Nach 166 Jahren hat der Verbrennungsmotor noch ungenutztes Potenzial

Eine der größten Entdeckungen unserer Zeit war die Erfindung von Verbrennungsmotoren, die eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Industrialisierung und damit der menschlichen Zivilisation spielten.

Diese Motoren wurden erstmals im 19. Jahrhundert erfunden, obwohl Wissenschaftler und Ingenieure bereits ein Jahrzehnt vor Beginn dieses Zeitraums zu ihrer Entwicklung beitrugen.

1791 wurde eine Gasturbine entwickelt und ein paar Jahre später ein Gasmotor patentiert. 1794 wurde ein Patent für einen Verbrennungsmotor angemeldet, der ebenfalls der erste war, der flüssigen Kraftstoff nutzte, und noch vor Ende des Jahrhunderts wurde der erste amerikanische Verbrennungsmotor gebaut.

Während das erste Automobil, das mit einem Verbrennungsmotor fuhr, 1862 geschaffen wurde, erschien der erste moderne Verbrennungsmotor erst mehr als ein Jahrzehnt später, im Jahr 1876. 1885 verbesserten Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach das Design und erfanden den ersten praktischen Verbrennungsmotor und Vergaser.

Wie funktioniert ein Verbrennungsmotor genau? Nun, zunächst ist Verbrennung ein chemischer Prozess, bei dem Energie freigesetzt wird, wenn ein Kraftstoff‑Luft‑Gemisch entzündet wird. Verbrennungsmotoren (ICE) wandeln diese Energie teilweise in mechanische Arbeit um.

Wenn das Kraftstoff‑Luft‑Gemisch entzündet wird, ereignen sich tausende kleiner, kontrollierter Explosionen, die Verbrennung genannt werden.

Bei ICE erfolgen Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs innerhalb des Motors, der aus einem festen Zylinder und einem beweglichen Kolben besteht. Die Verbrennung führt zur Ausdehnung der Gase und zur Freisetzung von Wärme, die den Kolben nach oben und unten drückt. Dies wiederum dreht die Kurbelwelle über ein Getriebe im Antriebsstrang und treibt die Räder des Fahrzeugs vorwärts.

Es gibt zwei Arten von Verbrennungsmotoren: den zündfunkenbasierten Benzinmotor und den durch Kompression gezündeten Dieselmotor, wobei sich der Unterschied in der Art der Kraftstoffzufuhr und Zündung liegt.

Verbrennungsmotoren dominieren, stehen aber vor Herausforderungen

Jetzt, mehr als anderthalb Jahrhunderte nach ihrer Erfindung, laufen weltweit immer noch über eine Milliarde Verbrennungsmotoren (ICE) auf den Straßen.

Der globale Markt für Verbrennungsmotoren wird derzeit auf etwa 200 Milliarden $ geschätzt und soll voraussichtlich mit einer jährlichen Wachstumsrate von 9,2 % bis 2033 auf 300 Milliarden $ anwachsen, angetrieben durch die steigende Nachfrage nach Fahrzeugen in Schwellenländern und technologische Fortschritte im Motordesign.

Allerdings ist die größte Herausforderung für Verbrennungsmotoren der Aufstieg von Elektrofahrzeugen (EVs) und strengere Emissionsvorschriften.

Aber obwohl Elektrofahrzeuge inzwischen verbreiteter werden und etwa 18 % aller Neuwagenverkäufe weltweit ausmachen, gegenüber nur 2 % im Jahr 2018, bleiben EVs dennoch ein sehr kleiner Anteil an den insgesamt auf der Straße befindlichen Verbrennungsmotoren. Mit einem geschätzten Marktanteil von 3–5 % sind von 100 Verbrennungsmotorfahrzeugen nur jedes dritte bis fünfte ein EV.

Der wachsende EV‑Trend wird durch die steigende Nachfrage nach Motoren angetrieben, was zu einer Erschöpfung der fossilen Brennstoffe und einem dramatischen Anstieg der Umweltverschmutzung weltweit führt.

Da Benzin und Diesel die dominierenden Kraftstoffe im Automobilsektor sind, bleibt die Umweltverschmutzung das Hauptanliegen bei Verbrennungsmotoren. Die wichtigsten Emissionen dieser Motoren sind unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide und Feinstaub.

Dies führt zu gravierenden Gesundheitsrisiken und zur globalen Erwärmung, weshalb Länder weltweit begonnen haben, strenge Vorschriften zur Bekämpfung der Emissionen aus dem Automobilsektor einzuführen. Dies hat Automobilingenieure und Forscher dazu veranlasst, mit verschiedenen Motortechnologien sowie erneuerbaren und umweltfreundlicheren Kraftstoffen zu experimentieren.

Da einige Länder sogar ein vollständiges Verbot von Verbrennungsmotoren anstreben, arbeiten Forscher zudem daran, diese Motoren zu verbessern, um ihre Leistung zu steigern und ihre Umweltauswirkungen zu reduzieren.

Verbrennungsmotoren effizient machen, indem verschwendete Wärme in Energie umgewandelt wird

Verbrennungsmotoren erzeugen leistungsstarke Energie, aber nicht die gesamte erzeugte Energie wird genutzt. Tatsächlich werden nur etwa 25 % bis 30 % der chemischen Energie in nutzbare Leistung umgewandelt.

Der größte Teil davon geht als Wärme über Abgasanlage und Kühlsystem des Motors verloren. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, die verlorene Energie zu nutzen, und Wissenschaftler arbeiten an Lösungen, um sie produktiv zu verwenden.

Studie veröffentlicht¹ dieses Jahr in ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces hat gezeigt, wie Abwärme in Strom umgewandelt werden kann und eine nachhaltige Energiequelle bereitstellt.

Mit finanzieller Unterstützung des Office of Naval Research, des Army Rapid Innovation Fund Program und der National Science Foundation Industry haben Forscher der Abteilung für Maschinenbau der Pennsylvania State University einen Prototyp für ein thermoelektrisches Generatorsystem vorgestellt.

Der thermoelektrische Generator (TEG) kann den Kraftstoffverbrauch sowie die Kohlendioxid‑Emissionen (CO₂) reduzieren. Kraftstoffineffizienz ist ein wesentlicher Verursacher von Treibhausgasen (THG) und unterstreicht die Notwendigkeit innovativer Abwärmerückgewinnungssysteme wie TEG.

Diese Wärme‑Rückgewinnungs‑TEG‑Systeme nutzen Halbleitermaterialien, um Wärme in Strom umzuwandeln.

Vor über zweihundert Jahren erfunden, können TEG‑Systeme in elektronischen Geräten, medizinischen Geräten und in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Diese Systeme besitzen keine beweglichen Teile oder chemische Nebenprodukte, wodurch sie geräuschlos arbeiten und umweltfreundlich bleiben. Sie sind zudem robust, benötigen keine unnötige Wartung und eignen sich für die Integration in massive und flexible Geräte.

Laut der Forschung:

“Die Gewinnung thermischer Energie für sich schnell bewegende Objekte ist besonders vielversprechend, um eine effiziente und nachhaltige Energiequelle bereitzustellen, die die Betriebsfähigkeit und Ausdauer verbessert.”

Thermoelektrische (TE) Technologie funktioniert, indem sie Temperaturunterschiede zwischen einer Wärmequelle und der Umgebungstemperatur nutzt. Dadurch kann die TE‑Technologie eine konstante Stromversorgung für solche Systeme bereitstellen, die Abhängigkeit von herkömmlichen Batterien reduzieren und die Betriebsdauer verlängern.

Obwohl vielversprechend, sind die Designs vieler aktueller thermoelektrischer Geräte komplex und schwer und benötigen daher mehr Kühlwasser, um den erforderlichen Temperaturunterschied aufrechtzuerhalten. Wie die Forschung jedoch feststellt, liegt die integrierte TEG‑Systemdesignforschung weit hinter der Materialentwicklung zurück.

Unter Anleitung von Wenjie Li und Bed Poudel haben Penn‑State‑Forscher ein kompaktes TEG‑System zur Rückgewinnung thermischer Energie gebaut. Diese TEG‑Systeme können Abgasabwärme nicht nur von Autos, sondern auch von anderen Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen wie unbemannten Luftfahrzeugen (Drohnen) und Hubschraubern effizient in Energie umwandeln.

Dieses neue TEG verwendet Bismut‑Tellurid als Halbleiter. Bi2Te3 ist ein graues Pulver aus Bismut und Tellur und weist hervorragende thermoelektrische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen auf.

Zusätzlich nutzte die Forschung dreieckige Platten‑Fin-Wärmetauscher, ähnlich denen in Klimaanlagen, um Wärme aus Fahrzeugabgasanlagen wie dem Motorabgas zu erfassen.

Ein Kühlkörper wurde ebenfalls integriert, um die Temperatur zu regulieren. Dieses längsgerichtete trapezförmige Fin‑Zylinder‑Bauteil erhöht den Temperaturunterschied erheblich, was sich direkt auf die elektrische Leistung des TEG‑Systems auswirkt.

Dieser Kühlkörper ist so konzipiert, dass er Wärme durch erzwungene Konvektion ableitet, doch das Team optimierte das Design weiter mithilfe von Finite‑Elemente‑Analyse‑Simulationen (FEA), um den Temperaturgradienten und die elektrische Ausgangsleistung zu steigern.

Damit erreichte der TEG‑Prototyp des Teams eine Ausgangsleistung von 40 Watt bei einem Temperaturgradienten von 190 °C mit bismut‑telluridbasierten TE‑Modulen. Diese Leistung reicht aus, um eine Glühbirne zu betreiben.

Bemerkenswerterweise zeigten die Forschungsergebnisse, dass hohe Luftstrombedingungen in den Abgaskanälen die Effizienz steigern und die elektrische Leistung des Systems erhöhen.

Das Team testete das TEG‑System in Simulationen, die Hochgeschwindigkeitsumgebungen nachahmen, und es zeigte große Flexibilität. Ihr Abwärmesystem erzeugte bis zu 56 W bei Abgasgeschwindigkeiten wie bei einem Auto, was fünf Lithium‑Ion‑Batterien (Li‑18650) entspricht. Bei Abgasgeschwindigkeiten ähnlich denen von Hubschraubern erreichte die Leistung bis zu 146 W, was zwölf Li‑Ion‑18650‑Batterien entspricht.

Li‑Ion‑18650‑Batterien bieten Vorteile wie hohe Kapazität, lange Lebensdauer, hohe Spannung und hohe Sicherheitsleistung. Sie werden am häufigsten in elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Energiespeichergeräten eingesetzt.

Das TEG‑System der neuesten Studie kann laut den Forschern direkt in bestehende Auspufföffnungen integriert werden und den Bedarf an zusätzlichen Kühlsystemen eliminieren.

Die Forscher glauben zudem, dass diese Arbeit den Weg für die praktische Integration thermoelektrischer Geräte in Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge ebnen könnte, angesichts der wachsenden Nachfrage nach sauberen Energielösungen.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Wasserstofffahrzeuge ein Comeback erleben.

Verbrennungsmotoren entwickeln sich weiter

Die Abwärmerückgewinnung aus Verbrennungsmotoren erfährt tatsächlich zunehmendes Interesse, um die Effizienz zu steigern und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Diese Bemühungen tragen zur Reduzierung der Umweltverschmutzung und der globalen Erwärmung bei.

Neben TEG werden Bottoming‑Cycles, elektrische Turbo‑Compounding‑Geräte (ETC), Dampfabsonderung, Stirling‑Motoren (SE) und thermo‑akustische Generatoren (TAGs) eingesetzt, um Wärme aus Auto‑ und Industrieabgasanlagen zu gewinnen.

Thermoelektrische Generatoren hingegen werden am häufigsten als zuverlässige, kompakte und halbleiterbasierte Technologie eingesetzt, die Wärme direkt in Strom umwandelt, ohne mechanische Bewegung. Sie sind zudem leicht, vibrationsfrei, haben keine Ausrichtungsbeschränkungen und erzeugen keinerlei Emissionen.

Zusätzlich zu diesen Kraftstoffeffizienzmethoden verzeichnen Verbrennungsmotoren weitere Fortschritte, um ihre Leistung, Effizienz und Umweltverträglichkeit zu verbessern.

Dazu gehört die Direkteinspritzung, eine Technologie, die Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum liefert und so eine präzise Kontrolle des Kraftstoff‑Luft‑Verhältnisses ermöglicht. Turbolader hingegen komprimieren die Ansaugluft, sodass kleinere Motoren eine Leistung erzeugen können, die mit größeren vergleichbar ist.

Eine interessante Entwicklung ist die Kombination von Verbrennungsmotoren mit Elektromotoren, die zu Hybridsystemen geführt hat. Ein hybrider Antriebsstrang bietet die Flexibilität, elektrische Energie für das Fahren bei niedrigen Geschwindigkeiten zu nutzen und den Verbrennungsmotor für höhere Geschwindigkeiten.

Unter Führung von Unternehmen wie Honda, Hyundai, Lexus, BYD und Porsche gewinnen Hybridfahrzeuge weltweit stark an Bedeutung, stehen jedoch weiterhin vor Herausforderungen hinsichtlich höherer Kosten und geringerer Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Autos.

Eine weitere Entwicklung betrifft den Kraftstoff, der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor antreibt. Die Erforschung alternativer Kraftstoffe wie Ethanol, Erdgas, Propan und Biodiesel zielt darauf ab, die Umweltauswirkungen von Verbrennungsmotoren zu verringern, indem die Treibhausgasemissionen gesenkt und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduziert wird.

Unter diesen alternativen Kraftstoffen zieht insbesondere Wasserstoff viel Aufmerksamkeit von Forschern und Unternehmen auf sich, die Verbrennungsmotoren erhalten wollen.

Wasserstoff, eines der einfachsten Moleküle in Gasform, hat eine extrem niedrige Energiedichte, es sei denn, er wird bei sehr hohem Druck und/oder sehr niedriger Temperatur gespeichert, und selbst dann ist seine Energiedichte deutlich geringer als die der meisten anderen flüssigen Kraftstoffe. Dies führt zu Problemen bei der Kraftstofflagerung. Zudem verursacht er höhere Stickoxid‑Emissionen (NOx).

Aber wo Wasserstoff glänzt, ist die Verbrennungsgeschwindigkeit, die sehr hoch ist, deutlich höher als bei Benzin. Außerdem macht die kohlenstofffreie Eigenschaft von Wasserstoff, wenn er mit Sauerstoff verbrannt wird, ihn zu einem attraktiven alternativen Kraftstoff. Deshalb erhalten Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren und Wasserstoff‑Brennstoffzellen so viel Aufmerksamkeit.

Beide Fahrzeugtypen nutzen Wasserstoff. In ICEV wird Wasserstoff ähnlich wie Benzin verbrannt, während Brennstoffzellen‑Wasserstofffahrzeuge (FCEVs) Wasserstoff in einem Gerät zur Stromerzeugung verwenden.

Letztes Jahr stellten Forscher der University of Alberta ein neues Aluminium‑Nickel‑Legierung vor, um Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren zu revolutionieren. Die Legierung AlCrTiVNi5 bietet hohe Stabilität bei extremen Hitze­bedingungen, geringe thermische Ausdehnung und überlegene Haltbarkeit, was sie ideal für die extremen Temperaturen der Wasserstoffverbrennung macht.

Toyota stellte ebenfalls im vergangenen Jahr mehrere ICE‑Prototypen vor, die neben Benzin und anderen Kraftstoffen auch mit Wasserstoff betrieben werden können.

Führend bei neuen Ansätzen für Verbrennungsmotoren

Derzeit stehen Verbrennungsmotoren unter zunehmendem Druck durch Elektrofahrzeuge und Emissionsvorschriften, doch trotz alledem dominieren sie weiterhin den Verkehrssektor. Dies liegt vor allem an der etablierten Infrastruktur und der breiten Verfügbarkeit, aber das ist nicht alles. Unternehmen machen ebenfalls große Fortschritte bei der Bewältigung des Hauptproblems der Emissionen.

Zum Beispiel investieren Cummins (CMI ) und Ford Motor (F ) investieren in Wasserstoff‑Verbrennungsmotor‑Technologie, während ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) die Duplex‑Burner‑Architektur entwickelt hat, um die Energieeffizienz zu steigern und strenge Emissionsstandards zu erfüllen.

Lassen Sie uns also einen genaueren Blick auf das Investitionspotenzial eines Innovators werfen, der weiterhin neue Ansätze für den Verbrennungsmotor entwickelt und dessen Erfolg unterstützt.

1. Westport Fuel Systems Inc. (NASDAQ: WPRT)

Westport Fuel Systems (WPRT ) ist ein führender Anbieter fortschrittlicher alternativer Kraftstoffsysteme und agiert in mehreren Segmenten, darunter Light‑Duty, High‑Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy‑Duty OEM und Corporate.

Mit einer Marktkapitalisierung von 72,5 Millionen $, werden Westport‑Aktien derzeit bei 4,70 $ gehandelt, ein Anstieg von 27,93 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -1,57 und das KGV (TTM) liegt bei -2,91.

Das Unternehmen meldete im dritten Quartal 2024 einen Umsatz von 66,2 Millionen $, was einem Rückgang von 14 % gegenüber dem gleichen Quartal des Vorjahres entspricht. Der Umsatz wurde durch die Überführung der Heavy‑Duty‑OEM‑Vermögenswerte in Cespira, ein Joint‑Venture zwischen Volvo Group und Westport, angetrieben.

Durch dieses Joint‑Venture wollen Westport Fuel Systems und Volvo Group die Entwicklung, Förderung und Beschleunigung der Kommerzialisierung der HPDI‑Technologie vorantreiben. Dies wird ihnen helfen, den Fortschritt erschwinglicher, nachhaltiger Verkehrslösungen zu fokussieren, die Verbrennungsmotoren nutzen, die derzeit mit erneuerbaren Kraftstoffen und künftig mit Wasserstoff betrieben werden.

Insbesondere wird erwartet, dass das Joint‑Venture erhebliche Auswirkungen auf globale Langstrecken‑ und Off‑Road‑Schwerlastanwendungen hat. HPDI‑betriebene Verbrennungsmotoren, sagte Volvo CTO Lars Stenqvist, würden „eine entscheidende Rolle bei den globalen Dekarbonisierungsbemühungen im gewerblichen Transport spielen.“

Im dritten Quartal betrug der Nettoverlust des Unternehmens 3,9 Millionen $, und die liquiden Mittel am Quartalsende beliefen sich auf 33,3 Millionen $.

“Wir sind weiterhin zuversichtlich, welche Rolle alternative Kraftstoffe bei der Förderung der Nachhaltigkeit in der Zukunft des Transport- und Industrieanwendungsbereichs spielen werden.”

– CEO Dan Sceli

Während er über Wasserstoff sprach, bemerkte er eine Verlangsamung der globalen Infrastrukturentwicklung, die wiederum die Einführung von automobilen und industriellen Anwendungen, die von Wasserstoff angetrieben werden, beeinträchtigte. Laut Dan:

“Der Erfolg dieses Marktes hängt von der Errichtung der Infrastruktur und der Produktion von sauberem Wasserstoff ab, beides hat sich nur langsam realisiert.”

Trotzdem glaubt das Unternehmen weiterhin, dass Wasserstoff als Kraftstoff sich durchsetzen wird, erwartet jedoch, dass seine weltweite Einführung als sauberer Brennstoff ein schrittweiser Prozess und nicht sofortig sein wird.

In der Zwischenzeit wird Westport weiterhin ein breites Spektrum erschwinglicher alternativer kohlenstoffarmer Kraftstoffe wie Propan, Erdgas, erneuerbares Erdgas und Wasserstoff anbieten.

“Wir treiben eine sauberere Leistung voran, indem wir niedrigere Emissionsvorschriften mit praktischen Anwendungen und heute verfügbaren Innovationen angehen.”

– Dan

Fazit 

Verbrennungsmotoren sind der Ausgangspunkt der Mobilitätsrevolution. Allerdings arbeitet ein solcher Motor nur mit etwa 40 % Effizienz und hat aufgrund der Nutzung fossiler Brennstoffe erhebliche negative Umweltauswirkungen. Der Verkehrssektor ist tatsächlich die zweithöchste Quelle von Treibhausgasemissionen weltweit.

Dies hat die Welt dazu veranlasst, zu umweltfreundlicheren Alternativen wie Elektrofahrzeugen zu wechseln. Doch das ist nicht das Ende; selbst Verbrennungsmotoren entwickeln sich weiter, um mit dem sich ändernden Umfeld Schritt zu halten, und zeigen ihr ungenutztes Potenzial selbst nach einem Jahrhundert.

Durchbrüche wie thermoelektrische Generatoren (TEGs) zur Abwärmerückgewinnung, hybride Antriebsstränge und alternative Kraftstoffe wie Wasserstoff treiben derzeit diese Transformation voran. Durch fortlaufende Forschung und Innovation werden Verbrennungsmotoren darauf vorbereitet, effizienter und umweltfreundlicher zu werden. Und während die Welt sauberere Technologien annimmt, werden sie nicht nur neben Elektrofahrzeugen existieren, sondern könnten sogar wesentlich zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen.

Klicken Sie hier für eine Liste der Top‑5‑Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren, die das Muster brechen.