Wasserstoff in grossen Verbrennungsmotoren - die Zukunft beginnt heute
Wasserstoff als Kraftstoff
Wenn öffentlich über Wasserstoffbetrieb von Fahrzeugen, Bahnen oder Schiffen gesprochen wird, ist meist der Brennstoffzellenbetrieb gemeint. Über eine Membran wird durch einen elektrochemischen Prozess aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom produziert. Der elektrische Strom lädt eine Batterie, die wiederum einen Elektromotor antreibt. Da die "Verbrennung" kalt ist, besteht das Abgas aus reinem Wasserdampf, es bilden sich keine Stickoxide (NOx), die nachträglich ausgefiltert werden müssen. Brennstoffzellen sind in der Anschaffung und im Betrieb aber teuer. Dies, da ein Fahrzeug entweder mit Brennstoffzellenantrieb neu gebaut oder Motor und Tank für den Brennstoffzellenantrieb vollständig umgebaut werden müssen. Zudem benötigen Brennstoffzellen für den Betrieb teuren Wasserstoff hoher Reinheit.
Wasserstoff-Direkteinspritzung
Die Wasserstoff-Direkteinspritzung nutzt hingegeben das Funktionsprinzip des Verbrennungsmotors. Dabei wird der Wasserstoff, wie konventioneller Treibstoff, direkt in den Zylinder eines Verbrennungsmotors eingespritzt. Durch die anschliessende Zündung des Wasserstoff-Luft-Gemisches und einer explosionsartigen Expansion im Kolbenraum, wird der Kolben bewegt. Diese Bewegung ist es, die für den Antrieb genutzt wird. Abgas ist auch in diesem Falle vorwiegend Wasserdampf. Da es sich aber um heisse Verbrennung handelt, entstehen dabei auch Stickoxide (NOx), die durch ein Abgasnachbehandlungssystem abgebaut werden müssen.
Ziel ist es, dass Dieselmotoren dereinst so umgebaut werden können, dass sie sich dank einem angepassten Einspritzsystem, ohne teure andere Modifikationen, mit Wasserstoff betreiben lassen.
Die Wasserstoff-Direkteinspritzung zeigt seit zwei Jahren vielversprechende Funktions- und Leistungsergebnisse auf grossen Schiffsmotoren, ist aber noch in Entwicklung. Es stellt sich darum die Frage, warum in Anbetracht der immer drängenderen Notwendigkeit, den Klimagasausstoss zu reduzieren, nicht schon heute zügig auf Wasserstoffantriebe umgestellt wird? Dies ist auf Grund verschiedener, ganz spezieller Eigenschaften von Wasserstoff, nicht leicht möglich:
"Richtig" einspritzen ist entscheidend
Die DUAP Ingenieure haben sich für die "Einblasung" von gasförmigem Wasserstoff entschieden. Den Grund dafür erläutern wir etwas weiter unten. Falls der Wasserstoff flüssig und somit kalt gelagert wird, muss das Gas vor dem Einblasen in einem Verdampfer zu Wasserstoffgas verdampft werden. Da nun weniger dicht, muss das Wasserstoffgas sehr rasch in den Brennraum gebracht werden, um die, für die Zündung notwendige Menge an homogenem Gasgemisch, zu erreichen. Dies erfordert langwierige und aufwendige Versuche und CFD Simulationen, mit verschiedenen Injektoren-Designs. Es hat sich gezeigt, dass die zentrale Einblasung mit konzentrierter Strahlform ermöglicht, eine gleichmässige und rasche Durchmischung, mit der ebenfalls eingeblasenen Luft, zu erreichen. Dies ist für eine optimale Zündung ohne Kraftstoffanlagerungen und damit verbundener örtlicher Überhitzung, Leckagen und übermässiger Stickoxid (NOx) Bildung von grosser Wichtigkeit.
Es braucht ein spezielles Zündsystem
Gezündet wird das Wasserstoff - Luftgemisch durch eine kleine Menge an eingespritztem und dadurch fein verteiltem Dieselöl (0,5 – 1.0%). Diesel und Biodiesel ist selbstentzündlich und wirkt als eine Art Zündfunke, genauer als "Mikropilot". Für den Mikropilot braucht es neben dem Hauptinjektor, der den Wasserstoff in den Zylinder einbläst, einen zweiten Injektor, den Mikropilot Injektor. Das ist ein Common Rail Diesel Injektor, der neben dem zentral angebrachten Wasserstoffinjektor, leicht schräg, ebenfalls in der Mitte des Zylinderkopfes positioniert ist.
Ausserordentlich hohe Materialbeanspruchung
Viel diskutiert wurde auch die Frage, ob man Wasserstoff flüssig oder gasförmig in den Zylinder einspritzen soll, um beste Ergebnisse zu erhalten. Wird flüssig eingespritzt, tritt das Gas in einen von der letzten Zündung noch heissen Brennraum ein, dessen Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt liegt. Durch die Zündung wird das Gemisch kurzzeitig auf über 2000°C erhitzt. Dieser extrem heiss zu extrem kalt Zyklus wird pro Minute ein paar Hundert mal durchlaufen. Dass dies für Einspritzsystem-, Zylinder-, Zylinderkopf, Ventil- und Kolbenmaterialien äusserst anspruchsvoll ist, versteht sich von selbst. Weiter kommt hinzu, dass Wasserstoff ein chemisch sehr reaktives Gas ist, das an den heissen Oberflächen des Motors zu Wasserstoffversprödung führt. Durch diese Effekte wird das Düsen-, Kolben- und Zylindermaterial spröde und rissig und es tritt Verschleiss auf.
Die Wasserstoff Lagerung ist ein ungelöstes Problem
Für den Umbau zu Wasserstoffbetrieb ist die zuvor genutzte Diesel- und Schweröl- Tankeinrichtung ungeeignet. Wasserstoff wird bei normalen Druckverhältnisseen erst bei extrem tiefen -253°C flüssig haltbar. Will man Wasserstoff bei normalen Temperaturen lagern, benötigt man Tanks, die Drücken über 700 bar standhalten. Gasverlust während der Lagerung ist bei diesen Drücken unvermeidbar. Tanks, die solche extremen Bedingungen (extreme Kälte oder höchste Drücke) überdauern, sind aufwendig herzustellen und entsprechend teuer. Will man Wasserstoff gasförmig bei einem moderaten Druck von 20 - 30 bar lagern, ist das benötigte Tankvolumen so gross, dass der Frachtraum eines Schiffes stark beeinträchtigt wird.
Zu wenig, zu teuer
Eine weitere Hürde, für die breite Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff, ist die mangelnde Verfügbarkeit. Es gibt zwar eine grosse Anzahl verschiedener Verfahren, um Wasserstoff herzustellen, die meisten davon sind aber nicht nachhaltig und erzeugen in der Summe gleich viel oder gar mehr CO2, als wenn fossiler Treibstoff verwendet würde. Auf die verschiedenen Verfahren zur Wasserstoffgewinnung und welche vielversprechenden, neuen Ansätze vorhanden sind, gehe ich in einem späteren Artikel ein. Auch in der Erdkruste vorkommender, natürlicher Wasserstoff, stellt ein noch ungenutztes Potential dar. Der heute verfügbare Wasserstoff, wird weitgehend durch die Industrie absorbiert, zum Beispiel zur Raffinierung von Erdöl. Auf Grund der überschaubaren Mengen, ist Wasserstoff heute teuer und wegen der hohen Flüchtigkeit aufwendig zu transportieren. Bis sich die Wasserstoffherstellung, der verlustfreie Transport, und die effiziente Lagerung grösserer Mengen an Land und auf Schiffen etabliert haben, wird es noch Jahre dauern.
Bis dahin wird der Transport von Menschen und Gütern über Land und Wasser grösstenteils mit anderen Kraftstoffen getrieben. Wasserstoff, direkt in Verbrennungsmotoren eingeblasen, wird bis dahin im Versuchsstadium bleiben. Diese Versuchsanwendungen sind für den Erfahrungszuwachs aber von entscheidender Bedeutung und werden über die kommenden Jahre hochskalieren, bis hin zu Überseefrachtschiffen, die zu Testzwecken mit Wasserstoff angetrieben, über die Weltmeere fahren werden.
DUAP ist in der Entwicklung von Wasserstoff-Direkteinspritz Systemen sowie zugehörigen Mikropilot-Einspritzsystemen weltweit führend. Und da wir ein vergleichsweise kleines Schweizer KMU sind, stellt dieses zukunftsträchtige Entwicklungsgebiet für uns bereits heute ein interessanter und zukunftsträchtiger Geschäftszweig dar. Wir treiben dieses Gebiet der Wasserstoff Direkteinspritzung in grossen Verbrennungsmotoren mit viel Interesse weiter, bis es dereinst zur verbreiteten Anwendung ausgereift sein wird.
