Wasserstoffkreislaufmotor

12-Zylinder-Wasserstoffverbrennungsmotor des BMW Hydrogen 7

Beim Wasserstoffverbrennungsmotor (kurz Wasserstoffmotor) wird ein konventioneller Verbrennungsmotor mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben. Grundlage ist die Knallgasreaktion (zwei Teile Wasserstoff mit einem Teil Sauerstoff) in einem Kolbenrotationszylinder. Der Gesamtprozess arbeitet dabei nach dem Ottoprinzip wie in herkömmlichen Ottomotoren. Teils können Benzinmotoren auch für den Betrieb mit Wasserstoff modifiziert werden.

Der Wasserstoffverbrennungsmotor ist nicht zu verwechseln mit der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Funktionsweise

Er ist aufgebaut wie ein Otto-Motor, da der Wasserstoff nur durch Zündkerzen oder einen Dieselkraftstoff-Zündstrahl (siehe Schichtladung) und nicht durch Selbstzündung zur Verbrennung gebracht werden kann. (Die Zündtemperatur von Wasserstoff liegt mit 560 °C^[1] ungefähr 340 °C über der von Dieselkraftstoff^[2].) Bei Hubkolbenmotoren müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, damit der Wasserstoff nicht frühzeitig mit Sauerstoff in Kontakt kommt (Gefahr der Knallgas-Reaktion). Verschiedene Verfahren zur Aufbereitung des Verbrennungsgemisches werden im Folgenden vorgestellt.

Äußere Gemischbildung (Saugrohr-Einblasung)

Bei der äußeren Gemischbildung mit gasförmigem Wasserstoff wird dieser mit geringem Überdruck an das Ansaugrohr eingeblasen. Wenn der Kraftstoff als flüssiger Wasserstoff im Kraftstofftank gespeichert wird, muss er auf dem Weg vom Tank zum Motor erwärmt werden, so dass er dort gasförmig ankommt. Der Kraftstoff wird noch vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum mit der angesaugten Luft vermischt. Dieses Gemisch wird nach dem Schließen der Einlassventile im Verbrennungsraum zum Beispiel durch den Funken einer Zündkerze fremdgezündet. Da Wasserstoff eine sehr geringe Dichte hat, verdrängt er bei der Saugrohr-Einblasung viel Luft. Folglich kommt weniger Luft in den Brennraum, der Liefergrad wird schlechter. Alternativ kann flüssiger Wasserstoff in das Saugrohr eingespritzt werden. Durch den Kontakt mit der vergleichsweise warmen Ansaugluft erwärmt sich der Wasserstoff. Die Ansaugluft hingegen kühlt sich ab und nimmt dadurch im Volumen ab. Dadurch kann mehr Luft in den Brennraum einströmen.

Innere Gemischbildung (Direkt-Einblasung)

Bei diesem Mischungsverfahren wird gasförmiger Wasserstoff unter hohem Druck (80 – 120 bar) direkt in den Verbrennungsraum eingeblasen. Dort mischt er sich mit der angesaugten Luft und das Wasserstoff-Luft-Gemisch wird mit einer Zündkerze entzündet. Durch diese Aufladung wird die effektive Verdichtung erhöht und somit auch der thermodynamische Wirkungsgrad. Die Füllung gegenüber der Saugrohreinblasung ist stärker, weil nur Luft angesaugt wird und der Wasserstoff ein relativ großes Volumen im Vergleich zu Benzin einnimmt. Eine Besonderheit bei der Zündung ist das Diesel-Zündstrahl-Verfahren: Um das Gemisch ohne Zündkerze zünden zu können, wird zusätzlich zum Wasserstoff eine geringe Menge Diesel eingespritzt, die sich leichter entzündet als Wasserstoff. Brennt erst einmal dieser Diesel-Zündstrahl, wirkt er als Pilotzündung für den Wasserstoff. Nachteil dieses Verfahrens ist der zusätzliche Bedarf eines Hilfskraftstoffs. Im Ottomotor und im Wankelmotor kann man den Wasserstoff direkt ohne Hilfskraftstoffe mit Zündkerzen zünden. Die Direkt-Einblasung wird zum Beispiel von Mazda in den RX-8-H2-Motoren eingesetzt.

Optimierte Gemischbildung

Äußere und innere Gemischbildung lassen sich auch kombinieren. Da dann jedoch zwei Einspritzsysteme benötigt werden, ist das Verfahren sehr teuer. Jedoch lassen sich noch andere Gemischbildungsarten kombinieren: Bei Verbrennung mit innerer Gemischbildung kann Wasserstoff früh oder spät eingespritzt werden. Die frühe Einspritzung ist sofort nach dem Schließen der Einblasventile, die späte Einspritzung ist nahe dem oberen Totpunkt, also unmittelbar vor und/oder während der Verbrennung. Für eine gute Durchmischung von Luft und Wasserstoff ist die frühe Einspritzung gut. Da sich ein homogenes (gut durchmischtes) Wasserstoff-Luft-Gemisch sehr leicht entzündet, kann man das früh eingespritzte Gemisch sehr mager halten (wenig Wasserstoff pro Luft), so dass es nicht so zündwillig ist. Erst nahe dem oberen Totpunkt, wenn die Zylinderladung gezündet werden soll, wird noch einmal eingespritzt und mit einer Zündkerze gezündet. Durch die Wasserstoffeinblasung während der Verbrennung kann die Verbrennung beeinflusst und damit gesteuert werden. An diesem System forscht die Firma BMW, um die Leistung der Motoren zu steigern und die Emissionen von Luftschadstoffen zu senken.

Wasserstoffkreislaufmotor

Die Grundlage hierfür bildet der so genannte Konverter, ein Rohr aus Edelstahl, in dessen Inneren ein sich drehender Flügel das Gas in eine schnelle Rotation versetzt.

In dieses Rohr (Zentrifuge) wird nun Frischluft, in der sich durch stille elektrische Entladung Ozon gebildet hat, zusammen mit dem Abgas aus dem Motor axial eingeleitet.

Während das schwere Ozon durch die Fliehkraft innerhalb des Rohres nach außen gedrängt wird, gelangt die überschüssige Luft, bzw. der Stickstoff, durch die gegenüber liegende Öffnung ins Freie.

Durch den bestehenden Kreislauf reichert sich das Gas im System also kontinuierlich mit dem lichtempfindlichen Ozon an, welches schließlich wiederholt als Arbeitsmedium in den Motor gesaugt wird.

So kann der Motor nach einer kurzen Anlaufphase, in der sich genügend Ozon angereichert hat, gestartet werden, wozu nur wenig Wasserstoff bzw. Knallgas hinzudosiert werden muss.

Die Volumenarbeit nach der Zündung wird dann durch Photochemische Substitutionsreaktionen des Ozons geleistet, wobei das dafür nötige UV-Licht vom reagierenden Wasserstoff emittiert wird.

Vor- und Nachteile

Pro

• Als Verbrennungsprodukte entstehen nur Wasserdampf und die Gase Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid; letztere liegen aber etwa um die 50% unter denen eines Ottomotors mit Katalysator. Der Schmierölverbrauch verursacht auch noch Spuren von Kohlendioxid, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen.
• Generell kann man sagen, dass der Wirkungsgrad bei Wasserstoffverbrennungsmotoren mit bis zu 45% besser ist als bei Benzinmotoren, die bis zu 25% effizient sind. Dies kommt dadurch zustande, dass der Verbrennungsprozess im Wasserstoffmotor aufgrund der hohen Brenngeschwindigkeit des Wasserstoff-Luft-Gemisches dem thermodynamisch günstigen Gleichraumprozess näher kommt als ein Benzinmotor. Die Zünd- und Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffgemisches sind höher als die des Benzin-Luft-Gemisches.
• Gegenüber der Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor ist der H₂-Motor kompakter.
• Einen Wasserstoffverbrennungsmotor muss man nicht vor dem Start anwärmen, während eine Brennstoffzelle erst auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden muss.
• Das Abgas enthält keinen Feinstaub.
• Wasserstoff ist bei Beachtung von einfachen Handhabungsregeln sicherer als Benzin.
• Wasserstoff kann aus verschiedenen Quellen gewonnen werden. siehe: Wasserstoffherstellung
• Einfache Herstellung von Wasserstoff.

Contra

• Die Leistung von H₂-Verbrennungsmotoren ist trotz des höheren Wirkungsgrades niedriger als bei Otto-Motoren. Dies ist im niedrigeren Energiegehalt des Wasserstoffes pro Kubikmeter Gas und dem großen Volumenanteil des Wasserstoffes am Gas-Luft-Gemisch begründet. Außerdem fährt man in der Regel ein Gas-Luft-Gemisch mit einem relativ hohen Luftüberschuss (einem Mehrfachen des stöchiometrischen Luftbedarfes). Die Leistung des Motors wird dadurch weiter reduziert, weil der Energiegehalt des Gemisches kleiner wird.
• Es kann zu einer unregelmäßigen Verbrennung kommen, wenn sich im Zylinder noch heißes Restgas befindet, während schon frischer Kraftstoff einströmt. Dieser kann sich entzünden, und es kommt zu einer Rückzündung, noch bevor das Einlassventil geschlossen hat. Entzündet sich das Gemisch während der Verdichtung an noch heißen Stellen im Brennraum (zum Beispiel am Auslassventil), spricht man von einer Frühzündung. Außerdem kann es zum „Klopfen“ kommen, wenn das Luft-Wasserstoff-Gemisch nicht von der Zündkerze in den Brennraum hinein abbrennt, sondern sich aufgrund der Druck- und Temperaturerhöhung bei einsetzender Verbrennung Teile des Gemisches selbstentzünden. Dieses Problem tritt nur beim Hubkolbenmotor auf. Beim Wankelmotor mit seinen räumlich voneinander getrennten Verdichtungs- und Verbrennungsräumen existieren diese Probleme nicht. Außerdem sind dort auch keinerlei heiße Ventile vorhanden.
• Wasserstoff hat sehr schlechte Schmiereigenschaften, da er keinen Kohlenstoff enthält und gleichzeitig den Schmierfilm angreift. Der Schmierfilm wird durch den Wasserstoff gleich auf zwei Wegen angegriffen: Zum einen von der Wasserstoffflamme, die bis an die Wandung heranbrennt, und nicht, wie es bei Benzin der Fall ist, beim Annähern an die Randzone verlöscht. Zum anderen durch Hydrieren. Der Wasserstoff knackt die langkettigen Kohlenwasserstoffe, wodurch diese noch leichter verbrennen. Ein Ausweg aus diesem Problem bieten Keramikbeschichtung und der Verzicht auf Schmierung der Laufflächen überhaupt, was durch Kombination von Keramik gegen Keramik als Laufpartner ermöglicht wird.
• Mit der Nutzung von flüssigem Wasserstoff ist wegen des niedrigen Siedepunktes (-253 °C) ein erheblicher Aufwand verbunden, und dies sowohl beim Tankvorgang als auch am Fahrzeug selbst, wo spezielle Materialien gewählt werden müssen, die solchen Temperaturen gut standhalten. Zudem erhitzt sich der Wasserstoff mit der Zeit und benötigt dadurch ein größeres Volumen. Dies führt dazu, dass der Wasserstoff mit der Zeit an die Umwelt abgegeben werden muss und sich der Tank entleert. Weiter müssen alle Komponenten eine sehr hohe Dichtigkeit aufweisen, da der Wasserstoff aufgrund seiner kleinen Moleküle selbst durch mikroskopische Lücken entweichen kann.
• Die Infrastruktur, um eine flächendeckende Versorgung mit Wasserstoff gewährleisten zu können, ist sehr teuer und bisher praktisch inexistent.
• Brennstoffzellen nutzen die im Wasserstoff gespeicherte Energie mit einer Effizienz von 50 bis 60% wesentlich effektiver, dies ist jedoch nur der elektrische Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle. Jedoch können selbst Brennstoffzellen mit ihrer Effizienz nicht mit modernen Akkumulatoren konkurrieren, die eine Effizienz von 93% aufweisen, hier muss man auch wieder das Gesamtsystem, bestehend aus Kraftwerk, Leitungssystem, Ladegerät, Batterie, Fahrtregler und Elektromotor, betrachten.

Abseits der technischen Problemstellung bleibt eine weitere Frage, wo der Wasserstoff für Wasserstoffantriebe herkommt. Wasserstoff ist im Gegensatz zu Öl keine Energiequelle, da man Wasserstoff in der Natur nicht ungebunden vorfindet. Im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft muss der Wasserstoff folglich immer durch Einsatz von Energie produziert werden. Für die heutige Forschung zu Wasserstoffantrieben wird der Wasserstoff meist aus Erdgas bei gleichzeitiger Entstehung des Klimagases CO₂ gewonnen – dabei nimmt einerseits der Energiegehalt ab, andererseits ist es keine dauerhafte Lösung. Andere Arten der Wasserstoffherstellung gehen beispielsweise über Elektrolyse, welche aktuell erst in Norwegen in größerem Maßstab betrieben wird, weil man dort mit Wasserkraftwerken mehr Strom produziert, als man verbraucht. Die Elektrolyse weist eine Effizienz von etwa 70% auf. Weitere Verluste entstehen durch die Kompression (könnte aber teilweise zurückgewonnen werden) und den Transport des Wasserstoffs.

„Die Verwendung von Wasserstoff im Verkehr ist wegen der hohen Energieverluste und Kosten der Produktion, der Aufbereitung und des Transportes nicht zu befürworten. Auch die Herstellung von Methanol vor allem aus Erdgas ist nicht sinnvoll, da das Erdgas auch ohne die Verluste der Methanolherstellung direkt genutzt werden könnte. Selbst sofern regenerative Energieträger im Straßenverkehr eingesetzt werden könnten, wäre der Ersatz von alten hochemittierenden fossilen Kraftwerken durch diese regenerative Energie (Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft) wesentlich sinnvoller als der Ersatz von benzinbetriebenen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durch Wasserstoffantriebe. Würde diese regenerative Energie direkt genutzt werden, könnten auch kabelgebundene Transportmittel, wie Straßenbahn, Fernbahnen und Oberleitungsbusse als „Nullemissionsfahrzeug“ betrieben werden.“

– Umweltbundesamt^[3]

Wasserstoffspeicherung

Hauptartikel: Wasserstoffspeicherung

Der Wasserstoff für den Wasserstoffmotor wird in einem Metallhydridtank bei einem Druck von etwa 7 bar gespeichert. Da der Wasserstoff nur freigesetzt werden kann, wenn die Temperatur des Metallhydrids steigt, kann das Gas solange sicher gespeichert werden, bis es als Kraftstoff benötigt wird. Beim Betanken des Fahrzeugs muss das Metallhydrid mit Wasser gekühlt werden, da sonst der Wasserstoff mit dem Metallhydrid reagiert, was zu einem erheblichen Temperaturanstieg führen würde. Umgekehrt wird der im Betrieb benötigte Wasserstoff freigesetzt, indem das erwärmte Motorkühlwasser durch das Metallhydrid geleitet wird.

Anwendungsbeispiele

Wasserstoffverbrennungsmotor von MAN (Typ H2876UH)

Im Jahre 1999 fand die Wasserstofftechnik am Flughafen München in drei Niederflur-Gelenkbussen mit Druckwasserstoffspeicherung der Firma MAN Nutzfahrzeuge Einzug.

Auch in Berlin waren zur Fußball-Weltmeisterschaft 2006 zwei Busse mit Wasserstoffverbrennungsmotor von MAN im Dauereinsatz. Gegenwärtig (Juni 2008) erprobt die BVG in Berlin 14 Busse mit Wasserstoffantrieb im Linienverkehr. Ein weiterer Ausbau der Flotte ist geplant.

1991 entwickelte Mazda mit dem HRX-1 sein erstes mit einem Wasserstoffwankelmotor angtriebenes Versuchsauto. 1993 folgt dann der HRX-2 und rüstet versuchsweise einen MX-5 mit einem Wasserstoffwankelmotor aus. 1995 erfolgt mit einem Capella Cargo ein zwei Jahre dauernder Fahrversuch im Straßenverkehr. 2003 stellt Mazda den RX-8 Hydrogen RE vor. ^[4] 2005 folgt der Mazda 5 Hydrogen RE. Im März 2006 lieferte Mazda Japan die ersten wasserstoffbetriebenen RX-8 an Kunden aus. ^[5]

1999 wurde der BMW 750hL, das erste Konzeptfahrzeug mit Wasserstoffverbrennungsmotor von BMW mit 150 kW Leistung (204 PS) und 225 km/h Spitzengeschwindigkeit, entwickelt.

Ein zweites wasserstoffgetriebenes Modell, der BMW 745h mit einer Leistung von 135 kW (184 PS) und einer Höchstgeschwindigkeit von 215 km/h, wurde 2001 präsentiert, im selben Jahr baute die BMW Group den Mini Cooper Hydrogen, den ersten Mini Cooper mit Wasserstoffverbrennungsmotor.

Auf der Auto-Show 2006 in Los Angeles hat BMW einen weiteren PKW mit Wasserstoffantrieb vorgestellt. Ab Frühjahr 2007 kann der BMW 760h „Hydrogen 7“, basierend auf dem 760i der BMW 7er Reihe, von BMW geleast werden (ein Verkauf ist derzeit nicht vorgesehen). Der herkömmliche 12-Zylinder Verbrennungsmotor der 7er Reihe wurde dabei für die Verbrennung von Wasserstoff modifiziert. Der Motor leistet 260 PS und 390 Nm Drehmoment. Die Höchstgeschwindigkeit liegt bei ca. 230 km/h (elektronisch abgeregelt). Wegen des Wasserstoff-Tanks wurde der Kofferraum von 500 l auf 250 l verkleinert.

Siehe auch

• Wasserstoffantrieb
• Raketentreibstoff, Oberth-Effekt
• Kreislaufantrieb

Quellen

1. ↑ Sicherheitsdatenblatt Wasserstoff der Ruhr-Uni Bochum
2. ↑ Sicherheitsdatenblatt Diesel
3. ↑ Bewertung alternativer Treibstoffe und Antriebe (Stand: 1. September 2006)
4. ↑ http://www.der-wankelmotor.de/wasserstoff.pdf Mazda Renessis Hydrogen Rotary Engine
5. ↑ http://www.der-wankelmotor.de/News__bliz/news__bliz.html 23. März 2006 Mazda liefert erste zwei Wasserstoff RX-8 aus

Weblinks

• EU-Projekt HyICE zur Weiterentwicklung des Wasserstoffverbrennungsmotors
• Auf Knopfdruck Zukunft
• Wasserstoff RX-8 und Mazda 5
• Sind alternative Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen eine Lösung für unsere zukünftigen Energieprobleme im mobilen Sektor? Seminarfacharbeit vom 11.10.05 bei morphy-tr.de