Wasserstoffverbrennungsmotor

12-Zylinder-Wasserstoffverbrennungsmotor des BMW Hydrogen 7

Wasserstoffeinfüllstutzen eines BMW, Museum Autovision, Altlußheim, Deutschland

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 oder mit beiden Kraftstoffen parallel betrieben werden (siehe z. B. BMW Hydrogen 7).

Der Wasserstoffverbrennungsmotor ist nicht zu verwechseln mit dem Antriebssystem Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle und Elektromotor, er steht dazu in Konkurrenz.

Funktionsweise

BMW Hydrogen 7

Ein Wasserstoff betriebener Motor ist aufgebaut wie ein Otto- oder Dieselmotor. Die Verbrennung des Kraftstoffs wird eingeleitet durch eine Zündkerze oder einen Dieselkraftstoff-Zündstrahl (siehe Schichtladung). Die Zündtemperatur von Wasserstoff liegt mit 560 - 600 °C^[1] weit über der von Dieselkraftstoff^[2] und auch über der von Benzin^[3]. 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 Füllungsgrad ist 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; der Füllungsgrad ist erheblich besser.

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 zunächst nur Luft angesaugt wird und der hinzu kommende Wasserstoff ein relativ großes Volumen im Vergleich zu Benzin einnimmt. Die Direkt-Einblasung wird zum Beispiel von Mazda in den RX-8-H2-Motoren eingesetzt. In Otto- und Wankelmotoren kann man den Wasserstoff direkt ohne Hilfskraftstoffe mit Zündkerzen zünden. Um das Gemisch ohne Zündkerze zünden zu können, wurde das Diesel-Zündstrahl-Verfahren entwickelt. Dabei wird zusätzlich zum Wasserstoff eine geringe Menge Dieselkraftstoff eingespritzt, der 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.

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 Einlassventile, 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.

Vor- und Nachteile

Pro

• Als Verbrennungsprodukte entstehen Wasserdampf und Stickoxide (NOx); letztere können mit der Luftzahl gut gesteuert werden. Der Schmierölverbrauch verursacht auch noch Spuren von Kohlendioxid, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen.
• Der Wirkungsgrad von Wasserstoffverbrennungsmotoren mit bis zu 45% ist besser als bei Benzinmotoren, die bis zu 38% 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.

• Das Abgas ist sauberer und enthält keinen Feinstaub.
• Wasserstoff kann aus verschiedenen Quellen gewonnen werden. siehe: Wasserstoffherstellung
• Gegenüber der Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor ist der H₂-Motor kompakter.
• Ein Wasserstoffverbrennungsmotor erreicht schneller die Betriebstemperatur als eine Brennstoffzelle.

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).
• 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: Wasserstoff greift die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen der langkettigen Kohlenwasserstoffe der Schmierstoffe an, deren Bruchstücke 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 Wasserstoff aufgrund seiner kleinen Moleküle selbst durch andere dichte Stoffe stark diffundiert.
• Um eine Infrastruktur für eine flächendeckende Versorgung mit Wasserstoff gewährleisten zu können sind Investitionen erforderlich.^[4][5] 2011 existieren weltweit erst ca. 200 Wasserstofftankstellen.^[6]
• 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 nur gebunden vorfindet. Im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft muss der Wasserstoff folglich immer durch Einsatz von Energie produziert werden. Sowohl für die heutige Forschung zu Wasserstoffantrieben als auch dem kommerziellen Einsatz 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 sind beispielsweise die Wasserelektrolyse, 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.

Wasserstoffspeicherung

Hauptartikel: Wasserstoffspeicherung

Der Wasserstoff für den Wasserstoffmotor wird entweder verflüssigt oder in einem Metallhydridtank gespeichert (ein Vorteil des Metallhydrid-Tanks ist, dass kein Hochdruck für die Speicherung benötigt wird). 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. ^[7] 2005 folgt der Mazda 5 Hydrogen RE. Im März 2006 lieferte Mazda Japan die ersten wasserstoffbetriebenen RX-8 an Kunden aus. ^[8]

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 191 kW (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.

BMW: Feldversuch mit Testflotte eingestellt, Forschung geht weiter

BMW hat bekanntgegeben, dass der Feldversuch mit Luxuslimousinen, die mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor betrieben werden, nicht weitergeführt wird. „Es wird vorerst keine neue Wasserstoff-Testflotte geben“, sagte der BMW-Entwicklungsvorstand ^[9]. Eine Einstellung der Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet ist damit nicht verbunden ^[10][11]

Neue Entwicklungen für Wasserstoffspeicherung und -Transport

Wasserstoff kann durch Hydrierung von organischen Substanzen (z. B. N-Ethylcarbazol) effizient in flüssiger Form drucklos gespeichert und transportiert werden, wobei sowohl das bestehende Tankstellennetz als auch die bisherigen Fahrzeug-Kraftofftanks mit vergleichsweise geringem Umbau weiter genutzt werden könnten und viele der bisherigen Kritikpunkte entfallen würden.

Siehe auch

• Wasserstoffantrieb
• Raketentreibstoff, Oberth-Effekt
• Kreislaufantrieb

Quellen

1. ↑ Sicherheitsdatenblatt Wasserstoff der Ruhr-Uni Bochum
2. ↑ Sicherheitsdatenblatt Diesel
3. ↑ Klassische Kraftstoffe (Quelle: Chemie am Auto.de)
4. ↑ Daimler und Linde wollen Wasserstofftankstellen bauen(Quelle: Handelsblatt, Stand 1. Juni 2011)
5. ↑ Interview mit Wolfgang Reizle (Stand: 28. Juli 2011 Quelle: Auto Motor und Sport)
6. ↑ http://www.h2stations.org/ Karte der Wasserstofftankstellen
7. ↑ http://www.der-wankelmotor.de/wasserstoff.pdf Mazda Renessis Hydrogen Rotary Engine
8. ↑ http://www.der-wankelmotor.de/News__bliz/news__bliz.html 23. März 2006 Mazda liefert erste zwei Wasserstoff RX-8 aus
9. ↑ Handelsblatt v. 7. Dezember 2009
10. ↑ Heise 7. Dezember 2009
11. ↑ BMW bleibt Wasserstoff treu (Automobilproduktion, 7. Dezember 2009)

Weblinks

• EU-Projekt HyICE zur Weiterentwicklung des Wasserstoffverbrennungsmotors
• Auf Knopfdruck Zukunft
• Wasserstoff RX-8 und Mazda 5