24. 08. 2023
Verfasst von: Yannik Schulz

Nachhaltige Konzepte für Wasserstoffmotoren

Die Zugmaschine eines LKWs wird an einer Wasserstoff-Ladesäule betankt, im Hintergrund stehen Windräder und Solaranlagen. — Verbrennungsmotoren mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff können gerade für Nutzfahrzeuge ein umweltfreundlicher Antrieb sein. Technische Innovationen senken zusätzlich noch verbleibende Stickoxid-Emissionen.

Eine Alternative zur Elektromobilität sind Motoren, die regenerativ erzeugten Wasserstoff verbrennen. Sie sind vollständig klimaneutral und nahezu frei von Schadstoffen. Um die verbleibenden Stickoxid-Emissionen fast gänzlich zu vermeiden, entwickeln Forschende der Leibniz Universität Hannover im Verbundprojekt „WaVe“ ein hocheffizientes Aufladesystem. Dieses erzeugt einen großen Luftüberschuss im Motor, der die Verbrennungstemperaturen und dadurch Stickoxide reduziert.

Hochaufladesystem für mager betriebenen H2-Verbrennungsmotor

Klimaneutralität im Mobilitätssektor kann nur mit neuen Lösungsansätzen erreicht werden. Insbesondere im Nutzfahrzeug für den Fernverkehr stellt der Wasserstoffverbrennungsmotor eine denkbare Alternative dar, da

• er eine ähnlich hohe Leistungsdichte bietet wie konventionelle Verbrennungsmotoren,

• er in kurzer Zeit aufgetankt werden kann und

• bei der Verbrennung kein klimaschädliches CO₂ entsteht.

Darüber hinaus ist der Wasserstoff-Verbrennungsmotor unempfindlich gegenüber dem Reinheitsgrad des Wasserstoffs, während bei der Brennstoffzelle schon geringste Verunreinigungen zur Beschädigung führen können. Bei der Verbrennung von Wasserstoff fallen nur Wasser und als letzte Schadstoffe Stickoxide an. Da die Stickoxid-Bildung jedoch stark temperaturabhängig ist, lässt sich diese durch ein Absenken der Verbrennungstemperatur nahezu vollständig vermeiden.

Luft senkt Verbrennungstemperatur

Die Magerverbrennung erfolgt bei niedriger Temperatur, indem der Motor mit deutlich mehr Luft als für die Verbrennung erforderlich betrieben wird. Diese hohe Luftmenge stellt das Aufladesystem zur Verfügung. Da sich hierbei jedoch auch die im Abgas verbleibende Energie verringert, muss der zur Aufladung eingesetzte Turbolader sehr effizient arbeiten. Dieses Ziel verfolgt das Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik der Leibniz Universität Hannover. Es ist Partner im vom niedersächsischen Wissenschaftsministerium geförderten Forschungskonsortium „WaVe – Nachhaltige Wasserstoff-Verbrennungskonzepte“.

Technisches Konzept des Aufladesystems — Ein konventioneller Turbolader und ein elektrisch angetriebener, axialer Verdichter bilden das hocheffiziente Aufladesystem. Es stellt dem Wasserstoffmotor konditioniert Luft zur Verfügung, um die Verbrennungstemperatur zu reduzieren.

Stickoxid-Emissionen werden stark verringert

Das Forschungsteam entwickelt ein Aufladesystem für einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor, das Stickoxid-Emissionen von weniger als 0,027 Gramm pro Kilowattstunde erzielt (Hubraum 12 Liter, Luftverhältnis von λ=3,2 im gesamten Kennfeld). Das entspricht den härtesten zukünftigen Emissionsvorschriften, vorgeschrieben von der kalifornischen Umweltbehörde CARB ab 2027. Das Hochaufladesystem kombiniert dabei einen konventionellen Turbolader mit einem elektrisch angetriebenen, axialen Verdichter. Beide Turbomaschinen sind mechanisch voneinander entkoppelt und decken einen großen Kennfeldbereich sehr effektiv ab. Aufgrund seiner axialen Bauform erreicht der elektrifizierte Verdichter einen sehr hohen thermodynamischen Wirkungsgrad von mehr als 80 Prozent. Zudem ergeben sich durch das kompakte Design einige Vorteile bei der Anordnung im Motorraum.