Wasserstoffantrieb: saubere Mobilität

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Wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren versprechen zweierlei: sauberere Fahrzeuge auf unseren Straßen und eine führende Rolle für Europa in der Wasserstoffwirtschaft der Zukunft. An vorderster Front dieser Bewegung steht das von der BMW Group koordinierte europäische Forschungsprojekt HyICE, an dem sich elf Partner aus vier Mitgliedstaaten beteiligen.

Das Projekt hat durch die Optimierung wasserstoffbetriebener Verbrennungsmotoren bereits große Schritte in Richtung dieser Ziele gemacht. Das Team hat spektakuläre Fortschritte bei Energieeffizienz und Motorenleistung erzielt und bereits die Komponenten entwickelt, die für die Herstellung wasserstoffbetriebener Fahrzeuge nötig sind. Außerdem wurde ein an die Wasserstofftechnologie angepasstes Berechnungstool für die Serienentwicklung auf den Markt gebracht.

Zum ersten Mal hatte ein Forschungsprojekt die Gelegenheit, sich ausschließlich auf den Wasserstoffmotor und damit auf die besonderen Eigenschaften des Wasserstoffs zu konzentrieren. Frühere Versionen solcher Motoren waren – aufgrund des Mangels an Wasserstoff- Tankstellen – stets sowohl für den Betrieb mit Wasserstoff als auch mit Benzin, d. h. für den sogenannten bivalenten Antrieb ausgerüstet. Hingegen werden in Skandinavien, Deutschland, Japan und Nordamerika jetzt Anlagen für reine Wasserstofffahrzeuge geschaffen.

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Ein einfaches Gas, aber keine einfache Angelegenheit

Ziel des HyICE-Projekts war es, einen Verbrennungsmotor zu entwickeln, der mit Wasserstoff läuft. Die neuen Motoren sollten so leistungsstark wie Dieselmotoren sein – allerdings ohne deren Umweltbelastung – und ihnen auch beim Verhältnis Motorgröße zu Leistung so wenig wie möglich nachstehen.

Durch den Einsatz des bekannten Verbrennungsmotors lässt sich die chemisch gebundene Energie des Wasserstoffs direkt in mechanischen Vortrieb umwandeln. Die Wettbewerbsfähigkeit Europas hängt davon ab, dass Güter innerhalb und zwischen Ländern transportiert werden können – und das effizient und kostengünstig. Die verkehrsbedingten Umweltkosten gewinnen ebenfalls an Bedeutung und liefern einen weiteren Grund für Forschungsprojekte wie das HyICE-Projekt, denn der Wasserstoffantrieb ist praktisch emissionsfrei.

Im Kern geht es beim HyICE-Projekt um den Wasserstoffantrieb, aber darüber hinaus hat es eine noch deutlich größere Tragweite. Die im Rahmen dieses Projekts entwickelte Technologie könnte in naher Zukunft auch von anderen Wirtschaftszweigen, die eine stationäre Energieerzeugung erfordern, genutzt, ausgebaut und eingesetzt werden.

Dies sind die Beweggründe für die Entwicklung von Wasserstoffmotoren, und natürlich geht es auch darum, die EU unabhängig von fossilen Brennstoffen zu machen. Außerdem haben die strengen Umweltauflagen in der EU Forscher und Entwickler bei der Suche nach alternativen Brennstoffen angetrieben. Wasserstoff ist der einzige kohlenstofffreie Energieträger, der das Potenzial für die benötigten Lösungen erkennen lässt.

Der HyICE-Effekt: leistungsstärker als ein moderner, herkömmlicher Motor

Das HyICE-Projekt stützt sich auf mehrere Teilprojekte. So wurden beispielsweise zwei Methoden der Gemischbildung untersucht: die Wasserstoff-Direkteinspritzung und die Einspritzung tiefgefrorenen Wasserstoffs in den Ansaugkanal des Motors. Im letzteren Fall erfolgt die Einspritzung bei sehr geringem Druck unter denselben Bedingungen, unter denen der Wasserstoff im Tank des Fahrzeugs gelagert wird. Mit einer 25 %igen Leistungssteigerung hinsichtlich der Effizienz können beide Methoden als gleichrangig angesehen werden. Parallel dazu wurden in anderen Teilprojekten neue Wasserstoffeinspritzdü sen entwickelt, die den besonderen Prinzipien der Gemischbildung entsprechen. Um den Entwicklungsprozess künftiger Wasserstoffmotoren zu unterstützen, wurden speziell angepasste numerische Strömungsmechanik-Module entwickelt und in Versuchen getestet. Diese erprobten Module wurden dann in ein Problemlösungsinstrument integriert, das für jeden Motorenhersteller erhältlich ist.

Weitere große Erfolge des Projekts waren zum einen die beträchtliche Erhöhung des Wirkungsgrads des Wasserstoffmotors und zum anderen die erreichte Leistung von 100 kW pro Liter Hubraum, was in etwa 136 PS entspricht. Das übertrifft die Leistung des durchschnittlichen Dieselmotors mit etwa 77 kW/l bzw. 105 PS bei weitem.

Kooperationen rund um den Motor

HyICE setzte Know-how aus der ganzen Welt ein. Das Team hat seine Ergebnisse regelmäßig an Forscher des US Department of Energy sowie an US-amerikanische Universitäten weitergegeben. Zwischen der EU und den USA gibt es in diesem Bereich bereits gute Verbindungen, die auf eine Kooperationsvereinbarung zur Wasserstoff- und Brennstoffzellenforschung im Jahre 2001 zurückgehen. Die Wirkung des HyICE-Projekts wird weit über die Grenzen der EU hinausreichen. Die EU ist nicht nur führend bei innovativen Verbrennungsmotoren, sondern hat auch bei der Wasserstoffforschung insgesamt die Nase gegenüber den Mitbewerbern vorn. Die EU hat zusammen mit der Industrie eine gemeinsame Technologieinititive (Joint Technology Initiative, JTI) zu Brennstoffzellen und Wasserstoff gegründet. Beide Partner wollen bis 2013 zusammen rund 1 Mrd. EUR in die Markteinführung dieser Technologien investieren.

Die Brücke in die Wasserstoffzukunft

Die heutigen Benzin- und Dieselmotoren sind sparsame Energieumwandler. Die Herstellungskosten für ausschließlich mit Wasserstoff betriebene Motoren, die nach den HyICE-Ergebnissen gebaut werden, dürften im Vergleich etwa gleich hoch sein. Das Ergebnis des HyICE-Projekts beweist, dass Wasserstoffmotoren den Wirkungsgrad der Dieseltechnologie übertreffen können – und das ohne Umweltverschmutzung.

In Verbindung mit einem optimierten Energiemanagement des Fahrzeugs sollte ein Verbrauch von 1 kg Wasserstoff/100 km (dies entspricht 3,71 l Dieselkraftstoff) bei einem PKW möglich sein. Um die Fahrzeuge mit diesen Motoren dann auch tatsächlich auf die Straße zu bringen, muss gleichzeitig die nötige Infrastruktur, wie etwa Wasserstofftankstellen, aufgebaut werden. Im nächsten Schritt sollen daher folgende Bereiche genauer untersucht werden: die Erzeugung, Lagerung und Bereitstellung von Wasserstoff. Wie immer sind für die Arbeit im Forschungslabor praktische Anwendungsmöglichkeiten unabdingbar, um die Ergebnisse testen und beurteilen zu können. Dies geschieht derzeit im Rahmen anderer EU-Projekte, wie HyFLEET: CUTE, in dessen Rahmen 47 Wasserstoffbusse in zehn großen Städten eingesetzt werden, von Amsterdam und Barcelona bis Peking, Reykjavik und Perth. Die Busse werden unter Realbedingungen erprobt.

Das HyICE-Projekt betreibt nicht nur Grundlagenforschung und Entwicklung für die grundlegenden Komponenten, die für Wasserstoffmotoren wichtig sind, wie Schmierung, Kolbenringe und Dichtungen. Es läutet auch eine vielversprechende Zukunft ein, indem es eine wirtschaftlich machbare Lösung sowohl für ein wasserstoffbasiertes Verkehrssystems als auch für eine wasserstoffbasierte Wirtschaft bietet.