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Wenn Wasserstoff im Tank, dann mit optimiertem Brennverfahren

Um die CO2-Emissionen im Verkehrsbereich zu senken, ist regenerativ hergestellter „grüner“ Wasserstoff als Energieträger eine vielversprechende Alternative. Denn er kann nicht nur für die Brennstoffzelle, sondern auch direkt in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen genutzt werden. Natürlich unterscheiden sich die chemischen Eigenschaften des Wasserstoffs signifikant von jenen, die fossile Brenn-, Kraft- und Treibstoffe charakterisieren. So ist selbstverständlich eine technische Anpassung von Verbrennungsmotoren und Turbomaschinen notwendig. Die Vorteile eines Wasserstoffverbrennungsmotors gegenüber dem Einsatz von Brennstoffzellen liegen in der direkten Verwendung des Kraftgases, ohne die aufwändige Abscheidung von hochreinem Wasserstoff.

Die Herausforderungen bei der motorischen H2-Verbrennung liegen in der geringen volumetrischen Energiedichte, der hohen Klopfneigung von Wasserstoff sowie der Entstehung von Stickoxiden bei dessen Verbrennung mit Umgebungsluft. Als Klopfen wird eine unkontrollierte Verbrennung des Kraftstoffs bei Otto-Motoren oder Nageln bei Diesel-Motoren bezeichnet. Temperatur und Druck steigen schlagartig an, dadurch entstehen weitere Zündkerne. Es treten Druckspitzen auf, die Kolben, Lager, Zylinderkopf, Ventile und Zündkerze beschädigen können.

Im Rahmen eines Vorhabens der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) werden Lösungen dafür erarbeitet. Experimentell wird zunächst die Verwendung von reinem Wasserstoff als Grenzfall, bevorzugt an einem Einzylinderaggregat, untersucht. Abschließend sollen dann die Grenzen eines strahlgeführten DI-Brennverfahrens für Methan-Wasserstoffgemische in verschiedenen Mischungsverhältnissen bestimmt werden. Die so erzielten Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über künftige H2-basierte Kraftgase für die motorische Verbrennung in Kraft-, Lastkraft- und anderen Fahrzeugen.

Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) können sich keine wissenschaftlich fundierte Forschung auf dem Gebiet der motorischen Verbrennung leisten. Erst recht fehlen dort spezifische Versuchsanlagen oder Testmotoren, um die notwendigen Referenzdaten für ihre Modellierungsansätze zu erhalten. Das vorwettbewerbliche IGF-Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit öffentlichen Mitteln ermöglicht. Die Forschungsergebnisse werden nach Abschluss des Projekts allen interessierten KMU zur Verfügung gestellt. (frd)

Forschungsvereinigung:

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. - FVV

Forschungseinrichtung:

Universität Stuttgart – Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart, Lehrstuhl Fahrzeugantriebe
 

Wirkungsgradoptimales Brennverfahren für wasserstoffbasierte Kraftstoffe – IGF-Steckbrief 307 E

Foto: © canva