Projekt PoWer Wasserstoff-Motor für den Offroad-Einsatz

Wasserstoff-Motoren bieten aufgrund ihrer Eigenschaften wie hohe Effizienz und Robustheit viele Vorteile. Im Projekt PoWer entwickeln Forscher neue Antriebskonzepte für Bau- und Agraranwendungen.

Bei der Dekarbonisierung des Verkehrssektors geht es nicht nur um E-Autos und E-Lkws – auch schwere Nutzfahrzeuge und nicht-straßengebundene mobile Arbeitsmaschinen rücken verstärkt in den Vordergrund. Fahrzeug- und Motorenhersteller, Zulieferer und Wissenschaft haben sich im Projekt PoWer zusammengetan, um die anwendungsübergreifende Nutzung wasserstoffmotorischer Antriebsstrangkonzepte für Bau- und Agraranwendungen zu untersuchen.

Der Automobilzulieferer Mahle leitet das Projekt, an dem das Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) mit drei Instituten beteiligt ist. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert PoWer für drei Jahre mit etwa 5 Millionen Euro.

Wasserstoff in komplexen Motoren

Wasserstoff-Motoren bieten aufgrund ihrer Eigenschaften wie hohe Effizienz, Robustheit und geringe Rohemissionen viele Vorteile, die sie für Anwendungen in Bau- und Landmaschinen besonders qualifizieren. Auch besteht die Möglichkeit, herkömmliche Verbrennungs-Motoren von beispielsweise Baggern, Mähdreschern oder Förderfahrzeugen auf Wasserstoff-Motoren umzurüsten. Um die Technologie künftig umsetzen zu können, untersuchen drei Institute des KIT im Projekt PoWer die motorische Wasserstoffverbrennung, geeignete Abgaskatalysatoren sowie das Werkstoffverhalten unter Wasserstoff (H2).

„Wegen der geringen Zündgrenze und der weiten Entflammbarkeitsgrenzen von Wasserstoff können ungewollte Selbstzündungen auftreten. Dies gilt es unbedingt zu vermeiden, um keine Motorschäden zu riskieren“, erklärt Dr. Uwe Wagner vom Institut für Kolbenmaschinen (IFKM) des KIT die Herausforderungen. Die Forscher vom IFKM untersuchen daher, wie H2-basierter Kraftstoff am effizientesten und sichersten in Motoren von Bau- und Landmaschinen eingesetzt werden kann – ob mit Saugrohr- oder als Direkteinblasung.

„Außerdem spielen die Geometrie des Motors und Schmieröleinträge in den Brennraum eine entscheidende Rolle für einen reibungslosen Verbrennungsablauf“, so Wagner. Um verschiedene Einspritzstrategien und Motorparameter zu testen und zu optimieren, nutzen die Forschenden ein Einzylinder-Forschungsaggregat und einen Mehrzylindermotor.

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Umweltfreundlicher Energieträger

„Um aktuelle und zukünftige Abgasgrenzwerte einhalten zu können, ist es notwendig, neben einem schadstoffarmen Motorbetrieb auch effiziente Abgaskatalysatoren bereitzustellen“, erläutert Dr. Patrick Lott vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT. Die spezifischen wasserstoffmotorischen Betriebsbedingungen seien für die Katalysatoren mitunter herausfordernd, so Lott. Das Team des ITCP untersucht deshalb, wie sich bestehende Katalysatorsysteme im Zusammenspiel mit Wasserstoff-Motoren verhalten. Dabei geht es unter anderem darum, ihre Haltbarkeit und Effizienz zu verbessern, um sie an die neuen Betriebsbedingungen anzupassen. Gleichzeitig erarbeiten die Forscher innovative Konzepte für die Abgasnachbehandlung, damit Wasserstoff als umweltfreundlicher Energieträger in Offroad-Anwendungen eingesetzt werden kann.

Zudem hat Wasserstoff Auswirkungen auf Werkstoffe. „Der Kontakt mit Wasserstoff kann die Festigkeit und Verformbarkeit metallischer Werkstoffe erheblich vermindern“, so Dr. Stefan Guth vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde (IAM-WK) des KIT. Im Projekt untersuchen die Wissenschaftler des IAM-WK daher, wie sich Wasserstoff auf typische Werkstoffe der Komponenten von Verbrennungs-Motoren auswirkt. Hierzu führen sie mechanische Werkstoffprüfungen unter Wasserstoffeinfluss durch, insbesondere unter motortypischer zyklisch wechselnder Last. Ein zentrales Ziel der Forschungsgruppe ist es, Methoden zur Bewertung des Einflusses von Wasserstoff auf die Werkstofffestigkeit zu entwickeln und zu etablieren. „Letztlich wollen wir den Industriepartnern Empfehlungen für den sicheren und effizienten Einsatz der Materialien geben“, so Guth.