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Wasserstoff: Ein Verbrennungsmotor, der kein CO2 ausstößt

Die Entscheidung für den emissionsfreien Antrieb der Zukunft scheint längst gefallen. Sie heißt: Batterie plus E-Motor. Die europäischen Autohersteller halten jedenfalls nicht viel von Wasserstoff, auch bei Lkw setzen sie zunehmend auf Batterien. Lediglich in Japan und Südkorea gibt man der Brennstoffzelle eine Chance. Der Motorenhersteller Deutz sieht das anders. Die Kölner haben gerade einen neuen Verbrennungsmotor präsentiert, den sie ab 2024 ausliefern wollen. Das Besondere: In dem Sechszylindermotor verbrennt statt Diesel gasförmiger Wasserstoff.

"Mit der Ankündigung haben wir einen Nerv getroffen, wir bekommen dazu extrem viele Anfragen", sagt Sprecher Christian Ludwig. Das Unternehmen ist auf große Motoren für Land- und Baumaschinen, Schienenfahrzeuge und Schiffe spezialisiert, der Einsatz im Pkw nicht angedacht. Für Anfang 2022 ist ein Testlauf beim lokalen Energieversorger Rhein Energie geplant. Dort soll der Motor ein mit Diesel betriebenes Notstromaggregat ersetzen.

Der Motor könnte einen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Denn Wasserstoff verbrennt ohne CO2-Emissionen. Zwar sorgt Motorenöl, das beim Betrieb verbrennt, für etwas Emissionen. Aber die sind so gering, dass der Motor immer noch als CO2-neutral eingestuft wird. Es entstehen auch kleinere Mengen Stickoxid (NOx). "Die kann man herausfiltern. Die Abgasnachbehandlung ist grundsätzlich deutlich einfacher als bei einem Dieselmotor", sagt Ludwig. Zudem laufe der Wasserstoffmotor leiser, weil in der Brennkammer weniger Druck aufgebaut werden muss.

Ist der Wasserstoffverbrennungsmotor also die Zukunft? Warum setzt man ihn nicht auch im Pkw ein? Deutz ist nicht der erste Motorenhersteller, der auf die Idee kommt. Bereits Ende der Neunzigerjahre hatte BMW entsprechende Testautos auf der Straße. Zur Weltausstellung 2000 wurde das Projekt Hydrogen 7 in 7er Modellen vorgestellt. Toyota geht aktuell in Japan mit einem dreizylindrigen Corolla im Motorsport an den Start. Im Tank: Wasserstoff. Doch über Testläufe kommt die Anwendung im Pkw-Bereich nicht hinaus.

Lösung für die klimaneutrale Schifffahrt?

Dabei hätte der Einsatz von Wasserstoff in klassischen Motoren einen enormen Vorteil für etablierte Autohersteller: Sie könnten sowohl auf ihrem Wissen als auch Personal in der Motorenentwicklung aufbauen. Beim batterieelektrischen Auto sind chemisches Knowhow für die Zellen und Software-Skills für die Energiesteuerung gefragt. Das muss erst mühsam aufgebaut werden.

Doch der Wasserstoffverbrennungsmotor hat denselben Nachteil wie die Brennstoffzelle: Jede Umwandlung, von Wasser zu Gas, von Gas zu Strom, kostet Energie. Unter dem Strich ist es effizienter, Strom direkt in Batterien zu speichern. Man spricht von einem höheren Wirkungsgrad. Darum setzen fast alle Autohersteller auf die batterieelektrische Kombination. "Doch je größer das Fahrzeug und je länger die zu bewältigende Strecke, desto mehr spricht für Wasserstoff", sagt Karsten Müller, Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock. Es sei innerhalb der Wissenschaft nur noch nicht eindeutig geklärt, wann "groß" beginnt. Gilt das bereits für einen Lkw oder erst für Frachtschiffe?

Wasserstoff

Zunächst muss Wasserstoff gewonnen werden. Dazu wird mithilfe von Strom Wasser in seine Bestandteile zerlegt. Dieser Prozess heißt Elektrolyse. Aus H2O entstehen die Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O). Der Wasserstoff wird komprimiert gelagert, zu Tankstellen transportiert und dort in Brennstoffzellen-Fahrzeuge gepumpt. Beim Fahren läuft in der Brennstoffzelle die umgekehrte Reaktion ab. Gasförmiger Wasserstoff trifft auf Sauerstoff aus der Umgebungsluft. In den Membranen der Brennstoffzelle wird dabei elektrische Energie freigesetzt. Aus dem Auspuff entweichen Wasserdampf sowie einige Tropfen Wasser. Die elektrische Energie treibt den E-Motor an oder landet in der Batterie, denn auch Brennstoffzellen-Fahrzeuge verfügen über eine Lithium-Ionen-Batterie. Beim Anfahren und Überholen reicht die Energie direkt aus der Brennstoffzelle nicht aus.

Für Containerschiffe, die auf festen Ozeanrouten fahren, sind jedenfalls weder Batterie noch Brennstoffzelle geeignet. Batterien sind zu groß und schwer. "Brennstoffzellen mit der benötigten Leistung sind noch extrem teuer und sehr empfindlich", sagt Müller. Darum erprobt er gemeinsam mit seinem Kollegen Bert Buchholz die Verbrennung von Wasserstoff in klassischen Kolbenmotoren.

Genau wie beim Pkw ist jedoch bei Schiffen das Tankstellennetz der Schwachpunkt. "Wenn auf der Route nur in jedem dritten Hafen Wasserstoff gebunkert werden kann, hilft das der Reederei nicht", sagt Müller. Und die Schiffe müssen mit besonderen Tanks ausgestattet sein. Denn Wasserstoff wird gasförmig getankt. Um ausreichende Mengen mitzunehmen, wird das Gas mit 700 Bar unter Druck gesetzt. Das bedeutet, man bräuchte mehrere kleine Tanks mit extrem dichten und soliden Wänden.

Die Lösung könnten E-Fuels sein: auf Basis von Wasserstoff erzeugte flüssige Kraftstoffe. Diese werden im Schiffsmotor CO2-neutral verbrannt. Das funktioniert mit den derzeit üblichen Verbrennungsmotoren. Ist kein E-Fuel verfügbar, fährt man mit Diesel. Auch die bisherigen Tanks auf Schiffen könnte man für E-Fuels nutzen. Für Reeder ist es wichtig, bei der Umrüstung möglichst viel der vorhandenen Technik weiter verwenden zu können. Denn Schiffe sind zwanzig bis dreißig Jahre in Gebrauch. Der Klimaschutz kann aber nicht warten, bis neue Schiffe angeschafft werden.

Die Deutz AG sieht trotz der Vorteile der E-Fuels eine Berechtigung für ihren neuen Motor. Schließlich spart man mit der Verbrennung von Wasserstoff einen energieintensiven Zwischenschritt: die Herstellung der E-Fuels aus Wasserstoff und CO2. Bei den Reichweiten von Schienenfahrzeugen, Land- und Baumaschinen ist die Frage der Drucktanks eine lösbare Aufgabe. So könnte der Wasserstoffverbrennungsmotor hier eine Zukunft haben.

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