Wasserstoff-Motor, Motorentechnik, Gemischbildung, Vor- & Nachteile bei Emissionen, Kosten

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H2-Motor Vergleich Ausblick Ergebnisse Literatur

Der Wasserstoffmotor

Motorentechnik

Betrachtet man den geschichtlichen Verlauf der Technikentwicklung von Wasserstoff - von der Namensgebung durch Lavoisier bis hin zu heutigen Wasserstoffflugzeugen oder Brennstoffzellenautos - wird deutlich, dass die Idee von einer auf Wasserstoff basierenden Energieversorgung bereits über hundert Jahre alt ist (s. Geschichte).

Bis heute gibt es diverse Projekte, bei denen Wasserstoff in Autos (Pkw und Lkw), Bussen und Flugzeugen eingesetzt wird. In den USA befindet sich ein Brennstoffzellenantrieb für Lokomotiven in der Entwicklung. Auch die Nutzung in Schiffen ist vorstellbar.

Für Fahrzeugantriebe mit Wasserstoff kommen grundsätzlich zwei Konzepte in Frage:

· der Verbrennungsmotor und

· die Brennstoffzelle.

Verbrennungsmotor:

Der Betrieb eines herkömmlichen Hubkolbenmotors ist durchaus mit Wasserstoff möglich, und diese Technik wird bereits angewandt. Grundsätzlich ist ein Wasserstoff-Motor ähnlich aufgebaut wie ein Otto-Motor, da beide über eine Fremdzündung verfügen. In einem Diesel-Motor wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch soweit verdichtet, bis es aufgrund des Druck-Anstiegs und der Erwärmung zu einer Selbst-Entzündung kommt. Wegen der hohen Zündtemperatur von Wasserstoff (560 °C, Diesel 250 °C) eignet er sich jedoch nicht für das Diesel-Prinzip. Der entscheidende Zündfunke muss von einer Zündkerze erzeugt werden. Bei der Leistungsregelung (Gasgeben) ist es unwesentlich, ob das Dieselmotor-Prinzip (Qualitätsregelung) oder das Ottomotor-Prinzip (Quantitätsregelung) gewählt wird. Herkömmliche Techniken der Kraftstoff-Zufuhr können ebenso vom Otto-Motor übernommen werden wie die Zylinderkopf-Konstruktion.

Anhand der unten erwähnten Vor- und Nachteile sollen im folgenden die dabei auftretenden Schwierigkeiten sowie mögliche Abhilfen aufgezeigt werden.

Vorteile:

V-1: Umweltverträglichkeit

V-2: Extreme Abmagerungsfähigkeit eines Wasserstoff/Luft-Gemisches bedeutet geringerer

Kraftstoffverbrauch.

Nachteile:

N-1: Unregelmässige Verbrennungsabläufe durch:

N-1.1: Rückzündung in der Ansaugphase

N-1.2: Glühzündung in der Kompressionsphase

N-1.3: klopfende Verbrennung

N-1.4: Wasser-Anlagerungen an der Zündkerze beim Kaltstart

N-2: Geringe Leistungsdichte infolge von Liefergradverlusten

N-3: Schlechte Schmiereigenschaften von Wasserstoff

N-4: Hoher Aufwand für Flüssigwasserstoff-Förderpumpe und die Einspritzelemente.

V-1: Auf die gute Öko-Bilanz, den ersten und wichtigsten Vorteil von wasserstoffbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen, wurde bereits in Kapitel 4 eingegangen.

Nochmals erwähnt sei, dass die Wasserstoffverbrennung ohne die Erzeugung von CO2 geschieht, was kein anderer Kraftstoff kann. Es fallen lediglich Stickoxidemissionen an. Die noch zu lösende Aufgabe ist der Konflikt zwischen hoher Leistungsdichte und Vermeidung von Stickoxidemissionen.

Um der Forderung nach günstigem Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig niedriger Stickoxidemission nachkommen zu können, ist es notwendig, dass im unteren Teillastbereich der Motor mit einer konstanten Luftzahl von l = 3,0 und zur Vollast hin mit variablem l , entsprechend der angeforderten Leistung, betrieben wird.

V-2: Die "extreme Abmagerungsfähigkeit" eines Gemisches bedeutet, dass ein Motor nach dem Magerkonzept ausgelegt ist. Dies ist der Fall, wenn die Luftzahl l > 1,5 ist, was einem Kraftstoff-Luft-äquivalenzverhältnis von j < 0,66 entspricht. [Peschka, 1997]

In Worten bedeutet dies: Ein Gemisch ist mager, wenn das Verhältnis von Kraftstoff zu Luft relativ klein ist. Wenn relativ wenig Treibstoff pro Volumeneinheit Gemisch notwendig ist, dann ist auch der Kraftstoffverbrauch gering.

N-1: Die bei den Nachteilen angesprochenen Unregelmässigkeiten bei den Verbrennungsabläufen haben folgende Ursachen:

N-1.1: Während der Ansaugphase strömt das Kraftstoffgemisch bei geöffneten Einlassventilen in die Brennkammer, in der sich zum Teil noch heisses Restgas befindet. Bevor nun der Ansaugvorgang beendet ist, kann es zu einer Entzündung des bis dahin in den Brennraum geströmten Gases kommen, was dann zu einer Rückzündung führt, da die Einlassventile noch geöffnet sind.

Eine Wassereinspritzung kann diese Rückzündungsneigung des Motors verringern und ausserdem die Stickoxidbildung reduzieren sowie eine klopfende Verbrennung vermeiden. Im unteren Teillastbereich kann die Einspritzung entfallen, da hier dieses Problem nicht auftritt.

N-1.2: Die Zündenergie von Wasserstoff beträgt nur etwa 1/10 derjenigen von herkömmlichen Kraftstoffen aus Kohlenwasserstoffen. Dies hat zur Folge, dass heisse Stellen, heisses Restgas oder Ölkohlepartikel im Brennraum das Wasserstoff/Luftgemische entzünden können. Für einen selbstzündfreien Betrieb müssen deshalb heisse Stellen im Brennraum beseitigt bzw. die Zündenergie des Gemisches angehoben werden, da der Motor ansonsten nur in einem sehr kleinen Drehzahlbereich problemlos zu betreiben ist.

Heisse Stellen in der Brennkammer können zum Teil durch geeignete konstruktive Massnahmen reduziert werden. Dafür muss eine gute Wärmeableitung gewährleistet sein, d.h. die Kühlung über Kühlrippen bzw. Kühlwasserkanäle muss gut durchdacht sein und es müssen entweder gut wärmeleitende Materialien oder Materialien mit geringer Wärmekapazität gewählt werden. Ausserdem müssen bei der Brennraumgestaltung in die Brennkammer hineinragende Spitzen und Kanten vermieden werden, weil diese aufgrund der schlechten Möglichkeiten zur Wärmeableitung besonders heiss werden und quasi als zusätzliche Zündkerze fungieren würden.

In der Praxis wird so vorgegangen, dass der Zylinderkopfbereich eine verstärkte Kühlung erhält. Dies wird nach änderungen in den Kühlwasserführungen durch eine bessere Umströmung von natriumgekühlten Auslassventilen erreicht.

Die untere und obere Zündgrenze von Wasserstoff liegen so weit auseinander, dass nahezu jedes Gemisch zündfähig ist. Damit ist es zwar möglich, einen Wasserstoffmotor wie einen Dieselmotor ohne Drosselklappe zu betreiben. Um aber die Zündgrenze anzuheben, bedarf es weiterer Massnahmen. Wichtig ist, dass eine Absenkung der Temperatur des im Zylinder verbleibenden Abgases sowie der Kompressionsendtemperatur erreicht wird. Der bereits angesprochene Magerbetrieb, aber auch eine Abgasrückführung können u.a. dazu beitragen, weil bei weniger Kraftstoff pro Volumeneinheit die Verbrennungstemperatur niedriger liegt. Eine gängige Variante ist auch die Kühlung der angesaugten Luft bzw. des angesaugten Gemisches durch Wassereinspritzung oder durch die Vorbeiführung am tiefkalten Wasserstoff.

N-1.3: Die Oktanzahl des Wasserstoffs liegt deutlich unter der von Normalbenzin, weswegen es leicht zu einem klopfendem Verhalten kommen kann. Zur Vermeidung sind Massnahmen möglich wie z.B. das Absenken des Verdichtungsverhältnisses e , weil mit kleinerem e die Klopfgrenze angehoben wird. Es ist auch möglich, dies durch eine Abkühlung des angesaugten Gemisches zu erreichen, z.B. durch die Einspritzung von Wasser. Wegen der Klopfgefahr muss einem erhöhten Ventilsitzring- und Ventilverschleiss durch geeignete verschleissfeste Werkstoffe begegnet werden.

N-1.4: Probleme bezüglich Kaltstart könnten mit einer Zündanlage, die folgende Forderungen erfüllt, gelöst werden:

· hohe Zündspannung bei Vollast,

· hohe Nebenschlussunempfindlichkeit beim Kaltstart,

· keine Induktion im Zündkabel durch benachbarte Zündkabel,

· rasches Abklingen der Restenergie im Zündkabel.

Mit einem Hochspannungs-Kondensator-Zündsystem, abgeschirmten Zündkabeln und einer speziellen Zündkerze kann diese Forderungen erfüllt werden. Der Zündzeitpunkt wird hierbei über eine vollelektronische digitale Zündanlage gesteuert.

N-2: Das schlechte Kraft-Volumen-Verhältnis entsteht durch die geringe Dichte von Wasserstoff, wodurch das Gas ein grosses Volumen einnimmt. Dadurch werden - bei Zugabe des Wasserstoffs in das Saugrohr - rund ein Drittel der angesaugten Luftmenge verdrängt, was eine Reduzierung des Luftliefergrades zur Folge hat. Der volumetrische Prozentsatz von Wasserstoff in Luft liegt bei 29,5%, bei Benzin liegt er bei 1,8%. Zusammen mit dem ebenfalls geringeren Gemischheizwert (3240 kJ/m3) und der Volumenverkleinerung (Molschrumpfung) des Verbrennungsproduktes ist dies die wesentliche Ursache für die Leistungsminderung des Wasserstoffmotors bei äusserer Gemischbildung im Vergleich zum Benzinmotor.

Generell lässt sich sagen, dass der Wirkungsgrad bei wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotoren besser ist als bei Benzinmotoren und Gasmotoren. Dies kommt zustande, da der Verbrennungsprozess im Wasserstoffmotor aufgrund der hohen Brenngeschwindigkeit des knallgasähnlichen Wasserstoff/Luftgemischs dem thermodynamisch günstigen Gleichraumprozess näher kommt als der Benzinmotor. Genauer gesagt liegen Zünd- und Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs höher.

Dadurch ist ein Motorwirkungsgrad von bis zu 40% möglich (Stand 1991).

N-3: An den Kolben werden konstruktive und werkstoffseitige Massnahmen, wie z.B. verschleissfeste Kolbenringe, erhöhte Schaftrauhigkeit, Graphitierung des Schafts usw., vorgenommen, mit der Zielsetzung eines besseren Ölfilmaufbaus und damit einer Verschleissminimierung. Eine anfänglich befürchtete Wasserstoff-Versprödung der Werkstoffe tritt nicht auf.

N-4: Allgemeine Probleme bei der Nutzung von tiefkaltem Wasserstoff gibt es hinsichtlich der Materialien in der Brennkammer und dem Zuleitungssystem beim Einspritzen des Kraftstoffs (T = 20 K) sowie bei Verdichtern, die trotz der tiefen Temperaturen eine hohe Lebensdauer aufweisen müssen.

Bei den bis hierher angestellten Betrachtungen war keine wesentliche Unterscheidung bezüglich flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff notwendig, da in der Brennkammer immer ein gasförmiges Wasserstoff/Luftgemisch vorliegt. Lediglich bei Grossmotoren ist es nicht auszuschliessen, dass flüssiger Wasserstoff eingespritzt werden kann.

Gemischbildung

Damit es zu einer Verbrennung kommen kann, muss ein zündfähiges Gemisch in der Brennkammer vorhanden sein. Dieses Gemisch sollte möglichst homogen und im gesamten Brennraum gleichmässig verteilt sein. Um diese beiden Minimalanforderungen zu erfüllen, gibt es zwei unterschiedliche Verfahren:

· die "innere Gemischbildung" (Direkteinblasung)

· die "äussere Gemischbildung" (Saugrohreinblasung)

In beiden Fällen wird von gasförmigem Wasserstoff ausgegangen, da der Kraftstoff auf jeden Fall unter den gegebenen Umständen wegen seiner niedrigen Siedetemperatur nicht flüssig bleiben wird. Selbst wenn im Tank Flüssig-Wasserstoff gespeichert wird, wird dieser erst verdampfen, bevor er zur Gemischaufbereitung gelangt.

Das dann entstehende Wasserstoff-Luft-Gemisch besteht aus viel Wasserstoff und wenig Luft. Dies ist ein energiereiches Gemisch, welches zunächst zu unkontrollierbaren Zündungen neigt. Eine kontrollierbare Verbrennung ist durch die beiden erwähnten Verfahren möglich.

äussere Gemischbildung :

Gasförmiger Wasserstoff wird mit geringem Überdruck in das Ansaugrohr eingeblasen, so dass er sich noch vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum mit der gegebenenfalls durch einen Turbolader verdichteten angesaugten Luft vermischt. Dieses Gemisch wird nach dem Einlass in den Verbrennungsraum mit Zündkerzen gezündet. Ein hoher Luftüberschuss (Magerbetrieb) stellt sicher, dass keine Rückzündung erfolgt und die Verbrennungstemperatur niedrig gehalten wird, was zu geringen Stickoxidemissionen und verminderten thermischen Verlusten führt. Es sinkt dabei jedoch die spezifische Motorleistung, was wiederum mit Aufladung ausgleichbar ist. Wasserstoff hat zwei Eigenschaften, die sich hier nachteilig bemerkbar machen. Infolge seiner hohen Flammenfrontgeschwindigkeit (Flammen breiten sich in Wasserstoff viel rascher aus als in anderen brennbaren Gasen.) schlägt die Flamme aus dem Verbrennungsraum leicht in das Ansaugrohr zurück. Und wegen der sehr niedrigen Zündenergie entzündet sich der einströmende Wasserstoff oft schon an heissen Stellen im Brennraum oder an heissen Restgasen. Abhilfe gegen solche Früh- und Fehlzündungen schafft die Kühlung des Ansauggemisches durch Einspritzen von Wasser (aus einem separaten Behälter). Gegen das Klopfen, hervorgerufen durch unregelmässigen Verbrennungsablauf, hilft die Zurücknahme der Verdichtung, was sich wiederum in verminderter Motorleistung (etwa 25% gegenüber einem hubraumgleichen Benzinmotor) niederschlägt. Der Ausstoss von Stickoxiden entspricht dem eines Benzinmotors mit geregeltem Katalysator. Vorteile der äusseren Gemischbildung liegen in der Einfachheit und im geringen erforderlichen Wasserstoffdruck. Nachteile sind eine im Vergleich zu Benzin- bzw. Dieselmotor verringerte volumetrische Leistungsausbeute des Motors sowie die Neigung zu unregelmässigem Verbrennungsablauf.

Abb. 9

Quelle: Projektbegleitung Kraftfahrzeuge und Strassenverkehr, Wasserstoffantriebe, Köln, Verlag TÜV Rheinland, 1989, S. 27

Eine beispielhafte Gemischbildungsanlage ist in Abbildung 9 dargestellt. Es handelt sich um ein System mit Stauscheibenluftmengenmesser. Ein Steuerkolben, auf den die Bewegung der Stauscheibe über einen Schwenkhebel übertragen wird, dosiert den Wasserstoffstrom über einen Steuerschlitz. An diesem öffnung wird mittels eines Differenzdruckreglers eine konstante Druckdifferenz vor und hinter dem Steuerschlitz erzeugt, so dass die Schlitzfläche direkt ein Mass für die Wasserstoffmasse darstellt (vorausgesetzt Temperatur und Druck bleiben konstant).

Für eventuell auftretende änderungen von Wasserstoff-Versorgungsdruck und -Temperatur beinhaltet das Differenzdruckventil Kompensationseinrichtungen. Oberhalb der Wasserstoff-Dosiereinrichtung befindet sich die Dosiereinrichtung für die Wassereinspritzung. Sie entspricht im wesentlichen dem Mengenteiler einer Bosch-K-Jetronic für Benzinmotoren. Der Steuerdruck im Mengenteiler kann über einen von der Drosselklappe angesteuerten Druckminderer so verstellt werden, dass das Stauscheibengleichgewicht verändert wird und somit das Luft-Kraftstoffgemisch im Kennfeld die erforderlichen Werte erreicht. Mit den in die Einspritzleitungen eingebauten Magnetventilen kann die Wassereinspritzung im Teillastbereich zugunsten eines besseren Kraftstoff- sowie Wasserverbrauchs abgeschaltet werden.

Abb. 10: Einspritzdüse für kryogene Gemische

Quelle: Peschka, W., Wasserstoffantrieb für Kraftfahrzeuge, (1997), Stuttgart, S. 14

Innere Gemischbildung :

Die Injektion von Wasserstoff bei Umgebungstemperatur ist wegen des Aufwandes für die Verdichtung kaum realisierbar, es sei denn, man nimmt die nur teilweise Ausnutzung der Speicherkapazitäten von Hochdruckspeichern in Kauf.

Deswegen bleiben die Forschungen konzentriert auf kalten, gasförmigen Wasserstoff. Der wird unter sehr hohem Druck (8-12 MPa) direkt in den Brennraum eines nach dem Ottoprinzip modifizierten und auf der Basis eines Dieselmotors arbeitenden Hubkolbenmotors eingeblasen und dort mit dem Luftsauerstoff gemischt und fremdgezündet (mittels Zündkerzen). Hinsichtlich Strahlbildung und Mischungsprozess ergeben sich jedoch ganz erhebliche Unterschiede gegenüber Dieselkraftstoff. Dies kommt durch den gasförmigen Zustand des zu injizierenden kryogenen Mediums, dem grossen Dichteunterschied zwischen Kraftstoff und Luft, der erheblich grösseren Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und völlig unterschiedlichen Verhältnissen hinsichtlich turbulenter Mischung. Der hohe Druck zur Einspritzung ist notwendig, da es ansonsten zu Fehlzündungen und zu einer klopfenden Verbrennung kommen kann. Das Mischungsverhältnis Wasserstoff / Luft kann stöchiometrisch ( l = 1) sein oder bei l > 2 liegen. Die volumetrische Leistungsausbeute ist ähnlich hoch wie beim Dieselmotor. Um eine exakte Füllung des Motors und eine genau terminierte Zündung des Brennstoffgemisches sicherzustellen, sollten die Ventile hydraulisch angesteuert und ein vollelektronisches Management des Verbrennungsvorgangs durchgeführt werden.

Nachteil der inneren Gemischbildung ist ein hoher technischer Aufwand.

Beispielmotoren

a) MAN:

Im Zuge des Wasserstoffprojekts "Flughafen München", an dem sich mehrere Firmen beteiligt haben, hat MAN einen Motor für einen Bus entwickelt, der ab Herbst 1998 seine Arbeit aufnehmen soll.

Bei dem Motor handelt es sich um einen modifizierten Erdgasmotor (6-Zylinder-Reihenmotor, 4-Takt-Ottomotor mit 12 l Hubraum, freisaugend, Motorbezeichnung: H 2866 UH). Die Maschine hat zwei Gemischaufbereitungssysteme, die völlig unabhängig voneinander arbeiten. Jeder Zylinder hat eine Wasserstoff- und eine Benzin-Einspritzanlage. Diese sind am Einlassstutzen angebracht (äusserer Gemischbildung) und werden elektromagnetisch angesteuert. Der Wasserstoff wird mit dem Druck aus dem Tanksystem eingeblasen, was ungefähr p = 3,5 bar entspricht.

Der Motor hat eine maximale Leistung von 140 kW bei 2200 U/min (Wasserstoffbetrieb) bzw. 170 kW bei 2200 U/min (Benzinbetrieb) und ein maximales Drehmoment von MDmaxH = 750 Nm bei n = 1000 U/min, bzw. MDmaxBenzin = 840 Nm bei n = 1000 U/min. Dieser Unterschied kommt durch den geringeren volumetrischen Wirkungsgrad, da Wasserstoff selbst mehr Raum einnimmt. Wegen des Klopfens musste das Verdichtungsverhältnis durch Modifizierung der Brennkammergeometrie verringert werden auf 8 : 1.

Bei der Motorsteuerung handelt es sich um ein Bosch-Motoronic-Steuergerät (Typ M 3.3), welches über eine Kennfeldzündung mit ruhender Hochspannungsverteilung sowie Klopfregelung verfügt. Bei Benzinbetrieb wird das Gemisch durch zwei Lamdasonden, bei Wasserstoffbetrieb durch Luftmassenmessung (Heissfilm-Luftmassenmessung) auf l = 1 geregelt.

Die Ansteuerung des Wasserstoff-Einblasventils erfolgt durch ein zusätzliches Steuergerät, das die von der Motronic empfangenen Informationen über Einblasbeginn und -dauer in Steuerbefehle für die Drehschieberventile umsetzt. Die Motorleistung wird über eine elektronisch angesteuerte und elektromotorisch angetriebene Drosselklappe geregelt.

Diese drei Motorsteuergeräte kommunizieren über einen CAN-Datenbus miteinander.

Der Kraftstoff wird in Form von gasförmigem Wasserstoff in 15 aluminiumumwickelten Behältern mit einem Gesamtvolumen von 2550 l und einem Energieinhalt von insgesamt 1650 kWh bei einem Betriebsdruck von 250 bar gespeichert. Damit ist eine Reichweite von 150 km möglich. Das Betanken dauert ca. 10 min.

Der Betriebsdruck der Wasserstoffanlage (3,5 bar) wird bei einer Druckabsenkung aufgrund des Verbrauchs durch in den Tank integrierte Druckaufbauheizung aufrechterhalten.

Beim Fahrzeug handelt es sich um einen Bus vom Typ: MAN SL 202 LH2, Baujahr 1996, Leergewicht 11,5 t. Er kann eine Höchstgeschwindigkeit von ca. 90 km/h erreichen.

[MAN, 1996]

b) Daimler-Benz

Daimler-Benz bietet eine für Lastkraftwagen entwickelte Wasserstoffmaschine an. 1996 veröffentliche Daimler die Versuche an einem Dieselmotor (6-Zylinder Viertakt Direkteinspritzer, OM 447 hLA). Die Maschine ist mit einem Turbolader mit Rückkühlung ausgestattet und arbeitet bei einem Luftverhältnis von l > 2. Die Ingenieure geben an, dadurch einen geringeren Stickoxidausstoss zu erzielen.

Die NOx-Werte, die im ECE-R49 13-Punkte-Test erreicht wurden, lagen bei 10% der EURO II Grenzwerte von 7,0 g/kWh, während die Werte für die maximale Leistung von 220 kW und das maximale Drehmoment von 1140 Nm denen von herkömmlichen Dieselmotoren entsprechen.

Bei diesem Motor handelt es sich um eine Maschine mit innerer Gemischbildung (s. Abb. 11). Prof. Dr. Ing. W. Peschka (stellv. Institutsleiter des DLR) vertritt die Meinung, dass unkontrollierte Frühzündungen bei einer äusseren Gemischbildung nie völlig ausgeschlossen werden können, egal, ob Wasserstoff bei normaler oder bei sehr geringer Temperatur verwendet wird. Bei innerer Gemischbildung treten seiner Meinung nach diese Probleme nicht in dem Masse auf.

In Abbildung 11 (oben) ist die Brennkammer-Gestaltung dieses Aggregats angedeutet. Als Zündhilfe wird in diesem Fall eine Glühkerze M 14 x 1,25 mm mit 20 mm Abstand zur Einspritzdüse verwendet. Durch den Swirl (Verwirbelung), die Drehung des Gemisches in der Brennkammer, wird das eingespritzte Gemisch zur Glühkerze geblasen und soll ausserdem für eine gute Verteilung des Gases im Brennraum sorgen.

Aufgrund des frühen Einspritzbeginns kann es bei innerer Gemischbildung leicht zum Klopfen kommen. Um dies zu verhindern, wurde eine Düse mit einem weiten, sphärischen Einspritzbereich gewählt und das Verdichtungsverhältnis wurde herabgesetzt auf e = 10,4.

Eingespritzt wird mit einem Druck von pH = 40 bar, was auch bei Vollast ausreicht.

Die Abbildung darunter zeigt die Leistungskurve bei Vollast von der Wasserstoffmaschine im Vergleich zu einem normalen Busmotor. Bei vergleichbarer Leistung mit dem herkömmlichen Dieselmotor (P = 220 kW) liegt die Umdrehungszahl beim wasserstoffbetriebenen Motor um D n = 200 niedriger.

Der Kurvenverlauf des Drehmoments ähnelt dem von Ottomotoren oder Wasserstoffmotoren mit externer Gemischbildung. Das maximale Drehmoment MDmax = 1140 Nm liegt jetzt bei n = 1600 U/min. Obwohl das Moment bei n = 1000 U/min um 300 Nm geringer ist, ist die Momentenelastizität trotzdem hoch. Mehr als 80% des maximalen Drehmoments ist von n = 940 U/min bis n = 2200 U/min verfügbar. Damit ist ein derartiger Motor für z.B. einen Stadtbus geeignet. Im optimalen Betriebspunkt liegt der Verbrauch von Wasserstoffmotoren bei gleicher Leistung im Vergleich zu Dieselmaschinen um 9,5% höher.

Positiver Nebeneffekt ist, dass dieser Motor mit einer relativ geringen Geräuschentwicklung läuft. [Digeser, Jorach, 1996]

c) BMW

Umfassende Untersuchungen an Personenkraftwagen gibt es von BMW. Der bayrische Automobilhersteller vertritt die Ansicht, dass die vielfältigen Anforderungen an ein Fahrzeugtriebwerk bei Wasserstoffanwendung von einer Hubkolbenmaschine am besten erfüllt werden. Aufgrund der hohen erforderlichen Zündtemperatur des Gemisches sei der Betrieb nur mit Fremdzündung möglich.

Im BMW-Motor wird der flüssige, tiefkalte Kraftstoff mittels des Tankdruckes durch den Kühlwasser-Wasserstoff-Wärmetauscher gefördert, wird dort verdampft und dem zentralen Dosierventil zugeleitet, welches elektrisch betätigt wird. Die erforderlichen Kennfelder zur Ansteuerung sind in die Motorelektronik integriert. Das Dosierventil bildet eine kompakte Einheit mit der Verteileranlage für die individuelle Einblasung, so dass die Gefahr von Wasserstoffleckagen weitgehend ausgeschlossen werden kann.

Der Motor arbeitet in seinem gesamten Betriebsbereich qualitätsgeregelt mit Luftüberschuss. Die magere Gemischbildung bewirkt einen guten Wirkungsgrad sowie minimale Stickoxidemissionen. Aufgrund der wesentlich geringeren Zündwilligkeit des mageren Gemisches im Vergleich zum stöchiometrischen werden Frühzündungen im Saugrohr vermieden. Daher können eine Wassereinspritzung und die damit verbundenen Wartungsprobleme entfallen. Diese Vorteile führen jedoch zu einer erheblichen Leistungseinbusse gegenüber einem mit konventionellem Brennstoff betriebenen Aggregat, zumal ein Gasmotor schon bei Betrieb mit stöchiometrischem Gemisch eine geringere spezifische Leistung erzielt.

Mit einem mechanisch angetriebenen Kreisellader ist es nach BMW-Aussage gelungen, diesen Nachteil teilweise zu kompensieren, so dass die Motorleistung bei Wasserstoffbetrieb ca. 30% unter der des Serienfahrzeugs liegt. Hiermit sollen ausreichende Fahrleistungen möglich sein.

Das Kraftstoffleitungssystem zwischen Ventilblock und Motor ist am Wagenunterboden weitestmöglich, auffahrsicher im Schutz der Fahrzeugträger verlegt und vor mechanischer Beschädigung (Steinschlag) geschützt. Wasserstofführende Bauteile, die an der Fahrzeugaussenhaut liegen, wie Sicherheitsventile und Tankstutzen, sind über flexible Elemente mit dem System verbunden, um Verformungen ausgleichen zu können.

[Regar, 1989]

Kosten

Bei der Berücksichtigung der Kosten von Wasserstoffantrieben gilt es, diese aufzuschlüsseln.

Zum einen sind da die Kosten für den Wasserstoff selbst.

In Québec/Kanada kostet Wasserstoff (mit einem Energieäquivalent von 1 l Benzin) 1,50 DM. In Québec läuft ein Wasserstoffprojekt (EQHHPP), wo Staudämme Wasserkraft in Energie umformen, die wiederum für die Erzeugung von Wasserstoff genutzt wird.

Nahe Los Angeles/USA steht eine Solarkraftanlage (350 MW). Würde hieraus Wasserstoff gewonnen werden, würde das Energieäquivalent von 1 l Benzin 5,- DM kosten.

Je nach Standort des Kraftwerkes, in dem der Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt wird, kostet eine Kilowattstunde zwischen 20 und 30 Pfennig; solare Elektrizität 40 Pfennig.

Zum anderen muss abgeschätzt werden, wie hoch der Preise für ein Fahrzeug ist, das mit Wasserstoff angetrieben wird.

Eine Kleinstserie von fünf LH2-Pkws ergibt einen Stückpreis von 500.000,- DM.

Bei Serienproduktion lassen sich die Kosten für den Wasserstoffmotor auf die Kosten eines vergleichbaren konventionellen Dieselmotors senken. Für die Speicherung, die Leitungen und die Aufbereitung des Kraftstoffs im Fahrzeug muss für massenproduzierte Komponenten mit Mehrkosten gerechnet werden, die den Endpreis eines LH2-Pkws um maximal 25% über den Preis eines konventionellen, benzinbetriebenen Fahrzeugs gleicher Leistung und gleichen Nutzwertes steigen lassen würden.

In höhere Grössenordnungen gelangt man, wenn man den Mitteleinsatz bis zur Marktreife betrachtet.

Bis zur mittleren Serienfertigung, für die eine allgemeine Betriebserlaubnis Grundvoraussetzung ist, können sich die Aufwendungen mit allen erforderlichen Tests und Genehmigungen auf (einige) 100 Mio. DM belaufen. Dies ist aber nicht wasserstoffspezifisch, sondern eine in der Automobilindustrie durchaus gängige Grössenordnung bei einem Modellwechsel.

Emissionen

Unter dem Aspekt der Gemischaufbereitung und der Motorenauslegung (s. Kap. 6.1.1 u. 6.1.2) wurde bereits einiges zu den Schadstoffen gesagt. Hier nun einige Worte zu den Potentialen des Verbrennungsmotors und vorgegebenen Grenzwerten.

Die Europäische Union (EU) plant für das Jahr 2000 eine neue Abgasrichtlinie, die den amerikanischen Vorschriften weitgehend entsprechen soll. In den USA (Kalifornien) wird zur Zeit der sogenannte SULEV-Standard (Super Ultra Low Emission Vehicle) diskutiert.

In einer neueren Richtlinie aus Nordamerika haben Staaten wie Kalifornien, Massechusetts und New York den Automobilherstellern einen Plan vorgegeben:

· Ab 1998 müssen mindestens 2% der verkauften Fahrzeuge sogenannte "Zero Emission Vehicles" sein, also Elektrofahrzeuge.

· Ab 2003 sind 10% verbindlich.

Bezüglich Stickoxiden liegt der oben erwähnte Standard (SULEV) um einen Faktor 30 unter dem heutigen schweizerischen Standard, bei den Nichtmethan-Kohlenwasserstoffen um Faktor 20. Interessant ist nun die Feststellung, dass der Standard bereits heute von erdgasbetriebenen Verbrennungsmotoren erreicht wird - lange vor dem vorgeschlagenen Termin von 2004.

Schadstoffentstehung:

Am Beispiel der inneren Gemischbildung soll nun die Stickoxidbildung analysiert werden. Andere Emissionen treten bei der Wasserstoffverbrennung nicht auf, da in diesem Kraftstoff kein Kohlenstoff enthalten ist.

Es können zwei Prozesse unterschieden werden, in deren Verlauf es zu Stickoxidbildung kommt. Zur sofortigen Stickstoffmonoxidbildung nach "Fenimore" kommt es bei reinem Wasserstoff nicht, da diese nur in Verbindung mit Kohlenwasserstoffen auftritt.

Bei der NO-Bildung nach "Zeldovich" wird der molekulare Luftstickstoff aufgespaltet, bevor er mit Sauerstoff zu Stickoxiden reagiert. Dieses Aufbrechen der Bindung geschieht erst bei hohen Temperaturen von T = 2300°C und verläuft relativ langsam. Um die Reaktionstemperatur herabzusenken, damit weniger NOx entsteht, bietet sich das Magerkonzept an. Bei Ottomotoren entstehen dabei unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die ihrerseits Schadstoffe sind. Wasserstoff hingegen ist ebenso gut geeignet für eine magere Verbrennung wie Dieselmotoren. Bis zur Hälfte der Last ist die NOx-Entwicklung vernachlässigbar gering (NOx < 5ppm), da relativ viel Luft vorhanden ist und nur relativ geringe Temperaturen auftreten. Mit zunehmender Last steigen die Werte bis auf NOx < 100ppm. Bei höherer Umdrehung erzeugt der Turbolader einen höheren Druck, was wiederum ein magereres Gemisch bewirkt.

Im Vergleich zum Grenzwert des EURO II (NOx = 7,0 g/kWh, HC = 1,1 g/kWh, CO = 4,0 g/kWh) liegt der Wert für wasserstoffbetriebene Motoren bei 10%. Spuren von HC und CO unter jeweils 1% treten durch Schmieröl und Reaktionspartner in der Luft auf.

Eine bisher lediglich angedachte Alternative zum Wasserstoffmotor ist die Gemischaufbereitung mit Wasserstoff und reinem Sauerstoff. Dann würde die Stickoxidbildung wegfallen und der Motor würde so gut wie ohne Schadstoffausstoss fahren.

Aus Effizienzgründen wird sich jedoch der Verkehr voraussichtlich auf luftatmende Triebwerke beschränken. Die Mitführung von Sauerstoff in Fahrzeugen würde erhebliche zusätzliche technische und wirtschaftliche Hindernisse für die Einführung von Wasserstoffahrzeugen bedeuten.

Das beste technische Verfahren zur Minimierung der Stickoxide ist und bleibt der Betrieb mit hohem Luftüberschuss. Bei l = 2,5 lassen sich z.B. die NOx-Grenzwerte für Gas-Ottomotoren aus der TA-Luft deutlich unterbieten.

Wasserdampfbildung:

Bis jetzt unberücksichtigt sind die Folgen geblieben, die einen vermehrter Wasserdampfausstoss auf die Umwelt und das Klima (lokal und global) haben könnte.

Wasserdampfemissionen lassen sich technisch (ausser durch Verbrauchsreduktion) nicht reduzieren, statt dessen werden sie steigen. Wasserdampf ist zwar das am häufigsten in der Atmosphäre vorkommende, klimarelevante Gas, aber wesentlich weniger klimaaktiv als CO2. Die Wasserdampfemissionen aus der heutigen Energiewirtschaft liegen bei 0,005% der natürlichen Vorkommen. Selbst unter ungünstigen Verhältnissen regionaler Ballungsräume würde ein voll auf Wasserstoff umgestellter Fahrzeugverkehr Wasserdampfemissionen nur im Promillebereich natürlicher Emissionen freisetzen.

Werden Szenarien der Wasserstoffnutzung und daraus realistische Wasserstoffgasemissionen abgeleitet, dann würden die H2-Emissionen um maximal bis zu 5% bzw. 1,5 Mio. t / Jahr ansteigen und damit der Gehalt in der Atmosphäre von heute 0,51 ppm auf 0,54 ppm ansteigen.

Würden für das Jahr 2050 angenommen von etwa 1 Mrd. Strassenfahrzeuge ausgegangen, die zu 10 - 20% mit LH2 betrieben würden, so würden sich hieraus erhöhte H2-Emissionen von 0,2 - 0,8 Mio. t/Jahr ergeben. In den letzten Jahren lag die jährlich H2-Zunahme aufgrund anthropogener Verbrennungsprozesse (Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio. t H2 / Jahr. Erste Abschätzungen lassen nach heutiger Kenntnis vermuten, dass durch einen verstärkten H2-Einsatz keine relevanten Veränderungen in der heutigen Wasserstoffbilanz der Atmosphäre bewirkt werden. Wegen nichtlinearer Abläufe chemischer Reaktionen in der Atmosphäre besteht hier aber noch Forschungs- und Klärungsbedarf.

Bei diesem hier veröffentlichten Text handelt es sich um eine gekürzte Zusammenfassung der Studienarbeit von Sven Geitmann über Wasserstoff und Brennstoffzellen aus dem Jahr 1998, allerdings ohne die dazugehörigen Abbildungen. Weiterführende, aktuellere Daten (inklusive Abbildungen) finden Sie in seinen Büchern.

Was ist effizienter: Wasserstoff oder Batterie?

Dazu kommen jedoch die emotionalen Themen: Reichweitenangst und schnelles Laden. Beides, so sind die Autoren der Studie überzeugt, wird gelöst werden und bremst die Verbreitung von E-Autos in der Pull-Phase ab 2023/2025 dann gar nicht mehr. Die Reichweiten werden steigen, mehr Ladestellen und Schnellladesäulen die Angst vorm Liegenbleiben minimieren. Schließlich die Diskussion um die tatsächliche CO 2 -Einsparung: Weil der Strom zum Herstellen von E-Autos noch „schmutzig“, zumindest nicht flächendeckend grün ist, bringt ein E-Auto heute einen vergleichsweise großen „Rucksack“ mit, wenn es produziert wird. Untersuchungen rechnen vor, dass es erst nach mehr als 100.000 Kilometern insgesamt (Produktion und Betrieb) mehr CO 2 einspart als ein Verbrenner. Auch das wird sich in den nächsten Jahren zugunsten des E-Autos ändern, besagt die Studie: Durch mehr grünen Strom in der Produktion von E-Auto und Batterie wird dieser „Anfangsrucksack“ sukzessiv kleiner werden, das E-Auto schneller mehr CO 2 einsparen.

Auch der Kritik vieler Wasserstoffbefürworter, die sogenannte Dunkelflaute beim Batteriebetrieb zu berücksichtigen, haben sich Horváth & Partners angenommen. Mit Dunkelflaute ist die Zeit der nicht möglichen Stromerzeugung wegen Dunkelheit und/oder Windstille gemeint. Dafür wurde dem Primärenergiebedarf der Batterie ein entsprechender Mehrbedarf hinzugerechnet.

Bleibt der interessanteste Teil der Studie: Welche Energie hat den besten Wirkungsgrad und ist am kostengünstigsten, um E-Autos anzutreiben: Batterie- oder Wasserstoffbetrieb?

Beim batteriebetriebenen E-Auto verliert man nur acht Prozent der Energie beim Transport, bevor der Strom in den Akkus der Fahrzeuge gespeichert wird. Beim Umwandeln der elektrischen Energie zum Antrieb des E-Motors gehen dann noch einmal 18 Prozent verloren. Damit kommt das batteriebetriebene E-Auto auf einen Wirkungsgrad, modellabhängig, von 70 bis 80 Prozent.

Beim wasserstoffbetriebenen E-Auto sind die Verluste deutlich größer: 45 Prozent der Energie gehen bereits bei der Gewinnung von Wasserstoff durch die Elektrolyse verloren. Von diesen übrig gebliebenen 55 Prozent der ursprünglichen Energie gehen noch einmal 55 Prozent beim Umwandeln von Wasserstoff in Strom im Fahrzeug verloren. Damit kommt das wasserstoffbetriebene E-Auto nur auf einen Wirkungsgrad, modellabhängig, von 25 bis 35 Prozent. Der Vollständigkeit halber: Beim Verbrennen von alternativen Kraftstoffen ist die Effektivität noch einmal deutlich schlechter: nur 10 bis 20 Prozent Gesamtwirkungsgrad.

„Neben dem sehr realen Potenzial von grünem Wasserstoff existiert gerade ein gefährlicher Hype“, warnen auch Experten der Unternehmensberatungsgesellschaft Boston Consulting Group (BCG) in einer neuen Studie, aus der das Handelsblatt zitiert. Auch die Horváth&/Partners-Studie kommt hier zu den gleichen Ergebnissen.

Anstatt Milliarden für die Vision einer Wasserstoff-Gesellschaft auszugeben, sollten sich Investitionen in die vielversprechende Technologie lieber auf Anwendungen konzentrieren, in denen sie auch wirtschaftlich sinnvoll sind, so das Fazit der Studienautoren.

„Wir glauben, dass es großes Potenzial gibt, wenn man grünen Wasserstoff in Anwendungen forciert, in denen er sich langfristig wirklich durchsetzen kann. Vor allem in der Industrie, außerdem im Schwerlast- beziehungsweise Flug- und Schiffsverkehr“, sagt Frank Klose, Mitautor der Studie.

Das Fazit ist eindeutig: Die Brennstoffzelle hat viele Vorteile (Reichweite, schnelles Betanken, keine schwere Batterie an Bord), aber einen entscheidenden Nachteil: Sie ist vergleichsweise ineffizient – und zwar hinsichtlich ihres Wirkungsgrades und ihrer Kosten. „Keine nachhaltige Volkswirtschaft kann es sich erlauben, die doppelte Menge an regenerativer Energie zu verwenden, um mit Brennstoffzellen-Pkw anstatt mit Batteriefahrzeugen zu fahren“, sagt Studienleiter Dietmar Voggenreiter. Lediglich in Nischen, bei Lkw und Bussen, sowie über lange Strecken, könnte Wasserstoff zum Einsatz kommen. Denn hier spielen das Batteriegewicht, die Reichweite und die Tankzeit eine entscheidende Rolle. Es nimmt mit zunehmender Kapazität extrem zu, was Batterien dann selbst für Lkw uninteressant werden lässt. Zudem könnten bestehende Lkw-Tankstellen aufgrund ihrer niedrigeren Zahl mit überschaubarem Aufwand zu einem Wasserstoff-Tankstellen-Netz umgerüstet werden.

Und was hat nun der Verbraucher davon? Klar ist, dass wasserstoffbetriebene E-Autos im Vergleich zu batteriebetriebenen Fahrzeugen nicht nur in der Anschaffung, sondern vor allem auch im Betrieb immer teurer unterwegs sein werden. Der doppelte Primärenergiebedarf von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen im Vergleich zu batteriebetriebenen wird sich in den Verbraucherpreisen widerspiegeln. Schon heute bezahlen Autofahrer mit rund neun bis zwölf Euro je 100 Kilometer für wasserstoffbetriebene, aber nur zwei bis sieben Euro je 100 Kilometer (je nach Strompreisen in den einzelnen Ländern) für batteriebetriebene E-Autos sehr unterschiedlich für ihre individuelle Mobilität.

Damit dürfte klar sein, wozu die Masse der Käufer in Zukunft greifen wird ….

Brennstoffzelle: Antrieb der Zukunft

Brennstoffzelle, die Retterin der Verkehrswende?

Auch in diesem Jahr verzeichnen wir wieder Rekordtemperaturen und Wetterextreme, die uns beweisen, dass der Klimawandel real ist. Fridays for Future setzt auch während der Ferien die Proteste fort; uns wird bewusst, dass es Zeit ist, zu handeln. Die Politik diskutiert viel über die Handlungsmöglichkeiten, um Treibhausgase und klimaschädliche Emissionen zu reduzieren. Das betrifft vor allem den Verkehr in Deutschland, insbesondere den Pkw-Verkehr.

Der Fokus der Automobilbranche liegt stärker denn je auf der Entwicklung ganzheitlicher, nachhaltiger Mobilitätskonzepte mit Antriebsalternativen zum klassischen Verbrenner, die bestenfalls sogar ohne jegliche Schadstoffemissionen auskommen.

In unserer Reihe “Alternative Antriebe” geht es in dieser Woche um die Technologie der Brennstoffzelle, die durch Wasserstoff betrieben wird. Sie gilt zur Zeit noch als Nischentechnologie und wird bisher so gut wie gar nicht in Serie angeboten. Es lohnt sich jedoch zu wissen, welche Technologie dahinter steckt und die Entwicklungen im Auge zu behalten.

Was ist Wasserstoff?

In reiner Form ist Wasserstoff (H2) ein ungiftiges, geruchloses, unsichtbares Gas und leichter als Luft. Obwohl es auf der Erde in nahezu unbegrenzten Mengen vorhanden ist, muss es zunächst gewonnen werden, da es ausschließlich in organischen Verbindungen wie Wasser, Säuren und anderen organischen Verbindungen auftritt.

Verschiedene Methoden ermöglichen die Gewinnung des Wasserstoffes, jedoch ist in Europa der meistverbreitete Weg die Elektrolyse: Strom wird durch Wasser geleitet und als Resultat wird gasförmiger Wasserstoff freigesetzt.

Wasserstoff ist daher keine Energiequelle per se, sondern ein Energieträger, mit dessen Hilfe man Energie speichern und transportieren kann. Die richtige Definition wäre hier also “Sekundärenergie”, da zur Herstellung zunächst Primärenergie aufgewendet werden muss.

Wird bei seiner Gewinnung, der Elektrolyse, Strom aus regenerativen Energiequellen eingesetzt, macht ihn das umweltfreundlicher.

Speicherung und Transport des Energieträgers der Zukunft

Wasserstoff lässt sich vergleichsweise leicht speichern sowie transportieren. Er kann wie Erdöl – im Gegensatz zu Elektrizität – beliebig gespeichert und, da er transportabel ist, unabhängig vom Produktionsort verwendet werden. H2 gehört so zu einem der wichtigsten Energieträger der Zukunft, vor allem in Verbindung mit erneuerbaren Energien. In Zukunft könnten mit H2 Fluktuationen in der Verfügbarkeit von erneuerbare Energien, wie Wind- und Sonnenenergie, in der stationären Energieversorgung ausgeglichen und diese zusätzlich jederzeit für den Verkehr verfügbar gemacht werden.

Allerdings ist H2 ein äußerst leichtes Gas. Unter normalem, atmosphärischem Druck enthalten 3000 Liter H2 die gleiche Energiemenge wie ein Liter Benzin. Um den Energieträger trotzdem effektiv zu speichern und zu transportieren, muss Wasserstoff folglich stark verdichtet werden. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten:

Unter Hochdruck setzen (CGH2, Compressed Gaseous Hydrogen) Bis auf –253°C abkühlen und verflüssigen (LH2, Liquid Hydrogen).

Die praktische Umsetzung ist jedoch in beiden Fällen energieaufwendig und erfordert modernste Technologien. Außerdem bergen diese Methoden hohe Sicherheitsrisiken. Sicheres, und wenn möglich, verlustarmes Transportieren von H2 ist daher eine der prominenten technologischen Herausforderungen für die Zukunft von Wasserstoff als viel genutzter Energieträger - vor allem in Sachen Verkehr. Doch hier sind in den vergangenen Jahren bereits deutliche Fortschritte gemacht worden.

In der Automobilbranche wird mit Hochdruckspeichern gearbeitet. Der Energieträger wird gasförmig in Hochdrucktanks gespeichert - bei 350 oder sogar 700 bar. Der Energieaufwand liegt hier bei zwölf bis 15 Prozent des ursprünglichen Energieinhalts.

Die größten Nachteile von Druckgas-Tanks liegen in ihrem hohen Gewicht und dem großen Raumbedarf: Je größer der Tank, desto dicker muss dessen Wand sein. Je kleiner der Tank, desto mehr sind nötig, um die äquivalente Menge Wasserstoff zu speichern. Hochdrucktanks enthalten somit bei relativ hohem Gewicht und Eigenvolumen vergleichsweise wenig Wasserstoff, was für den Transport in großen Mengen über große Distanzen schlechte Voraussetzungen darstellt.

Für den weiten Transport großer Mengen eignet sich die Verflüssigung. Für diese Veränderung des Aggregatzustandes muss nach heutigem Stand noch ca. 30 Prozent des ursprünglichen Energieinhalts aufgebracht werden, 15 Prozent mehr als für die Hochdruckspeicherung.

Allgemein gesprochen wird der Transport ähnlich bleiben wie der von beispielsweise Erdgas. Tankschiffe, Tankwaggons und Tanklaster werden mit nötigen Anpassungen für die Speicherung von Flüssigwasserstoff ausgestattet werden und so als Transportmittel weiterhin fungieren können.

Zusätzlich werden zukünftig noch mehr Wasserstoff-Pipelines betrieben werden, wie sie schon heute zum Teil im Rhein-Ruhrgebiet zum Einsatz kommen. Darin wird Wasserstoff gasförmig bei einem Druck von dreißig bis hundert bar transportiert. Jedoch bedürfen diese Art von Leitungen nach heutigem Stand noch einen großen baulichen und wartungstechnischen Aufwand.