Energie
5 Wasserstoffverbrennungsmotoren, die das Gewöhnliche durchbrechen
Die Wasserstoffverbrennung hat sich als eine der vielversprechendsten Kraftstoffoptionen herauskristallisiert und bietet sowohl erheblichen ökologischen Nutzen als auch Leistungsfähigkeit. Auf Konstruktionsbasis reichen diese Motoren über vier Jahrzehnte zurück.
1970 patentierte der Erfinder Paul Dieges eine Modifikation, die gasbetriebene Verbrennungsmotoren auf Wasserstoffbetrieb umstellte. Seitdem hat sich diese Technologie stark weiterentwickelt und kann Fahrzeuge, Autos und Busse antreiben. Ihr Potenzial ist so groß, dass zukünftige Verkehrsflugzeuge ebenfalls Wasserstoff als Hauptkraftstoff einsetzen könnten.
Bei Wasserstoffverbrennungsmotoren verbrennt entweder flüssiger oder gasförmiger Wasserstoff in einem modifizierten Gasturbinentriebwerk, um Schub zu erzeugen. Dieser Prozess spiegelt die herkömmliche Verbrennung wider, wobei Wasserstoff den fossilen Kraftstoff ersetzt.
Mit seiner zunehmenden Nutzung und Bedeutung gibt es viele Spekulationen darüber, welcher HCE die aufregendste Zukunft hat. In den folgenden Abschnitten betrachten wir fünf Wasserstoffverbrennungsmotoren, die das Gewöhnliche durchbrechen.
Cummins 15-Liter Wasserstoffmotor
Die 15-Liter-Motorplattform von Cummins, die wir hier besprechen, ist im Kern kraftstoffagnostisch. Sie ist kompatibel mit Wasserstoff, Erdgas und Diesel. Wird sie jedoch mit Wasserstoff betrieben, kann sie das Gewöhnliche wirklich durchbrechen, indem sie die beste Version ihrer kohlenstoffarmen bis kohlenstoffneutralen Kraftstofffähigkeit darstellt und die Dekarbonisierung von schweren Off‑Highway‑Anwendungen optimal beschleunigt.
Während er über seine Besonderheiten sprach, Antonio Leitao, der Vizepräsident des Global Off‑Highway Engine Business von Cummins, hatte Folgendes zu sagen:
“Die völlig neue Plattform von Cummins hebt die Verbrennungstechnologie auf ein neues Niveau und kann zukünftige Ultra‑Low‑Emission‑Standards wie EPA Tier 5 und EU Stage 6 erfüllen, zusammen mit einer kohlenstoffarmen bis kohlenstoffneutralen Kraftstofffähigkeit, die Bau‑ und Steinbruchstandorte auf einen kostengünstigeren Weg zur Dekarbonisierung führt. Der 15‑Literer weist eine signifikante Steigerung der Leistungsdichte auf und bietet ein kompakteres Installationsvolumen, das Geräteherstellern die Möglichkeit gibt, mehr mit ihren Maschinen zu erreichen.”
Wenn wir die spezifische Situation des Wasserstoffmotors besprechen, verfügt er über eine Direkteinspritzung, mageres Verbrennungsdesign mit Leistungen von 400 bis 530 PS (298‑395 kW) und einem Spitzenmoment von 2600 N·m. Er bezieht seine Energie aus kohlenstofffreiem grünem Wasserstoff und kann ein Hochdruck‑Speichersystem von 700 bar nutzen, um maximale Betriebsstunden zwischen den Betankungen zu erreichen.
Die Version soll bis 2027 vollständig in Produktion gehen. Das Unternehmen wird diese Motoren mit 15‑Liter‑ und 6,7‑Liter‑Hubräumen produzieren.
Der Motor erhält bereits seit den frühen Phasen Validierung von Branchenakteuren. Im Januar 2022 entschied Werner Enterprises (Nasdaq: WERN), ein führender Transport‑ und Logistikdienstleister, mit der Validierung und Integration zu beginnen von Cummins’ 15‑Liter‑Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren in seinen Fahrzeugen.
(CMI )
Cummins berichtete über seine Ergebnisse des vierten Quartals und des Gesamtjahres 2023 am 6. Februar 2024. Der Umsatz des vierten Quartals 2023 betrug 8,5 Milliarden $, ein Anstieg von 10 % gegenüber dem gleichen Quartal 2022, während der Umsatz für das Gesamtjahr 2023 34,1 Milliarden $ betrug, 21 % höher als 2022.
Yamahas 5,0‑Liter V8 100 % wasserstoffbetriebene Motoren für Toyota
Die Toyota Motor Corporation beauftragte Yamaha Motor, den Wasserstoffmotor der Zukunft zu entwickeln. Die fünf Unternehmen – Kawasaki Heavy Industries, Subaru Corporation, Toyota Motor Corporation, Mazda Motor Corporation und Yamaha Motor – beschlossen, gemeinsam Forschung zu betreiben, um die Palette von Kraftstoffoptionen für Verbrennungsmotoren, die für Kohlenstoffneutralität geeignet sind, zu erforschen und zu erweitern.
Während er über die Entwicklung sprach, sagte Yamaha Motor Präsident Yoshihiro Hidaka:
“Wasserstoffmotoren haben das Potenzial, kohlenstoffneutral zu sein und gleichzeitig unsere Leidenschaft für den Verbrennungsmotor aufrechtzuerhalten. Die Zusammenarbeit mit Unternehmen unterschiedlicher Unternehmenskulturen und Fachgebiete sowie die Erweiterung unseres Partnernetzwerks ist unser Weg, die Zukunft zu gestalten.”
Bei der Enthüllungsveranstaltung für den Motor schien der 5,0‑Liter V8 auf dem 5,0‑Liter Motor des Lexus RC F Luxus‑Sportcoupé zu basieren, modifiziert an Einspritzdüsen, Zylinderköpfen, Ansaugkrümmer und mehr. Der Motor kann bis zu 450 PS bei 6.800 U/min und ein maximales Drehmoment von 540 Nm bei 3.600 U/min liefern. Der Hochleistungs‑ 5,0‑Liter 90‑Grad V8 DOHC 32‑Ventil Motor wurde von Yamaha auf Wasserstoffbetrieb umgerüstet.
Laut dem Jahresbericht für 2023 verzeichnete Yamaha einen gruppenweiten konsolidierten Umsatz von 451,4 Milliarden Yen bei einem Kernbetriebsergebnis von 45,9 Milliarden Yen.
Der Motor für den BMW iX5 Wasserstoff
BMW testet sein zukünftiges Fahrzeug seit 2023. Von Temperaturen bis zu 45 °C bis hin zu Sand, Staub, verschiedenen Steigungen und schwankenden Luftfeuchtigkeitswerten hat das Unternehmen alles getestet. Das Unternehmen findet auch, dass seine Wasserstoff‑Brennstoffzellentechnologie für den täglichen Einsatz bei extremen Minus‑Temperaturen geeignet ist.
In Bezug auf Details kann das BMW iX5 Hydrogen‑Brennstoffzellensystem konstant eine hohe Leistung von 125 kW/170 PS liefern.
Toyota Motor Corporation wurde beauftragt, die einzelnen Zellen für die BMW Group herzustellen. Das BMW Group Werk in Landshut fertigt das Gehäuse für den Stack, das im zweiteiligen Fertigungsprozess an zweiter Stelle steht. Der erste Schritt beinhaltet das Stapeln der Zellen und das Einsetzen der übrigen Komponenten.
Die Brennstoffzellen, die die Leistung von 125 kW/170 PS liefern, sind eine innovative Kombination, die aus der Gen‑5‑Reihe der BMW Group eDrive‑Technologien und einer speziell entwickelten Batterie stammt. Kombiniert kann das System eine Leistung von bis zu 285 kW/401 PS bieten.
Die BMW Group war zudem für die Entwicklung der speziellen Wasserstoffkomponenten verantwortlich, darunter der hochauflösende Kompressor mit Turbine und die Hochspannungs‑Kühlmittelpumpe. Der innere Mechanismus der Brennstoffzelle lässt den Wasserstoff aus den Tanks mit Sauerstoff aus der Atmosphäre reagieren, um Strom zu erzeugen, der den Motor antreibt. Die beiden im BMW iX5 Hydrogen vorhandenen Tanks können insgesamt 6 kg Gas speichern und ermöglichen eine Reichweite von 504 km im WLTP‑Zyklus.
Die BMW Group betrachtet den iX5‑Motor ebenfalls als die Zukunft des Tankens, da das Wasserstofftanken schneller ist als das Aufladen eines batterieelektrischen Autos.
Die Verbindung von BMW zu Wasserstoff ist ganzheitlich. Die Logistik des Gruppenwerks nutzt das Gas seit 2013. Außerdem war das Unternehmen verantwortlich für den Bau der ersten Indoor‑Wasserstofftankstelle Deutschlands im Werk Leipzig. Die Lackiererei im Werk Leipzig ist ebenfalls an Pilotprojekten zur Nutzung von Wasserstoff in der Fahrzeugproduktion beteiligt.
Im Jahr 2023, meldete die BMW Group einen Jahresumsatz von rund 155,5 Milliarden Euro, ein Anstieg von 9 % gegenüber dem Wert von 2022 von knapp 143 Milliarden Euro.
Volvos Wasserstoffverbrennungsmotoren mit Hochdruck‑Direkteinspritzung (HPDI)-Technologie
Die Volvo‑Lkw, die mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor ausgestattet werden, verfügen über die Hochdruck‑Direkteinspritzung (HPDI)-Technologie, was bedeutet, dass eine kleine Menge Zündkraftstoff, mit hohem Druck eingespritzt, die Kompressionszündung bereits vor dem Hinzufügen von Wasserstoff ermöglichen kann. Einer der vielen Vorteile dieser Technologie ist, dass sie hohe Energieeffizienz bei geringerem Kraftstoffverbrauch beibehält. Sie stellt sicher, dass die Motorleistung dabei nicht beeinträchtigt wird.
Die Volvo Group hat bereits eine Vereinbarung mit Westport Fuel Systems unterzeichnet, um ein Joint Venture zur Nutzung der HPDI‑Technologie zu gründen, das voraussichtlich im zweiten Quartal 2024 betriebsbereit sein wird.
Während er die Volvo‑Strategie für seine Wasserstoffmotoren erläuterte, sagte Jan Hjelmgren, Leiter Produktmanagement und Qualität bei Volvo Trucks, Folgendes:
“Lkw, bei denen der traditionelle Verbrennungsmotor erhalten bleibt, aber mit Wasserstoff betrieben wird, werden die gleiche Leistung und Zuverlässigkeit wie unsere Diesel‑Lkw haben, jedoch mit dem zusätzlichen Vorteil potenziell CO₂‑Emissionen über den gesamten Lebenszyklus zu null zu reduzieren. Sie werden eine wertvolle Ergänzung zu unseren batterieelektrischen Lkw sein, die bereits seit mehreren Jahren auf dem Markt sind.”
Kundentests mit Volvo‑Lkw, die Wasserstoff in Verbrennungsmotoren nutzen, beginnen 2026, und die Lkw werden gegen Ende dieses Jahrzehnts kommerziell verfügbar sein.
HPDI‑Technologie ist eine transformative Ergänzung für die Funktionsweise unserer Transportsysteme in der Zukunft. Sie adressiert die Herausforderungen, die sich aus den regulatorischen Anforderungen von Euro 7 und der US‑EPA für Lkw‑ und Off‑Road‑Gerätehersteller weltweit ergeben.
Der Injektor mit einem doppelten, konzentrischen Nadel‑Design kann 97 % der CO₂‑Emissionen reduzieren. Deshalb können Lkw, die mit dieser Technologie betrieben werden, als „Zero Emission Vehicles“ nach den neuen EU‑CO₂‑Emissionsstandards eingestuft werden. Die Motoren erzeugen zudem sehr geringe Mengen an Stickoxiden und Partikeln.
Im Jahr 2023 wuchsen die währungsbereinigten Nettoumsätze der Volvo Group um 11 % auf 552,8 Mrd. SEK, und das bereinigte Betriebsergebnis verbesserte sich auf 77,6 Mrd. SEK.
Gemeinsam von Kia und Hyundai entwickelte Wasserstoffverbrennungsmotor
In einem jüngsten Schritt, der sich als wegweisend erweisen könnte, haben Kia und Hyundai, zwei koreanische Automobilgiganten, sich zusammengeschlossen, um einen Wasserstoffverbrennungsmotor zu entwickeln. Der Motor könnte bis 2025 für Personenkraftwagen bereit sein.
Berichte deuten darauf hin, dass dieser Motor potenziell lösen kann alle Probleme hinsichtlich Haltbarkeit und großskaliger Machbarkeit, denen Wasserstoffmotoren bisher gegenüberstanden. Der Prototyp ist ein 180‑200 PS‑2‑Liter‑Wasserstoffmotor mit Drehmoment‑ und Leistungskennlinien, die mit gleichwertigen Benzinmotoren vergleichbar sind. Der Vorteil besteht darin, dass der Wasserstoffmotor beim Kraftstoffverbrauch deutlich besser abschneidet. Der Motor kann während seines Betriebs eine hohe thermische Effizienz aufrechterhalten, indem er Wasserstoff mit einem Druck von 30 bar in den Verbrennungsraum einspritzt.
Um die Produktion des Motors zu steigern, haben Hyundai und Kia außerdemPartnerschaften geschlossen mit einigen Lieferanten. Zum Beispiel haben sie ein Memorandum of Understanding mit Next Hydrogen Corporation, einem kanadischen Unternehmen, das sich auf Wasserstoff‑Elektrolysetechnologie spezialisiert hat, unterzeichnet. Die Entwicklung eines alkalischen Wasserstoff‑Elektrolysesystems wird die Preiswettbewerbsfähigkeit von sauberem Wasserstoff für Hyundai und Kia verbessern.
Das Unternehmen hat außerdem eine Vereinbarung mit W. L. Gore & Associates (Gore) unterzeichnet, um gemeinsam eine fortschrittliche Polymer‑Elektrolyt‑Membran (PEM) für Wasserstoff‑Brennstoffzellensysteme zu entwickeln. Die PEM erleichtert den Protonentransfer zwischen den Elektroden in der Brennstoffzelle. Da die PEM die direkte Kombination von einströmendem Wasserstoff und Sauerstoff blockiert, erfolgt eine selektive Protonenleitung, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird, der ein Fahrzeug antreibt.
Laut Chang Hwan Kim, Leiter Batterientwicklung und Wasserstoff‑ und Brennstoffzellentwicklung bei Hyundai Motor Company und Kia Corporation:
“Wir treten in das nächste Kapitel unserer Partnerschaft mit Gore ein. Durch die Nutzung der 15‑jährigen Zusammenarbeit werden wir fortschrittliche Brennstoffzellentechnologie erwerben und den Markt für Brennstoffzellen‑Elektrofahrzeuge anführen, wodurch wir die Bewegung in Richtung einer nachhaltigen Zukunft beschleunigen.”
Für das Geschäftsjahr 2023 verzeichnete Hyundai einen Jahresumsatz von 162,664 Milliarden KRW, ein Anstieg von mehr als 14 % gegenüber dem Umsatz von 142,152 Milliarden KRW im Jahr 2022.
Im Jahr 2023 verzeichnete Kia einen Umsatz von 99,808,420 Millionen KRW.
Die Zukunft der Wasserstoffverbrennungsmotoren sieht vielversprechender aus denn je
Von Personenkraftwagen bis zu Lkw investieren alle führenden globalen Automobilhersteller so viele Ressourcen und Forschung wie möglich, um Wasserstoffverbrennungsmotoren zur bestmöglichen Option für eine kohlenstoffneutrale, nachhaltige, grüne Zukunft zu machen.
Abgesehen davon, dass sie uns eine saubere Umwelt bieten, sind diese Motoren in vielerlei Hinsicht überlegen. Zum Beispiel entfällt die Notwendigkeit eines schweren Batteriepacks, das bei Elektrofahrzeugen üblich ist. Der Wasserstoff‑zu‑Elektrizität‑Umwandler ist kompakt und leichter als eine Lithium‑Ion‑Batterie mit einer ähnlichen Reichweite. Es dauert nur 3 bis 5 Minuten, um einen Wasserstoffverbrennungsmotor zu betanken, und seine Energiedichte ist mindestens dreimal höher im Vergleich zu Batterien, während er mit einer Tankfüllung 2‑3‑mal länger fahren kann als die meisten Elektrofahrzeuge.
Hier hatten wir die Möglichkeit, fast alle wichtigen Motortypen in dieser Kategorie zu betrachten, die das Gewöhnliche durchbrechen werden. Die Zukunft könnte erwartungsgemäß mit weiteren solchen bahnbrechenden Innovationen gefüllt sein.
