Wasserstoff als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe

Bei der Diskussion um neue Energieformen, Energiesteuer und alternative Antriebskonzepte stellt sich die Frage, ob neue Verfahren zur Energieerzeugung bereits vorhanden sind und ob diese in Konkurrenz mit herkömmlichen Antriebsarten treten könnten. Heute gängige Kraftstoffe auf Erdölbasis (Benzin bzw. Diesel) dezimieren die natürlichen Ressourcen und erzeugen darüber hinaus Schadstoffe, die nachteilig für Mensch und Natur sind. Energiespeicher für Fahrzeugantriebe werden jedoch bis auf weiteres notwendig sein, um den Personen- und Gütertransport zu Land, zu Wasser und in der Luft zu ermöglichen.
Während stets an der weiteren Optimierung der herkömmlichen Antriebsarten gearbeitet wird, wird jedoch deutlich, dass es bei der Verbesserung der angewandten Techniken und dem damit verbundenen Heraufsetzen der Wirkungsgrade Grenzen gibt. Nach Expertenmeinung könnte der Benzinverbrauch der Neuwagenflotten in den nächsten zehn Jahren um 30% reduziert werden. Der Schadstoffausstoß würde damit zwar verringert, aber nicht völlig eingestellt, die natürlichen Ressourcen weiter reduziert. Es bleibt folglich die Notwendigkeit, nach anderen praktikablen Möglichkeiten und neuen Techniken in diesem Bereich zu suchen.

Autorentext

Der Buchautor Dipl.-Ing. Sven Geitmann, geb. 1970, studierte an der Technischen Universität Berlin Maschinenbau. Bereits während des Studiums beschäftigte er sich intensiv mit alternativen Energien - unter anderem mit der Umrüstung von Erdgas-Fahrzeugen - und veröffentlichte 1998 seine erste Arbeit zum Thema "Wasserstoff". Im Herbst 2000 schloss er das Studium mit seiner Diplomarbeit über den Einsatz von Flüssiggas in Fahrzeugen bei niedrigen Temperaturen erfolgreich ab. Nach der Hochschul-Ausbildung arbeitete er bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin an einer internationalen Studie über die Sicherheit des Kraftstoffsystems von wasserstoffbetriebenen Flugzeugen.

Leseprobe
Textprobe:
Kapitel 6.1.1, Motorentechnik:
Betrachtet man den geschichtlichen Verlauf der Technikentwicklung von Wasserstoff - von der Namensgebung durch Lavoisier bis hin zu heutigen Wasserstoffflugzeugen oder Brennstoffzellenautos - wird deutlich, daß die Idee von einer auf Wasserstoff basierenden Energieversorgung bereits über hundert Jahre alt ist (s. Kap. 3 Geschichte).
Bis heute gibt es diverse Projekte, bei denen Wasserstoff in Autos (Pkw und Lkw), Bussen und Flugzeugen eingesetzt wird. In den USA befindet sich ein Brennstoffzellenantrieb für Lokomotiven in der Entwicklung. Auch die Nutzung in Schiffen ist vorstellbar.
Für Fahrzeugantriebe mit Wasserstoff kommen grundsätzlich zwei Konzepte in Frage: der Verbrennungsmotor und die Brennstoffzelle.
Verbrennungsmotor:
Der Betrieb eines herkömmlichen Hubkolbenmotors ist durchaus mit Wasserstoff möglich, und diese Technik wird bereits angewandt. Anhand der unten erwähnten Vor- und Nachteile sollen im folgenden die dabei auftretenden Schwierigkeiten sowie mögliche Abhilfen aufgezeigt werden.
Vorteile:
V-1: Umweltverträglichkeit.
V-2: Extreme Abmagerungsfähigkeit eines Wasserstoff/Luft-Gemisches bedeutet geringerer Kraftstoffverbrauch.
Nachteile:
N-1: Unregelmäßige Verbrennungsabläufe durch:
N-1.1: Rückzündung in der Ansaugphase.
N-1.2: Glühzündung in der Kompressionsphase.
N-1.3: klopfende Verbrennung.
N-1.4: Wasser-Anlagerungen an der Zündkerze beim Kaltstart.
N-2: Geringe Leistungsdichte infolge von Liefergradverlusten.
N-3: Schlechte Schmiereigenschaften von Wasserstoff.
N-4: Hoher Aufwand für Flüssigwasserstoff-Förderpumpe und die Einspritzelemente.
V-1: Auf die gute Öko-Bilanz, den ersten und wichtigsten Vorteil von wasserstoffbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen, wurde bereits in Kapitel 4 eingegangen.
Nochmals erwähnt sei, daß die Wasserstoffverbrennung ohne die Erzeugung von CO2 geschieht, was kein anderer Kraftstoff kann. Es fallen lediglich Stickoxidemissionen an. Die noch zu lösende Aufgabe ist der Konflikt zwischen hoher Leistungsdichte und Vermeidung von Stickoxidemissionen.
Um der Forderung nach günstigem Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig niedriger Stickoxidemission nachkommen zu können, ist es notwendig, daß im unteren Teillastbereich der Motor mit einer konstanten Luftzahl von = 3,0 und zur Vollast hin mit variablem , entsprechend der angeforderten Leistung, betrieben wird.
V-2: Die "extreme Abmagerungsfähigkeit" eines Gemisches bedeutet, daß ein Motor nach dem Magerkonzept ausgelegt ist. Dies ist der Fall, wenn die Luftzahl 1,5 ist, was einem Kraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis von