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Entwicklung eines Wasserstoffmotors

Nachgefragt: Wasserstoff

Prof. Dr.-Ing. Peter Charles aus dem Fachbereich Ingenieurwissenschaften arbeitet an einem Wasserstoffmotor.
Die Jade Welt (JW) hat nachgefragt…

JW: Lieber Herr Charles, Sie arbeiten an einem Wasserstoffmotor – müssen Sie da bei null anfangen oder können Sie einen normalen Brennstoffmotor umrüsten?

Charles: Eine sehr spannende Frage, da es ja bereits vor Jahren Verbrennungsmotoren gab, die mit Wasserstoff betrieben wurden. Diese Wasserstoffmotoren, beispielsweise 100 Fahrzeuge von BMW in 2007, hatten aber deutliche Defizite und in mehrfacher Hinsicht noch keine Serientauglichkeit. Zum einen zeigten die Motoren erhebliche Verschleißerscheinungen, gerade am tribologischen System - Kolben, Kolbenringe, Zylinderlaufbuchse – auch durch die reduzierte Leistungsfähigkeit des Motoröls, sodass eine Dauerfestigkeit dieser Motoren nicht gewährleistet werden konnte. Zum zweiten war die Leistungsdichte insgesamt damals noch unbefriedigend - relativ geringe Leistung bei großem Hubraum. Zum dritten sind heute die Anforderungen an die Schadstoffemissionen viel höher als damals. Nun ist die Entwicklung in den letzten Jahren von sogenannten Magergasmotoren weit fortgeschritten, sodass mit heutiger Technologie viele der damaligen Probleme zu lösen sind.

Unsere Kooperationen mit namenhaften Unternehmen, die sich mit dem Bau und auch der Zertifizierung von Motorenanlagen jeglicher Anwendungsgebiete beschäftigen, machen es für uns und unsere jungen motivierten Studierenden möglich, die aktuellen Entwicklungen mitzugestalten und den direkten Kontakt zur Industrie zu knüpfen. Und auch wenn wir mit unseren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten nicht ganz am Anfang anfangen müssen, erwarten uns heute ganz andere Herausforderungen, die wir aber bewältigen können.

Prof. Dr.-Ing. Peter Charles
Prof. Dr.-Ing. Peter Charles

Nachgefragt: Wasserstoff

In der neuen Serie „Nachgefragt“ interviewt die Redaktion der Jade Welt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Jade Hochschule zu aktuellen Themen. In den ersten Folgen geht es um das Thema „Wasserstoff“.

JW: Welche Herausforderungen müssen Sie bei der Umrüstung meistern?

Charles: Im ersten Schritt dieses kooperativen Projektes zur motorischen Wasserstoffverbrennung soll die Beimischung von Wasserstoff in einem Gasmotor untersucht und sukzessive prozentual erhöht werden. Insbesondere soll der Umfang eines Nachrüstsatzes definiert werden, um bestehende Bio- aber auch Erdgasmotoren im Feld für den Wasserstoffbetrieb umrüsten zu können. Hierbei müssen sich alle neuen am Projekt beteiligten Wissenschaftler sicher erst ausgiebig einarbeiten, indem sie eingehend verfügbare Literatur studieren, aber auch die Grundmodelle für die CFD-Simulationen,  wie zum Beispiel das Turbulenzmodell oder das Verbrennungsmodell wählen, um ein erstes gezieltes Design eines wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor entwickeln zu können. Im Rahmen der Fertigung der Gesamtanlage müssen eine Vielzahl geeigneter Werkstoffe für die Hauptbauteile wie unter anderem Kolben, Kolbenringe, Ventile inklusive Sitze und Führungen, Injektoren sowie die weiteren kraftstoffführenden Bauteile gefunden und untersucht werden. Ein weiterer wichtiger Baustein besteht aber auch in der Auslegung des Regelsystems für den Wasserstoffbetrieb. Hier haben wir eines der auf dem Markt führenden Unternehmen mit im „Boot“.

Die experimentellen Untersuchungen während der Inbetriebnahme des Versuchsstands an der Jade Hochschule sowie die Probeläufe und der Abgleich mit Simulationsdaten sind die Grundlage für die iterativen Optimierungen des Motors. Da sind dann alle Ergebnisse aus werkstofftechnischen Proben, unseren numerischen Strömungssimulationen und der einzelnen Probeläufe entscheidend für den weiteren Verlauf. Ziele hierbei sind sicher immer die Erlangung eines höchstmöglichen Gesamtausnutzungsgrades und der experimentelle Nachweis optimierter Betriebs- und Werkstoffparameter für den zukünftigen Betrieb des Motors mit 100 Prozent Wasserstoff.

JW: Wann können wir mit dem ersten Wasserstoffmotor rechnen und wie lange hält der?

Charles: Das Projekt selbst ist für einen deutlich längeren Zeitraum geplant. Der Betrieb des Motors mit bis zu 30 Prozent Wasserstoff stellt uns sicher allenfalls vor die Herausforderung der sicheren Aufbereitung, Lagerung und Eindüsung des Wasserstoffs in den Motor, die wir durch schon abgeschlossene aber auch laufende Masterarbeiten und Dissertationen fast vollständig gelöst haben. Dass wir erst sukzessive die Menge des eingedüsten Wasserstoffs erhöhen, ist vorerst kein Problem, da bisher noch keine nennenswerten Mengen an grünem Wasserstoff überhaupt für die Industrie verfügbar sind.

Bis zur endgültigen Marktreife und insbesondere einer ausreichenden Serientauglichkeit von Wasserstoffmotoren werden sicher noch einige Jahre vergehen. Der erste gefeuerte Betrieb ist für dieses Jahr geplant. Dann gilt es all die Forschungsfragen zur Optimierung der Gemischbildung, der Betriebsfestigkeit aller Komponenten zu klären, geeignete Schmieröle zu finden aber auch ungewollte Reaktionen wie die Vorentflammung in den Griff zu bekommen um schlussendlich einen serientauglichen Motor zu entwickeln, der dann hoffentlich so lange „hält“ wie die jetzigen Motoren.

JW: Wo sehen Sie Ihr Projekt im Zusammenhang mit der zukünftigen Energieversorgung?

Charles: Die sicher hohen und ambitionierten Vorstellungen, unsere zukünftige Energieversorgung in Deutschland vollständig durch regenerative Quellen zu decken, führt dazu, dass neue Wege gedacht und gegangen werden müssen. Hier ist die Rückverstromung mit Anlagen wie wir sie gerade an der Jade Hochschule in meinem Labor aufbauen sicher ein entscheidender Baustein, da gerade in den letzten Jahren durch den Abbau von Kohle- und Kernkraftwerken eine beachtliche Anzahl von vergleichbaren umrüstbaren Anlagen im Energienetz in den Betrieb genommen wurden, um die Netzstabilität auch mit den volatilen Erzeugungsanlagen sicherzustellen.

So zielen unsere Untersuchungen ganz besonders darauf ab einen dauerfesten und hoch flexiblen Motor zu gestalten, der nicht nur den hohen Anforderungen der zukünftigen Energieversorgung gerecht wird, sondern auch keine nennenswerten Abgase ausstößt und sich somit für eine „CO2-neutrale“ Rückverstromung perfekt eignet. Darüber hinaus kann diese Technologie nicht nur im Energiesektor, sondern zukünftig auch in dem Verkehrssektor zum Beispiel auf Schiffen, im Bahnverkehr oder in PKWs genutzt werden, da diese Sektoren ebenfalls einen nennenswerten Anteil an unserem so gern begrifflich verwendeten CO2-Ausstoß haben.

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