Energie
Wasserstoffverbrennungsmotoren werden immer realistischer, während der Verkehrssektor im Wandel ist
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Mit weltweit zunehmenden Vorschriften zur Begrenzung von CO2-Emissionen hat die Suche nach nachhaltigem Transport uns zu Wasserstoff als alternativen Kraftstoff geführt.
Wasserstoff (H) hat sich als vielversprechende Option erwiesen, da er ohne Treibhausgasemissionen verbrennen kann. Dieses brennbare Element ist farblos, geschmacklos, geruchlos und besitzt eine relativ hohe Energiedichte, was bedeutet, dass Wasserstoff viel Energie pro Volumeneinheit enthält und damit eine ausgezeichnete Kraftstoffquelle für Fahrzeuge darstellt.
Dieses leichteste Element hat im Verkehrssektor erhebliches Interesse geweckt, um Elektrofahrzeuge über Brennstoffzellen anzutreiben. Allerdings werden Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren (HICEs) jetzt untersucht, um Null‑Emissionen zu erreichen. Aber worum geht es eigentlich?
Was ist Wasserstoffverbrennung?
Wasserstoff ist ein chemisches Element, und Verbrennung ist ein chemischer Prozess, der Energie aus einer Kraftstoff‑ und Luftmischung freisetzt. Die Verbrennung von Wasserstoff, sei es in flüssiger oder gasförmiger Form, erzeugt Kraft.
Aufgrund seines breiten Entzündungsbereichs eignet sich Wasserstoff gut für die Verbrennung. Er bietet eine hervorragende Kraftstoffeffizienz und besitzt eine hohe Selbstentzündungstemperatur, die höhere Verdichtungsverhältnisse ermöglicht und den Energieverlust während der Verbrennung reduziert. Zusätzlich minimiert eine niedrigere Endverbrennungstemperatur die Menge der über den Auspuff freigesetzten Schadstoffe.
Wie funktioniert dieser sauber brennende Motor tatsächlich in einem Fahrzeug?
Wasserstoff ist, im Gegensatz zu flüssigem Benzin, ein Gas, das ein spezielles Kraftstoffversorgungssystem erfordert. Zu diesem Zweck halten Hochdruckspeichertanks das Wasserstoffgas und gewährleisten ausreichende Kraftstoffvorräte für die Anforderungen einer Fahrt.
Ein Regelventil hingegen steuert den Gasfluss in den Ansaugkrümmer des Motors und sorgt für ein optimales Luft‑Kraftstoff‑Gemisch für eine effiziente Verbrennung. Während des Ansaugvorgangs wird der Kraftstoff mit Luft gemischt und in den Zylinder geleitet.
Für eine saubere und effiziente Verbrennung ist ein korrektes Luft‑Kraftstoff‑Gemisch erforderlich. Wasserstoffverbrennungsmotoren verwenden ausgeklügelte Kraftstoffeinspritzsysteme, um schädliche Emissionen zu minimieren und die Leistungsabgabe zu optimieren.
Der Kolben komprimiert das passende Gemisch aus Kraftstoff und Luft, und Hochenergie‑Zündkerzen zünden es anschließend, was zur Verbrennung führt. Da Wasserstoff schnell verbrennt und erhebliche Wärme freisetzt, dehnen sich die Verbrennungsgase rasch aus.
Diese expandierenden Gase drücken den Kolben, dessen Bewegung über die Kurbelwelle in Rotationskraft umgewandelt wird. Diese Kraft treibt dann die Räder an und bewegt das Fahrzeug vorwärts.
Dieser Prozess veranschaulicht das sauberere und leistungsstärkere Fahrerlebnis, das Wasserstoffverbrennungsmotoren bieten können, und verspricht eine nachhaltigere Zukunft im Transportwesen. Die hohen Drehzahlen und Temperaturen in Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren (HICEs) werden jedoch durch wasserstofffreundliche Materialien, fortschrittliche Motorkonstruktionen und innovative Kraftstoffeinspritztechnologie erreicht.
Wie unterscheidet es sich von Wasserstoff‑Brennstoffzellen?
Wasserstoff wird im Verkehrssektor auf zwei unterschiedliche Arten genutzt: durch Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren. Obwohl beide Prozesse den kohlenstofffreien Wasserstoff als Kraftstoff verwenden, nutzen sie ihn auf unterschiedliche Weise, um Fahrzeuge anzutreiben.
Wie oben erwähnt erzeugen Wasserstoffverbrennungsmotoren Leistung durch das Verbrennen von Wasserstoff, ähnlich wie herkömmliche Motoren. Hier wird Wasserstoff mit Luft gemischt, um eine kontrollierte Explosion zu erzeugen, die mechanische Energie zur Fortbewegung des Fahrzeugs liefert.
Brennstoffzellen und Wasserstofffahrzeuge hingegen wandeln Wasserstoff durch einen chemischen Prozess in Strom um. In diesem Vorgang wandelt ein elektrochemisches Bauteil Wasserstoff und Sauerstoff in Strom, Wärme und Wasserdampf um. Genauer gesagt erzeugt es Strom, indem es Wasserstoff in ein Proton und ein Elektron spaltet. Dieser Strom treibt dann einen Elektromotor an, der das Fahrzeug bewegt.
Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs) sind bei geringerer Belastung effizienter, während Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren bei höheren Lasten besser abschneiden. Das macht HICEs zur besseren Wahl für schwere Lastkraftwagen, die die meiste Zeit große Lasten transportieren. Im Gegensatz dazu können Autos, Busse und Abschleppfahrzeuge eher von Brennstoffzellen profitieren, da sie in der Regel mit deutlich geringeren Lasten betrieben werden.
Da jedoch beide Wasserstoff nutzen, erzeugen sie ähnliche Emissionen. Brennstoffzellenfahrzeuge erzeugen keinerlei Emissionen, während Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren nahezu null Spuren von CO2 ausstoßen, obwohl sie NOx bzw. Stickoxide produzieren können. Zudem können Wasserstoffmotoren mit Wasserstoff von geringerer Qualität betrieben werden, was bestimmte Anwendungsfälle ermöglicht.
Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren werden seit Jahrzehnten eingesetzt und erfordern keine Änderungen der Infrastruktur. Für Fahrzeughersteller ist der Umstieg auf einen Wasserstoffmotor daher weniger herausfordernd, da bestehende Technologie genutzt werden kann. Brennstoffzellen hingegen sind leichter, leiser und für ihre hohe Effizienz bekannt. Sie wandeln bis zu 60 % der in Wasserstoff gespeicherten Energie in elektrische Energie um.
Da sie bei niedrigeren Temperaturen als Verbrennungsmotoren arbeiten, haben Brennstoffzellen auch ein geringeres Risiko für Feuer oder Explosionen. Da sie jedoch eine relativ neue Technologie darstellen, sind Brennstoffzellen eine teurere Option als Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren.
Das bedeutet nicht, dass sie miteinander konkurrieren, sondern dass HICEs und FCEVs einander ergänzen. Schließlich nutzen beide dieselbe Wasserstoffproduktions‑, Speicher‑, Transport‑ und Vertriebsinfrastruktur und tragen zur Reduzierung der Emissionen im Verkehrssektor auf null bei.
Abwägen der Vor‑ und Nachteile der Wasserstoffverbrennung
Die Nutzung von Wasserstoff hat eindeutig bedeutende Vorteile, aber was ist speziell mit der Wasserstoffverbrennung? Wie bereits erwähnt, liegt der Hauptvorteil im Umweltauswirkungen der HICEs.
Diese Motoren sind dafür bekannt, ein sauberes Nebenprodukt zu erzeugen, hauptsächlich Wasserdampf, was einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Benzinmotoren darstellt. Neben der Reduzierung von Treibhausgasemissionen besitzen Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren eine deutlich höhere thermische Effizienz von etwa 45 % im Vergleich zu Dieselmotoren (unter 40 %) und Ottomotoren (unter 30 %).
Ein weiterer großer Vorteil von HICEs ist, dass sie mit vorhandener Verbrennungsmotorentechnologie gebaut werden können, sodass keine zusätzliche Infrastruktur oder Schulung des Personals erforderlich ist. Zudem kann das Element aus verschiedenen Quellen wie Biomasse, Wasserelektrolyse und Erdgas hergestellt werden, wodurch es in der Lage ist, die steigende Nachfrage nach sauberer Energie zu decken.
Das Argument für Wasserstoff als Kraftstoff ist zweifellos stark, doch das bedeutet nicht, dass es keine Probleme gibt. Tatsächlich stehen Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren vor mehreren Herausforderungen, die angegangen werden müssen.
Zunächst benötigen wir großen Stauraum für Wasserstofftanks, was dem Fahrzeug ein erhebliches Gewicht hinzufügt. Dies erhöht natürlich das Risiko von Verschleiß und verkürzt die Fahrzeuglebensdauer. Der Kraftstoff brennt zudem leicht, was Gefahren für Motorteile mit sich bringt. Auch die Gewinnung von Wasserstoff ist nicht einfach; sie ist zeitaufwendig und energieintensiv.
Gleichzeitig ist seine Energiedichte geringer, was bedeutet, dass die erzeugte Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren relativ niedriger ist. Im Vergleich zu anderen Kraftstoffen wie Benzin, das ein Verdichtungsverhältnis von 8:1 benötigt, benötigen Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren ein Verhältnis von 40:1, was ein weiteres Problem darstellt. Ganz zu schweigen davon, dass die Massenproduktion dieser Motoren kostspielig ist.
Obwohl Wasserstoff wegen seiner geringeren Emissionen gewählt wird, erzeugt der Verbrennungsmotor dennoch einen CO₂‑Fußabdruck, da er einige NOx‑Emissionen verursacht, was dem eigentlichen Zweck dieser Motoren entgegenwirkt. Daher ist es wichtig, die Wärme und verbleibende Emissionen mittels Nachbehandlungssystemen zu kontrollieren.
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Sind Wasserstoffverbrennungsmotoren die Zukunft?
Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren (HICEs) gibt es seit Jahrzehnten. Das weltweit erste experimentelle Verkehrsflugzeug, das mit flüssigem Wasserstoff betrieben wurde, die Tupolew Tu‑155, hob 1988 ab. Das zeigt, dass HICEs nicht so neu sind, wie viele denken.
Obwohl sie im Laufe der Jahre keine breite Akzeptanz gefunden haben, haben HICEs kürzlich erneutes Interesse von großen Automarken wie Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki und Volvo geweckt. Auch der Luftfahrtsektor untersucht die Wasserstoffverbrennung. Airbus arbeitet beispielsweise mit Partnern aus verschiedenen Branchen an seinem ZEROe‑Konzepteflugzeug, das für den Betrieb mit Wasserstoffverbrennung konzipiert ist.
Das Interesse an Wasserstoffverbrennungsmotoren im Verkehrssektor steigt, doch derzeit stehen sie in starkem Wettbewerb zu Elektrofahrzeugen (EVs).
Während HICEs nahezu null Emissionen erzeugen, benötigen EVs Strom für den Antrieb und weisen daher keine Abgasemissionen auf. EVs haben zudem eine höhere Energieeffizienz im Vergleich zu HICEs, bei denen ein Teil der Energie im Verbrennungsprozess verloren geht.
Obwohl EVs eine neue Infrastruktur benötigen, steigt die Anzahl der Ladestationen rasch. Tankstellen für Wasserstoff sind hingegen eher selten, obwohl das Betanken eines Wasserstoffautos schneller geht als das Aufladen eines Elektroautos.
Unternehmen wie BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo und viele andere haben im Bereich der Elektrofahrzeuge enorme Fortschritte erzielt. Der Markt für Elektrofahrzeuge (EV) wurde bewertet mit etwa 384 Milliarden $ im Jahr 2022, während der globale Markt für Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren (HICEs) voraussichtlich bis 2030 ein Volumen von 35 Milliarden $ zu erreichen.
Automobilhersteller experimentieren jetzt mit Wasserstoff‑Verbrennungstechnologie, doch der Fortschritt ist im Vergleich zu den Entwicklungen im EV‑Bereich relativ langsam. Die Branche muss zahlreiche Produktionshürden, insbesondere die Kosten, überwinden, sodass EVs vorerst den Verkehrssektor dominieren werden. Dennoch können HICEs in naher Zukunft ein wichtiger Bestandteil des Kraftstoffmixes im Transportwesen werden.
Wasserstoff lässt sich als Kraftstoff einfach nicht ignorieren, und HICEs haben eine entscheidende Rolle in der Zukunft des nachhaltigen Transports. Damit dies möglich wird, sind jedoch staatliche Unterstützung und technologische Fortschritte erforderlich.
Aktuelle Entwicklungen im Bereich der HICEs
In den letzten zehn Jahren ist die Dekarbonisierung weltweit für Länder und Unternehmen von enormer Bedeutung geworden. Der Verkehrssektor ist dabei besonders kritisch, da er 10 % der globalen Treibhausgasemissionen verursacht.
Laut den Pariser (COP21) und Glasgower (COP26) Abkommen muss die Antriebstechnologie im Verkehr CO2 schnell reduzieren. Dafür benötigen wir eine effektive Lösung, aber es gibt keine, die alle Antworten liefert. Eine Mischung verschiedener Lösungen kann die Probleme tatsächlich effektiver mildern. Dazu gehören Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren, die nur minimale Änderungen an der aktuellen Fahrzeugarchitektur erfordern.
Als logische und hocheffiziente Option gewinnen HICEs zunehmend an Zugkraft und Fortschritt. Kürzlich haben Forscher der University of Alberta ein neues Beschichtungsmaterial entwickelt, das für Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren vielversprechend aussieht. Die neue komplexe konzentrierte Legierung AlCrTiVNi5 weist überlegene thermomechanische Eigenschaften auf, darunter geringe Ausdehnung, hohe Stabilität, Bruchtoleranz und die Fähigkeit, hohen Temperaturen sowie Hochdruckumgebungen standzuhalten.
Im Vergleich zur neuen Beschichtung mit bereits kommerziell erhältlichen Legierungen stellten die Forscher fest, dass AlCrTiVNi5 “korrosiven Umgebungen bis zu 100 Stunden bei 900 °C standhält” und “alles andere auf dem Markt derzeit übertrifft”, wodurch die Tür für die Weiterentwicklung der Wasserstoffwirtschaft geöffnet wird.
Anfang dieses Monats kündigte Toyota außerdem an, dass es im Bestreben, die Wasserstoffverbrennung machbar zu machen, einen Verbrennungsmotor entwickelt hat, der mit synthetischem Kraftstoff, Biodiesel, Benzin und Wasserstoff betrieben werden kann. Um dies zu erreichen, nutzten Ingenieure einen 1,6‑Liter‑Motor aus dem Rennwagen GR Corolla, was dem Unternehmen half, die Herausforderung der thermischen Effizienz zu meistern. Die neuen Motoren sind 10 % bis 20 % kleiner, aber leistungsstärker.
Laut Toyota‑CEO Koji Sato ist Wasserstoff die Zukunft, und das Unternehmen ist:
“Entwicklung dieses Motors im Rahmen seiner Bemühungen, CO₂‑Neutralität zu erreichen und die Nutzung von Wasserstoff als saubere und erneuerbare Energiequelle zu fördern.”
Diese Entwicklung rund um Wasserstoff findet weltweit statt. Ende letzten Jahres stellte Indiens größtes Automobilunternehmen, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), F&E‑Einrichtungen vor, die eine Motortestzelle für die Entwicklung von HICEs sowie die Infrastruktur für Lagerung und Betankung von Wasserstoffkraftstoff umfassen.
In diesem Jahr kooperierte Tata mit dem US‑Giganten Cummins für eine Fertigungsanlage in Indien, die HICEs für mittel- und schwere Nutzfahrzeuge produziert. Dies folgt auf das Joint‑Venture, das im letzten Jahr ankündigte, 424 Millionen $ in die Fabrik zu investieren, um jährlich 4.000 H2‑Motoren und 10.000 Batteriesysteme zu produzieren.
Unternehmen, die Wasserstoffverbrennungsmotoren entwickeln
Werfen wir nun einen Blick auf einige große Namen in diesem Sektor:
#1. Honda
Dieser Automobilhersteller ist aktiv in Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren über ein gemeinsames Projekt namens HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) mit Toyota, Yamaha, Kawasaki und Suzuki engagiert, um das Potenzial von HICEs zu erforschen. Anfangs skeptisch gegenüber der Machbarkeit der Technologie entwickelte Honda den ‘HySE‑X1’, der einen 1,6‑Liter‑Vierzylinder‑Wasserstoffmotor beinhaltet.
HMC Preisdiagramm
Honda ist ein Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 56,188 Mrd. $, dessen Aktien derzeit bei 31,93 $ gehandelt werden, ein Anstieg von 3,25 % im Jahresverlauf. Der Umsatz des Unternehmens (TTM) beträgt 130 Mrd. $, das EPS (TTM) liegt bei 7,37, das KGV (TTM) bei 4,33 und die Dividendenrendite beträgt 4,19 %.
#2. Toyota
Dieser in Japan ansässige Automobilhersteller nutzt seit vielen Jahrzehnten Wasserstoff als Kraftstoff. Zu seinen Wasserstoff‑Verbrennungfahrzeugen gehören der GR Corolla H2 und der GR Yaris H2. Toyota nahm außerdem an den Super‑Taikyu‑Ausdauerrennen teil, um die Fahrzeugentwicklung zu beschleunigen. Erst diese Woche präsentierte Toyota seine neuen Motoren, die mit verschiedenen Kraftstoffen, einschließlich Wasserstoff, betrieben werden können.
TM Preisdiagramm
Toyota ist ein Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 314 Mrd. $, dessen Aktien derzeit bei 198,86 $ gehandelt werden, ein Anstieg von 8,53 % im Jahresverlauf. Der Umsatz des Unternehmens (TTM) beträgt 287 Mrd. $, das EPS (TTM) liegt bei 24,18, das KGV (TTM) bei 8,22 und die Dividendenrendite beträgt 2,45 %.
Fazit
Es ist klar, dass Wasserstoff‑Verbrennungsmotoren große Vorteile in Bezug auf reduzierte Umweltauswirkungen, Nutzung vorhandener Infrastruktur und hohe thermische Effizienz bieten. Aber natürlich können HICEs allein keinen nachhaltigen Transport gewährleisten. Vielmehr können wir durch eine Mischung verschiedener Lösungen eine sicherere Umwelt erreichen. In dieser Mischung können HICEs jedoch eine entscheidende Rolle spielen und den Übergang von fossilen Brennstoffen unterstützen.
Jetzt, nach Jahrzehnten unverwirklichten Potenzials, könnten wasserstoffbetriebene Fahrzeuge endlich ins Rampenlicht rücken, dank erneuertem Interesse, privaten Investitionen, staatlicher Unterstützung und technologischen Fortschritten.
