Wasserstoffverbrennungsmotor

mini|12-Zylinder-Wasser­stoff­verbrennungs­motor des BMW Hydrogen 7 mini|Wasser­stoff­einfüll­stutzen eines BMW

Ein Wasserstoff­verbrennungsmotor (kurz Wasserstoffmotor) ist ein Verbrennungsmotor, der mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben wird. Er wandelt chemische Energie durch Verbrennung in mechanische Arbeit um. Wasserstoffmotoren können als Hubkolben- oder Rotationskolben-Verbrennungsmotor ausgeführt werden. Meist werden Hubkolbenmotoren eingesetzt, die nach dem Ottoprinzip arbeiten; aber es gibt auch Wasserstoff­verbrennungs­motoren, die nach dem Dieselprinzip arbeiten. Der Wirkungsgrad des Wasserstoffmotors liegt zwischen dem des konventionellen, mit Benzin betriebenen Ottomotors und dem des Dieselmotors. Zu einer Serienproduktion von Fahrzeugen mit Wasserstoffverbrennungsmotor ist es bisher nicht gekommen.

Der Wasserstoffverbrennungsmotor ist nicht zu verwechseln mit dem Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem die in Wasserstoff enthaltene Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, die von einem Elektromotor dann in Antriebsenergie umgesetzt wird.

Geschichte

mini|Hippomobile mini|BMW E38 750hL mini|Nahverkehrstriebwagen Stadler RS Zero

1807 wurde erstmals ein Wasserstoff­hubkolbenmotor für ein Automobil vom französischen Offizier François Isaac de Rivaz eingesetzt. Er meldete diesen Motor zum Patent an. Bei diesem Motor wurde der Wasserstoff in einem Ballon mitgeführt und seitlich in den Zylinder eingeblasen, wo das Wasserstoff-Luft-Gemisch mit einem Zündfunken gezündet wurde. Der Zylinder war recht lang; bei der Zündung wurde der Kolben nach oben geschleudert, am oberen Totpunkt fiel der Kolben zurück und eine an den Kolben angebrachte Zahnstange griff in ein Zahnrad, das über einen Riemen mit den Rädern verbunden war. Das Kolbengewicht trieb so die Räder an.

1860 baute Étienne Lenoir das Hippomobile, ein von einem Lenoirmotor angetriebenes Automobil, bei dem Wasserstoff, der durch Elektrolyse erzeugt wurde, als Treibstoff eingesetzt werden konnte. Der nicht sehr zuverlässige Motor entwickelte eine Leistung von 700 W bei 80 min−1 und hatte einen Wirkungsgrad von etwa 3 %.

1938 rüstete Rudolf Erren einige Otto- und Dieselmotoren für den Betrieb mit Wasserstoff um.

Ende der 1970er Jahre wurde ein Pkw von Suzuki mit Wasserstoffantrieb erprobt. Der Kraftstoffverbrauch betrug 15 Liter Wasserstoff auf 100 km.Versuche mit Wasserstoff. In: Kraftfahrzeugtechnik. 6/1979, S. 167. Das als „Musashi III“ bezeichnete Fahrzeug hatte einen Dreizylinder-Zweitaktmotor mit 550 cm³ Hubraum. Der Tank fasste 60 Liter Flüssigwasserstoff. Seinerzeit wurde bereits darauf hingewiesen, dass es künftig von Bedeutung für den Umweltschutz sein würde, dass dieser Motor kein CO2 freisetzt. Als größte Entwicklungshürde wurde die Speicherung des Wasserstoffs im Fahrzeug gesehen. Potenzial wurde der Metallhydridspeicherung etwa in Magnesium-Nickel-Granulat, wie es Daimler-Benz seinerzeit erprobte, zugesprochen, weil es der batterieelektrischen Energiespeicherung überlegen sei.Aussichtsreichste Alternativkraftstoffe: kurzfristig Methanol, langfristig Wasserstoff. In: Kraftfahrzeugtechnik 9/1979, S. 278–279. Um 1980 wurden in der Sowjetunion umfangreichere Erprobungen mit einem Lada 1200 mit kombiniertem Benzin-Wasserstoff-Antrieb durchgeführt.Sowjetische Versuchsfahrzeuge mit kombiniertem Benzin-Wasserstoff-Antrieb. In: Kraftfahrzeugtechnik 10/1980, S. 311.

1996 rüstete das Unternehmen MAN versuchsweise einige Stadtbusse mit Wasserstoff­verbrennungs­motoren aus. Diese Motoren arbeiteten nach dem Ottoverfahren und hatten äußere Gemischbildung; später wurden auch Motoren mit innerer Gemischbildung eingesetzt.

2000 baute BMW 15 Einheiten des Wasserstofffahrzeugs E38 750hL mit Hubkolbenmotor; 2007 wurde der Nachfolger BMW Hydrogen 7 vorgestellt, von dem 100 Stück gebaut wurden.

2021 stellte die Deutz AG einen neuen Wasserstoffmotor vor und kündigte den Beginn der Serienfertigung für 2024 an. Der Schienenfahrzeughersteller Stadler Rail verbaute im Prototyp seines Triebwagens RS Zero zwei Wasserstoffmotoren TCG 7.8 H2 von Deutz.

2021 stellte Toyota Rennwagen mit Wasserstoffverbrennungsmotor vor, die auf einem Corolla bzw. auf einem GR Yaris basierten. Ende 2022 wurde das Konzeptfahrzeug Toyota Corolla Cross H2 Concept vorgestellt.

Ein weiterer Entwicklungsschritt erfolgte durch das britische Unternehmen JCB, das unter der Leitung von Chairman Anthony Bamford zwischen 2021 und 2023 einen Wasserstoffverbrennungsmotor für den Einsatz in Baumaschinen entwickelte. Grundlage war ein konventioneller Dieselmotor, der so umgebaut wurde, dass er mit Wasserstoff betrieben werden kann. Drehmoment und Leistung blieben dabei vergleichbar mit dem ursprünglichen Dieselmotor. An dem Projekt waren rund 100 Ingenieure beteiligt, die Entwicklungskosten beliefen sich auf etwa 112 Millionen Euro. Der neu entwickelte Motor mit der Bezeichnung „AB H2 JCB 448“ wurde bis April 2023 in einer Stückzahl von 50 Einheiten gefertigt und erfolgreich in mittelgroßen Baggern eingesetzt.100 Ingenieure konstruieren Wasserstoff-Verbrennungsmotor. In: Der Bauunternehmer – Fachzeitschrift für Führungskräfte der Bauwirtschaft, April 2023, S. 14.

2024 präsentierte Kawasaki einen ersten Prototyp eines Wasserstoffmotorrads bei einer Demofahrt.

Zudem präsentierte MAN Truck & Bus, auf der IAA Transportation 2024 den MAN hTGX, mit einem 16 Liter 6-Zylinder Wasserstoffverbrennungsmotor. Auf der Leitmesse hat MAN mit dem Wasserstoff TGX den TIA (Truck Innovation Award) gewonnen.

Wasserstoff als Kraftstoff

Eigenschaften des Wasserstoffs

Wasserstoff hat im Verhältnis zu seiner Masse einen hohen Energiegehalt, da jedoch seine Dichte mit 0,089882 kg·m−3 bei Standardbedingungen nicht sehr groß ist, ist der Energiegehalt im Verhältnis zum Volumen sehr gering. Daher ist der Heizwert eines Wasserstoff-Luft-Gemisches davon abhängig, wie Wasserstoff und Luft miteinander gemischt werden – der Heizwert kann über, aber auch unter dem eines konventionellen Benzinluftgemisches liegen. Wasserstoff hat sehr große Zündgrenzen, die von 4 Vol-% Wasserstoff (Luftzahl ) bis 75,6 Vol-% Wasserstoff (Luftzahl ) reichen. Theoretisch kann daher, selbst bei , ein Wasserstoffmotor noch mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben und die Last im gesamten Betriebsbereich des Motors durch Qualitätsänderung geregelt werden. Es ist aber auch wegen der weiten Zündgrenzen möglich, Betrieb mit inhomogenem überstöchiometrischen Gemisch anzuwenden. Zwar muss – wie bei anderen Kraftstoffen auch – bei höherem Luftverhältnis mehr Zündenergie aufgewendet werden, doch beträgt die nötige Zündenergie beim stöchiometrischen Wasserstoff-Luft-Gemisch mit etwa 0,017 mJ (Mindestwert) nur ein Zehntel der eines konventionellen Benzinluftgemisches. Die Selbstentzündungs­temperatur des Wasserstoffes liegt mit 858 K (585 °C) weit über jener von Benzin oder Dieselkraftstoff, daher hat Wasserstoff bei Verbrennung mit Vormischflamme günstige Klopfeigenschaften. Das erschwert allerdings den Betrieb eines nach dem Dieselverfahren arbeitenden Motors, weshalb in einem nach dem Dieselverfahren arbeitenden Wasserstoff­verbrennungs­motor die Ladungstemperatur durch Maßnahmen wie hohe Verdichtung erhöht werden muss, um die Selbstentzündung sicher einzuleiten. Da bei einem Wasserstoff­verbrennungs­motor die laminare Flammengeschwindigkeit mit maximal 3 m·s−1 sehr hoch ist, sogar bei überstöchiometrischen Gemischen, kann eine kurze Brenndauer erzielt werden, die sich günstig auf den Wirkungsgrad auswirkt, allerdings wegen des schnellen Druckanstieges im Brennraum eine stärkere Belastung des Triebwerkes bedeutet.

Wasserstoffspeicherung

Der Wasserstoff für den Wasserstoffmotor wird entweder verflüssigt (−253 °C), höchstkomprimiert (300–700 bar) oder in einer chemischen oder physikalischen Verbindung (wie zum Beispiel Metallhydrid oder LOHC) gespeichert. Metallhydridspeicher waren 2018 noch im Entwicklungsstadium. Bei der Speicherung in verdichteter oder verflüssigter Form muss Energie zur Speicherung des Wasserstoffes aufgewendet werden, diese entspricht etwa 15 % des Heizwertes des Wasserstoffs. Flüssigtanks gasen durch unvermeidliche Isolationsverluste bei Nichtbenutzung aus. Der verdampfte Wasserstoff führt zu einer Druckerhöhung im Tank. Zum Druckausgleich über ein Entlastungsventil werden darum etwa beim BMW Hydrogen7 10 bis 12 Gramm pro Stunde des verdampfen Wasserstoffs abgegeben, was nach 17 Stunden Standzeit beginnt und innerhalb von 9 Tagen einen halbvollen Tank fast vollständig entleert. Nachteilig bei Metallhydridtanks sind die großen Kosten und eine geringe Speicherdichte von etwa 2 bis 3 % der Masse. Wasserstoff kann durch Hydrierung von organischen Substanzen (zum Beispiel N-Ethylcarbazol) in flüssiger Form drucklos gespeichert und transportiert werden. Rechnerisch sind Speicherdichten von 14–20 Masseprozent möglich. Im Labor wurden Speicherdichten von 6–8 Masseprozent erreicht.

Wasserstofftankstellen

An den in Deutschland verbreiteten Wasserstofftankstellen von H2 Mobility dürfen gemäß AGBH2 Mobility Nutzungsbedingungen: „4.6. Es ist erlaubt, folgende Fahrzeugtypen, die Wasserstoff in einer Brennstoffzelle verwenden, an den Tankstellen von H2 MOBILITY zu betanken: ... 4.7. Alle weiteren Fahrzeugtypen, die in 4.6 nicht benannt sind, dürfen nicht an H2 MOBILITY Tankstellen betankt werden. Dies betrifft insbesondere Fahrzeuge, die Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor verwenden.“ nur freigegebene Fahrzeuge mit Brennstoffzellen tanken, da bei diesen die Kompatibilität sichergestellt ist. Fahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotor sind dort explizit verboten.

Am 31. März 2025 waren in ganz Österreich laut Statistik Austria 62 Pkws mit Wasserstoffantrieb gemeldet, davon fünf in Privatbesitz. Das Tanken ist teurer als bei einem PKW mit Verbrennungs- oder Elektromotor. OMV ist der einzige Betreiber von Wasserstofftankstellen in Österreich. Die seit 2012 bestehende Tankstelle in Wien wurde im ersten Quartal 2025 geschlossen. Eine weitere wird zum 30. Juni 2025 geschlossen, eine am 30. September 2025 und zwei am 31. August 2025. OMV sieht für Wasserstoff im Individualverkehr aktuell keine Perspektive und will stattdessen weiter in Elektromobilität investieren. Wasserstoff für die Industrie produziert OMV weiterhin.orf.at: OMV schließt alle Wasserstofftankstellen

Merkmale des Wasserstoffverbrennungsmotors

Wasserstoffmotoren lassen sich nach verschiedenen Merkmalen gliedern. Da in der Regel das Ottoverfahren angewandt wird, weil das Dieselverfahren für den Wasserstoffbetrieb noch keinen seriennahen Zustand erreicht hat, unterscheidet man hauptsächlich nach der Art der Gemischbildung: Es werden im Wesentlichen die beiden Methoden Saugrohreinspritzung (äußere Gemischbildung) und Direkteinblasung (innere Gemischbildung) verwendet, die sich auch kombinieren lassen. Im Folgenden werden zusätzlich zur schon genannten Gemischbildung alle Unterscheidungsmerkmale aufgelistet:

Funktionsprinzip (Otto-, Diesel- oder Diesel-Zündstrahlverfahren) (Teillast-)Drehmomentänderung (Quantitätsänderung oder Qualitätsänderung) Gemischbildung (äußere oder innere Gemischbildung) Triebwerksbauart (Hubkolbenmotor oder Rotationskolbenmotor) Temperaturniveau des Kraftstoffes (tiefkalt oder Umgebungslufttemperatur) Ladungszustand (freisaugend oder aufgeladen) Ladungsverteilung (homogen oder geschichtet)

Quelle

Drehmomentänderung

Der weiten Zündgrenzen wegen ist es möglich und aufgrund des besseren Wirkungsgrades auch sinnvoll, bei einem Wasserstoff­verbrennungs­motor das Drehmoment nur über eine Änderung der eingespritzten Kraftstoffmasse einzustellen und die Ansaugluft nicht zu drosseln (Qualitätsänderung). Um das Leerlaufverhalten und die Brenndauer im unteren Lastbereich zu optimieren, kann es jedoch vorteilhaft sein, die Ansaugluft zu drosseln. Wird ein Dreiwegekatalysator zur Abgasreinigung eingesetzt, so kann auch durch Drosseln erreicht werden.

Gemischbildung