Antriebsstrang Wasserstoff-Verbrennungsmotor: „Die Wertschöpfung läge in Europa“

Die Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff in elektrische Energie für Elektrofahrzeuge. Dabei lässt sich das Gas im Verbrennungsmotor auch direkt nutzen. Helmut Eichlseder und Hans-Herrmann Braess erklären die Hintergründe.

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Herr Braess, Herr Eichlseder, Wasserstoff in Verbrennungsmotoren direkt zu verbrennen haben BMW, Mazda oder MAN schon erprobt, teils in einsatzbereiten Fahrzeugen. Wieso hat sich die Technik dennoch bislang nicht durchgesetzt?

Eichlseder: Der Hauptgrund liegt meines Erachtens bei der bisher kaum ausgebauten Wasserstoff-Infrastruktur an Tankstellen und für die Bereitstellung erneuerbaren Wasserstoffs. Zudem waren bisher die CO₂-Zielwerte für Fahrzeughersteller auch mit konventioneller Technik und elektrifizierten Antrieben zu erfüllen.

Braess: BMW hatte angestrebt, seine H₂-Fahrzeuge in Kalifornien als „Near Zero Emission“ anerkannt zu bekommen. Das „California Air Resources Board“ (CARB) wollte aber nur „Technologien ohne Auspuff“ akzeptieren. Ein weiter Grund für BMW die H₂-Motorentwicklung nach fünf Fahrzeuggenerationen einzustellen war die deutliche Verbesserung der Batterietechnologie – und daraus folgende E-Fahrzeugprojekte.

Welche Vorteile sehen sie bei der Verbrennung von Wasserstoff verglichen mit herkömmlichen Kraftstoffen wie Benzin?

Eichlseder: Der Hauptvorteil ist die mögliche Nutzung und Speicherung von regenerativ gewonnenem H₂. Das erlaubt ein CO₂-freies Antriebssystem mit gewohnten Tankzeiten und Reichweiten zu ähnlichen Kosten wie heute. Zudem wäre dies extrem schadstoffarm auf einem „Zero Impact“-Niveau und mit einer Wertschöpfung in Europa möglich.

Was ändert sich zum Beispiel hinsichtlich der Verbrennungstemperaturen und wie wirkt sich das auf die Komponenten aus? Eignen sich heutige Motoren „einfach so“ für die Verbrennung von Wasserstoff?

Eichlseder: Wegen einer schnelleren Verbrennung würden bei gleichem (stöchiometrischem) Luft/Kraftstoffverhältnis die Verbrennungstemperaturen höher sein, allerdings ist der bevorzugte und mit Wasserstoff mögliche Betrieb ein sogenannter Magerbetrieb mit hohem Luftüberschuss, wodurch die Verbrennungstemperaturen geringer sind. „Einfach so“ ist es nicht möglich, allerdings kann mit vergleichsweise geringem Aufwand ein heutiger Serienmotor adaptiert und vor allem auf bestehenden Fertigungsstraßen produziert werden.

Braess: BMW hatte schon in den 90er Jahren den weltweit ersten H2-Motorenprüfstand verfügbar. Hier wurden insbesondere auch Motorsteuerungskonzepte zur Ausblendung der ungünstigen Lambdabereiche entwickelt.

Was muss angepasst werden und wie groß wäre der Aufwand?

Eichlseder: Den größten Aufwand sowohl in finanzieller Hinsicht als auch Bauraumbedarf erfordert das Wasserstoff-Tanksystem, das allerdings für Brennstoffzellenfahrzeuge gleich ist.

Zu den zu adaptierenden Umfängen, die aber keinen sehr großen Aufwand darstellen, gehören geeignete Werkstoffe für die kraftstoffführenden Bauteile, Zündsystem, Kurbelgehäuseentlüftung, Gemischbildungssystem und natürlich Motorsteuerung und Abgasnachbehandlung.

Wie sieht es mit den Abgasen aus, welche Emissionen entstehen bei der Verbrennung von Wasserstoff?

Eichlseder: Da der Kraftstoff keinen Kohlenstoff beinhaltet, fallen die Komponenten HC, CO und Ruß nur in minimalen Mengen aus dem Schmieröl an. So die CO₂-Werte kleiner als 1g/kWh oder 1 g/km sind, was technisch gut machbar ist, werden diese als CO₂-frei betrachtet. Die einzige relevante Komponente sind Stickoxide NO_x, die allerdings bereits ohne Abgasnachbehandlung auf dem Niveau der aktuellen Grenzwerte liegen. Mit einer spezifischen Abgasnachbehandlung kann ein „Zero Impact“-Niveau erreicht werden.

Welchen Wirkungsgrad erreichen Verbrennungsmotoren die mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben werden?

Eichlseder: Der Wirkungsgrad ist auf dem Niveau von sehr guten konventionellen Motoren, tendenziell sind etwas höhere Wirkungsgrade möglich.

In welcher Form, zum Beispiel flüssig oder gasförmig, lässt sich der Wasserstoff im Motor verbrennen und in welcher Form sollte er im Fahrzeug gespeichert werden?

Eichlseder: Die Einbringung in den Motor erfolgt jedenfalls gasförmig, wobei sowohl äußere (Saugrohreinblasung) als auch innere Gemischbildung (Direkteinblasung) möglich sind. Für die Speicherung hat sich bei den Brennstoffzellenfahrzeugen und damit bei der vorhandenen Infrastruktur Druckspeicherung mit 700 bar etabliert und würde analog für den Pkw-Wasserstoffantrieb gelten. Für schwere Nutzfahrzeuge werden eher 350 Druckspeicher favorisiert, diese Frage ist aber noch nicht endgültig geklärt.

Braess: Die 700 bar-Technologie ist noch relativ jung, weshalb BMW zur Erzielung praxistauglicher Reichweiten früher auf die Flüssigwasserstoffspeicherung gesetzt hat. Damit könnte die Einbringung des Wasserstoffs auch flüssig mittels Kyropumpe erfolgen.

Der Trend ist derzeit: Wenn Wasserstoff, dann in Kombination mit einer Brennstoffzelle. Wie realistisch schätzen Sie die Chancen für die Wasserstoff-Verbrennung auf dem Markt ein? Welche Bedingungen müssen dafür erfüllt sein, technisch und infrastrukturell?

Eichlseder: Ich schätze den Wasserstoff-Verbrennungsmotor vor allem für die schweren Nutzfahrzeuge als interessante Option ein. Der Vorteil der Brennstoffzelle ist ein hoher Wirkungsgrad bei niedrigen Lasten, was diese für Pkw besonders attraktiv macht. Bei höheren spezifischen Lasten geht der Wirkungsgrad zurück, ganz im Gegensatz zum Motor. Dessen Wirkungsgrad ist bei niedrigen Lasten schlecht und steigt mit der Last, sodass sich der Wirkungsgradvorteil der Brennstoffzelle verringert oder ausbleibt. Zusätzlich ist die Kühlung leistungsstarker Brennstoffzellen sehr herausfordernd und begrenzt derzeit die Lkw-Leistungen, die Lebensdauer ist unter den Randbedingungen des Fernverkehrs noch nachzuweisen.

Offen ist, wieweit sich die Kosten der Brennstoffzelle – die ja in Verbindung mit einer Batterie eingesetzt werden muss, und die heute deutlich höher sind – künftig in Richtung heutiger Antriebe entwickeln kann. Den Wasserstoff-Verbrennungsmotor sehe ich also vor allem für den Lkw als kostengünstige, mit heutiger Fertigungsinfrastruktur und Wertschöpfung in Europa vergleichsweise schnell umsetzbare Möglichkeit für CO₂-freien Güterverkehr.

Welche Chance würde sich für Zulieferer ergeben, wenn die Technik in nennenswerten Stückzahlen auf dem Markt wäre?

Eichlseder: Für Zulieferer würde eine gewachsene und bestens etablierte Know-how- und Fertigungs-Struktur nutzbar sein, die ein europäisches Stärkefeld – die Motorentechnik – nutzen und weiter ausbauen kann.

Braess: Außerdem ergäbe sich für die Zulieferindustrie für Motoren und Triebstränge so eine Chance ihre Kapazitäten und Arbeitsplätze zu sichern.

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