Fortschritte beim Wasserstoff-Verbrennungsmotor auf gutem Weg
Es wird prognostiziert, dass in etwa zehn Jahren nachhaltig produzierter Wasserstoff weit verbreitet und leicht zugänglich sein wird. Dies bietet spannende Perspektiven für die Zukunft des Verbrennungsmotors. NPS Driven engagiert sich voll und ganz für das Energiesystem des 21. Jahrhunderts, in dem Wasserstoff eine Schlüsselrolle spielen wird.
Durch den Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff in einem bewährten technischen Konzept wird eine nachhaltige Alternative für Kunden geschaffen, die derzeit Dieselmotoren nutzen. Der Umstieg auf Wasserstoff-Verbrennungsmotoren stellt eine schnell umsetzbare Lösung dar, die nur geringe zusätzliche Schulungen und Anpassungen erfordert. Im Rahmen einer staatlich geförderten Initiative übernimmt NPS Driven die Leitung des GTD-H-Projekts, das darauf abzielt, herkömmliche Dieselmotoren auf Wasserstoffbetrieb umzurüsten.
Es wird erwartet, dass diese Motoren zwischen 2025 und 2030 alltagstauglich werden.
Erfahrungen mit LPG und CNG als Basis für Wasserstofftechnologie
NPS Driven, Lumipol und TNO setzen sich bereits seit Langem für die Reduktion von Abgasemissionen ein. In einem früheren Projekt haben Mitarbeitende von NPS Driven die Nutzung von LPG und CNG als Kraftstoffe für Dieselmotoren vorangetrieben. Dieses erfolgreiche Vorhaben brachte nicht nur wertvolle Erkenntnisse, sondern auch mehrere Patente hervor, die nun eine solide Grundlage für die Entwicklung eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors bilden. Damals durchgeführte Experimente zur Wasserstoffeinspritzung lieferten vielversprechende Ergebnisse, doch der Bedarf an Wasserstoff und seine Verfügbarkeit waren noch unklar. Die damals gewonnenen Erfahrungen verschaffen NPS Driven heute einen wichtigen Vorteil bei der Entwicklung eines Schwerlastmotors, der mit Wasserstoff betrieben wird und äußerst geringe Emissionen aufweist.
Umbau eines Dieselmotors auf Wasserstoffbetrieb
Die optimale Wasserstoffverbrennung erfordert einige innovative Anpassungen. Die Einspritztechnologie, die im Dieselbetrieb durch Kompression hohen Druck im Brennraum erzeugt, ist Autofahrern und Mechanikern vertraut. In dem modifizierten Motor arbeiten die Ventile weiterhin wie gewohnt, um Luft durch das Öffnen und Schließen einströmen zu lassen. Anders als beim Dieselbetrieb wird jedoch nach der Brennstoffzufuhr ein Zündfunke benötigt, um die Verbrennung einzuleiten.
SparkMap:
Figure 1:
Die Zündkarte eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors definiert den Kurbelwinkel, bei dem das Wasserstoff-Luft-Gemisch gezündet wird. Der Winkel hängt von der Motordrehzahl und dem Kraftstofffluss ab.
Für die Verbrennung in einem Motor muss Wasserstoff in gasförmiger Form präzise dosiert werden. Computertechnologie ist für diese erforderliche Präzision unverzichtbar. Mit CNG wurde dies bereits erreicht, und Wasserstoff ist der offensichtliche Kandidat für den nächsten Fortschritt. Technisch gesehen ist der Übergang von CNG zu Wasserstoff jedoch nicht einfach, da die beiden Brennstoffe unterschiedliche Verbrennungseigenschaften aufweisen und jeweils ihre eigenen Herausforderungen mit sich bringen.
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Figure 2:
Die Einspritzdauer eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors während dreier Übergangslaststufen. Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff muss ein größeres Kraftstoffvolumen eingespritzt werden, was ein längeres Einspritzfenster erfordert.
Um einen Dieselmotor für den Betrieb mit Wasserstoff zu modifizieren, muss das Verdichtungsverhältnis im Brennraum verringert werden. Dafür haben wir die Kolben neu gestaltet und speziell für die Wasserstoffverbrennung optimiert.
Zusätzlich haben wir den Zylinderkopf angepasst und Zündspulen sowie eine Kraftstoffleiste integriert, um eine effiziente Verbrennung zu gewährleisten. Das Ergebnis ist ein Umrüstsystem, das einsatzbereit ist.
Dank der weiten Entzündungsgrenzen von Wasserstoff kann der Motor sowohl mit sehr mageren als auch sehr fetten Gemischen betrieben werden. Dieses breite Zündfenster ermöglicht eine Leistungsregelung über die Menge des eingespritzten Kraftstoffs – ähnlich wie beim Dieselmotor.
Die hohe Diffusionsrate von Wasserstoff sorgt dafür, dass er sich schneller in der Luft verteilt als Benzin oder Diesel, was eine homogenere Mischung aus Kraftstoff und Luft zur Folge hat. Die hohe Flammgeschwindigkeit begünstigt zudem, dass Wasserstoffmotoren näher am thermodynamisch idealen Motorzyklus arbeiten und dadurch effizienter laufen.
Die schnelle Verteilung von Wasserstoff in der Luft bei einem Leck macht ihn zudem sicherer in der Anwendung, da er sich rasch verflüchtigt.
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Figure 3:
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors während zweier Übergangslaststufen. Das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis beträgt 34. Aufgrund der weiten Entzündungsgrenzen (4 % – 74 %) ist es möglich, den Motor sehr mager oder sehr fett laufen zu lassen.
Markteinführung des Wasserstoffmotors im Jahr 2025
Die ersten Wasserstoff-Verbrennungsmotoren laufen bereits erfolgreich in Laborumgebungen, und der erste Praxistest ist für Anfang 2025 geplant. NPS Driven rechnet damit, diese Motoren Ende 2025 als Alternative zu Dieselmotoren in Generatoren auf den Markt zu bringen. Diese Anwendung lässt sich schnell umsetzen, da Generatoren in einem begrenzten Betriebsspektrum bei gleichbleibender Motordrehzahl arbeiten.
NPS Driven und TNO testen Motoren mit reinem Wasserstoff, wobei der Motor auch mit weniger reinem Wasserstoff betrieben werden kann. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber der Brennstoffzellentechnologie dar, die eine hohe Wasserstoffreinheit voraussetzt.
Die Versorgung mit Wasserstoff stellt allerdings einige Herausforderungen dar, da es weitaus komplexer ist, Wasserstoff zum Einsatzort zu transportieren als herkömmliche Dieselkraftstoffe. NPS Driven arbeitet eng mit Partnern zusammen, um diesen Prozess für unsere Kunden so reibungslos wie möglich zu gestalten.
Diese Innovationen ziehen weltweit Aufmerksamkeit auf sich, und NPS Driven ist entschlossen, eine führende Rolle in diesem Bereich einzunehmen.
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H2 ICE ist kein Projekt. Es ist eine Mission
„Wir leihen uns die Erde von unseren Kindern, deshalb ist es unsere Aufgabe, Lösungen für Nachhaltigkeitsprobleme zu finden“, sagt Peter van der Heijden. „NPS Driven ist für den Vertrieb von Dieselmotoren sowie die Entwicklung und den Bau emissionsmindernder Katalysatoren bekannt. Gemeinsam mit Kollegen von TNO und DAF und unseren eigenen H2-Spezialisten arbeiten wir an der Realisierung einer sauberen Alternative zum herkömmlichen Verbrennungsmotor.“
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