammungen können zu Klopfen und Leistungsverlust führen. Im ungünstigen Fall drohen Schäden am Motor.

„Der Motor wurde bei SwRI konstruiert, gebaut und intensiv getestet, um Effizienz und Leistung sicherzustellen“, sagt Lu. Das Institut hatte zuvor bereits einen schweren Wasserstoff-Lkw der Klasse 8 entwickelt. Dabei wandelten Ingenieure einen Erdgas-Verbrennungsmotor mit vergleichsweise wenigen Änderungen auf Wasserstoff um. Später erhielt dieses Aggregat einen leistungsfähigeren Turbolader.

Fast kein CO₂ am Auspuff heißt nicht emissionsfrei

Die Formulierung „nahezu null CO₂“ bezieht sich ausdrücklich auf den Auspuff. Wasserstoff enthält keinen Kohlenstoff. Bei seiner Verbrennung entsteht deshalb anders als bei Diesel oder Benzin praktisch kein Kohlendioxid aus dem Kraftstoff selbst. Vollständig emissionsfrei arbeitet ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor dennoch nicht.

Bei hohen Verbrennungstemperaturen können Stickoxide entstehen. Sie bilden sich aus Stickstoff und Sauerstoff der angesaugten Luft. Deshalb können eine präzise Verbrennungssteuerung und eine Abgasnachbehandlung notwendig werden. Hinzu kommt die Herstellung des Wasserstoffs. Stammt er aus Erdgas, entstehen bereits vor der Fahrt erhebliche CO₂-Emissionen. Erst Wasserstoff aus klimafreundlicher Produktion kann die Gesamtbilanz deutlich verbessern.

Für Nutzfahrzeughersteller besitzt der Verbrennungsmotor dennoch einen praktischen Vorteil: Viel vorhandene Technik lässt sich grundsätzlich weiter nutzen. Dazu gehören Teile der Motorenfertigung, Getriebe, Werkstätten und bestehendes Know-how. „Unser Wasserstoff-Verbrennungsmotorprogramm arbeitet jeden Tag daran, diese Technik weiterzuentwickeln und ihr Potenzial als Lösung mit nahezu keinen CO₂-Emissionen zu demonstrieren“, berichtet Chris Bitsis vom SwRI.

Kurz zusammengefasst:

• SwRI hat einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor entwickelt, der beim Drehmoment mit Dieselantrieben mithalten soll.
• Der Motor verbrennt Wasserstoff direkt im Zylinder und verursacht dabei nahezu kein CO₂ am Auspuff.
• Emissionsfrei ist er dennoch nicht: Stickoxide und die Herstellung des Wasserstoffs entscheiden über seine Umweltbilanz.

Übrigens: Während SwRI seinen Wasserstoff-Verbrennungsmotor auf Diesel-Niveau bringen will, meldet ein Team aus Magdeburg bereits mehr als 60 Prozent Wirkungsgrad. Der geschlossene Argon-Kreislauf soll vor allem Lkw, Schiffe und schwere Maschinen effizient antreiben – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Southwest Research Institute