Seite 5: Große Hoffnung auf die Hochdruckeinblasung

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Die Serienreife solcher Antriebe für Lkw wird laut e-Mobil BW-Studie ab 2025 erwartet. Der von Keyou auf H₂ umgerüstete Deutz 7.8 TCG (7,8 Liter, sechs Zylinder, Turbolader, 180 kW bei 2000/min, 950 Nm bei 1300/min) erreicht im Versuch bereits "maximale Wirkungsgrade von 44,5 % und in weiten Kennfeldbereichen Wirkungsgrade über 40 %. Diese sind ein Novum für ottomotorisch geführte Brennverfahren und auf demselben Niveau wie konventionelle Dieselmotoren." Beim 7.8 TCG handelt es sich zwar um einen Dieselmotor, jedoch wurde er durch eine geringere Verdichtung und eine Zündanlage auf das Otto-Brennverfahren umgerüstet. Er arbeitet mit seiner Saugrohreinspritzung noch mit äußerer Gemischbildung. Damit und wegen seines Magerbrennverfahrens benötigt er eine Abgasrückführung weniger zur Senkung der Stickoxid-Rohemissionen als zur Steigerung des Wirkungsgrads: Mit der Steuerung der Zündwilligkeit über die Gemischzusammensetzung ermöglicht sie frühere reguläre Zündzeitpunkte mit höherer Energieausbeute.

Anders sieht es aus bei der leistungsdichteren Hochdruck-Direkteinblasung für kompakte, leistungsstarke Lkw-Motoren. Eine Verbrennung unter hohem Druck und Fremdzündung ermöglicht laut Keyou eine Leistungssteigerung von 10 bis 15 Prozent, 15 bis 20 Prozent höheres "Low-End"-Drehmoment und das bei 2 bis 4 Prozent besserer Effizienz. Die Direkteinblasung ermöglicht jedoch keine vollständige Durchmischung von H₂ und Ansaugluft. Durch das unvermeidlich weniger gleichmäßige Gemisch und die höheren Verbrennungstemperaturen entstehen aus dem Sauerstoff und dem Stickstoff der Verbrennungsluft nennenswerte Mengen NO_x.

Die Abgasentgiftung ist bereits vorhanden

Kein Problem mit den in Lkw serienmäßigen Systemen "Abgasrückführung" und "SCR-Katalysatoren", jedoch zum Preis einer geringfügigen CO₂-Abgabe durch den eingesetzten Harnstoff ("AdBlue"). Als völlig CO₂-freie Alternative für die SCR setzt Keyou den ohnehin mitgeführten Wasserstoff ein, benötigt dann jedoch einen geeigneten Katalysator – ein weiterer Kostenfaktor. Ammoniak als Reduktionsmittel liegt nah, hat aber schlechte Karten, weil es giftig ist und dafür erst eine weitere neue Infrastruktur aufgebaut werden müsste.

Bei der Direkteinblasung muss zudem das Gas unter hohem Druck bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen direkt in den Brennraum befördert werden. Die dafür nötigen Hochdruckverdichter oder Kryogenpumpen müssen erst serienreif entwickelt werden und erhöhen die Kosten ebenso wie Zylinderköpfe, die entsprechende Einblasventile (meist die von Hoerbiger ValveTec) aufnehmen können. Selbst die im Dieselmotor hohe Verdichtung genügt nicht für eine Selbstzündung der Luft-Wasserstoffladung, man benötigt also elektrisch beheizte Hotspots oder nutzt die vorhandene Diesel-Einspritztechnik, um mit geringsten Mengen Treiböl eine Zündflamme zu erzeugen. So macht man es bereits bei mono- oder bivalent mit CNG/LNG betriebenen Dieselmotoren. Trotz des hohen Aufwands wird dieser Weg als so Erfolg versprechend angesehen, dass er von allen Entwicklern beschritten wird. Der Wirkungsgrad von Wasserstoff im Diesel-Verfahren liegt bei maximal 45 Prozent und soll sich bis auf 50 Prozent steigern lassen. Laut der Studie von e-Mobil BW könnten solche Motoren ab 2030 einsatzreif sein.

Mit geringeren Wartungskosten, hoher Effizienz und einer deutlichen Kostensenkung bietet längerfristig die Brennstoffzelle das Potenzial, sich zur wichtigsten Antriebsquelle im Güterverkehr zu entwickeln. Noch aber rechtfertigen ihre Entwicklungsrisiken einen parallelen Einsatz von H₂ in Verbrennungsmotoren. Sie können zu kalkulierbaren, weil bekannten Kosten leichter und schneller in nahezu beliebiger Menge bereitgestellt werden. Damit scheinen sie für einen schnellen Einsatz CO₂-emissionsfreier Nutzfahrzeuge als Brückentechnologie geeignet. Doch auch um solche Motoren auf ein mit der Brennstoffzelle konkurrenzfähiges Effizienzniveau zu bringen, ist noch Ingenieursarbeit zu leisten.

Unsicherheit über die Verfügbarkeit grünen Wasserstoffs

Der Grund, aus dem alle Lkw-Hersteller und viele ihrer Zulieferer beides vorantreiben, ist wohl die Ungewissheit über die Geschwindigkeit, mit der Wasserstoff verfügbar werden wird. Ein nicht zu unterschätzender Unsicherheitsfaktor dürfte dabei sein, ob man der Öffentlichkeit den Verbrennungsmotor ein weiteres Mal vermitteln kann. Zu schlecht ist der Ruf des Dieselmotors nach dem Abgasbetrug durch Volkswagen. Das dürfte ein Grund für die Pressemitteilungen sein, in denen etwa Traton, Mutterkonzern von MAN und Scania, ein Bekenntnis zum Batterie-Truck ablegt.

Solche Statements gelten angesichts der Unsicherheiten wohl eher einer öffentlichen Stimmung als einer tatsächlichen Bindung an eine bestimmte Technologie, denn ob vor der Brennstoffzelle der Wasserstoffmotor eine Chance bekommt, ist heute so wenig absehbar wie der Zeitpunkt, zu dem grüner Wasserstoff in ausreichender Menge zur Verfügung steht.

Die Ende März 2021 von Traton-Chef Matthias Gründler geäußerten Zweifel, ob es überhaupt je dazu kommt, sind also nachvollziehbar. Wie andererseits die am 21. Januar 2021 verkündete Partnerschaft von Scania mit Westport Fuel Systems bei der Entwicklung eines Einspritzsystems für den H₂-Betrieb zeigt, hält man sich diese Option aber weiterhin offen. Vorläufige Testergebnisse werden schon in der zweiten Hälfte 2021 erwartet.

Artikel der Serie "Nationale Wasserstoffstrategie"

• Nationale Wasserstoffstrategie: Tafelwasser oder Champagner der Energiewende?
• Nationale Wasserstoffstrategie: Wie funktionieren Wasserstoffautos?
• Nationale Wasserstoffstrategie: Wasserstoff-Tanken ohne Wartezeit
• Wasserstoffbrückenbildung: Umgerüstete Lkw als Vorhut der Dekarbonisierung?
• Alternativen zum Elektroauto: Auf welchem Weg wir individuell mobil bleiben

Literatur:

• Systemvergleich zwischen Wasserstoffverbrennungsmotor und Brennstoffzelle im schweren Nutzfahrzeug, e-Mobil BW, 2021
• Wasserstoff als Antriebsenergie für konventionelle Ottomotoren, Dr. G.R. Herdin, Jenbacher AG, ohne Jahr
• Transformation vom Diesel zum H2-Hoch-AGR-Magerkonzept, Daniel Koch, Thomas Ebert, Alvaro Sousa, MTZ - Motortechnische Zeitschrift 5/2020
• H2-DeNOx-Katalysator für H2-Verbrennungsmotoren, Daniel Thomas Koch, Enno Eßer, Sven Kureti, Alvaro Sousa, MTZ - Motortechnische Zeitschrift 6/2020
• Konzepte für die Dieselähnliche Wasserstoffverbrennung, Prof. Dr. Techn. Helmut Eichlseder, Dipl.-Ing. Christian Spuller, Dipl.-Ing. René Heindl, Dipl.-Ing. Falk Gerbig, Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Klaus Heller, MTZ - Motortechnische Zeitschrift 1/2010

(fpi)