Ab 2035 sollen nur noch CO2-neutrale Pkw und leichte Nutzfahrzeuge zugelassen werden. Das betrifft beispielsweise auch Lkw, Traktoren und Baumaschinen. Für einen Technologiewechsel im Fahrzeugbau ist dies eine durchaus herausfordernde Frist. Es gibt viele Ansätze, wie Diesel ersetzt werden kann. Cummins und EDAG haben einen Demonstrator entwickelt, der eine Brücke zwischen alter und neuer Technologie aufzeigt: Den Umbau bestehender Fahrzeugplattformen zum Wasserstoff-Verbrenner.
Motorisierte Straßen- und Nutzfahrzeuge lassen sich grob in zwei Klassen einteilen: Verbrenner- und Elektro-Fahrzeuge. Der Verbrenner setzt bislang in der Regel auf fossile Treibstoffe. Dazu zählen neben Benzin und Diesel auch Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG) und Autogas (Liquefied Petroleum Gas, LPG). Bei den Elektrofahrzeugen stammt die Energie entweder aus Akkus (Battery Electric Vehicle, BEV) oder einer Brennstoffzelle (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV), letztere üblicherweise auf Wasserstoffbasis. Daneben gibt es diverse Hybrid-Formen, und es wird an Varianten geforscht, beispielsweise einer Methanol-Brennstoffzelle. Werden BEV mit Ökostrom geladen oder FCEV mit „grünem“ Wasserstoff betankt, der mittels regenerativer Energie gewonnen wurde, dann bewegen sie sich klimaneutral fort.
Die wichtigste Voraussetzung dafür ist die Verfügbarkeit von Wasserstoff. Stand heute stammen erst rund fünf Prozent des genutzten Wasserstoffs aus der Elektrolyse mittels Ökostrom [https://www.wirtschaftsdienst.eu/inhalt/jahr/2021/heft/1/beitrag/potenzial-gruener-wasserstoff-langer-weg-der-entwicklung-kurze-zeit-bis-zur-umsetzung.html]. Doch das soll sich bald ändern. Sowohl auf nationaler wie auch auf EU-Ebene existieren Wasserstoff-Strategien innerhalb der Pläne zur Energiewende, die einen schnellen Hochlauf des Marktes vorsehen. H2 als Energieträger soll künftig ganz verschiedene Aufgaben übernehmen: Strom aus Sonne und Windkraft speichern, Öl und Kohle in der chemischen Industrie und bei der Stahlerzeugung ersetzen, und auch als Treibstoff dienen, etwa bei der Eisenbahn und im Schwerlast-Fernverkehr.
Auch beim Verbrenner gibt es zahlreiche Bemühungen zum nachhaltigen Betrieb. So sind bereits CNG-Varianten auf dem Markt, die teilweise oder vollständig auf Biogas beruhen. Heiß diskutiert werden auch eFuels – synthetische, CO2-neutral hergestellte flüssige Brennstoffe, die Benzin, Diesel oder Kerosin ersetzen sollen. Die Herausforderung besteht darin, dafür zu sorgen, dass diese Kraftstoffe in naher Zukunft weitgehend verfügbar und erschwinglich sind, um die weitere Reduzierung der Kohlenstoffemissionen zu unterstützen. Dies ist auf Märkten wie dem der Luftfahrt notwendig, die per Gesetz dazu verpflichtet sind, bis 2025 mindestens zwei Prozent nachhaltigen Treibstoff (Sustainable Aviation Fuel, SAF) beizumischen, bis 2030 sogar fünf Prozent [https://www.efuel-alliance.eu/de/forderungen/luftfahrt]. Im Rennsport soll der Anteil von eFuels in den kommenden Jahren ebenfalls ausgebaut werden. In der Schifffahrt könnte beispielsweise Ammoniak aus grünem Wasserstoff das bisher verwendete Schweröl ersetzen.
H2ICE als weitere Alternative
Nun schickt sich eine weitere Technologie an, die Verbrenner-Technologie mit Nachhaltigkeitszielen zu vereinen, nämlich H2ICE (Internal Combustion Engine). Dabei wird Wasserstoff nicht in einem chemischen Prozess zur Stromgewinnung genutzt, sondern in einem Antriebsaggregat gezündet, ähnlich wie beim Otto-Zyklus mit Zündkerze. Insbesondere für Nutzfahrzeuge, wie in der Logistik, der Landwirtschaft oder beim Bau, verspricht der H2-Verbrennermotor beim Einsatz von grünem Wasserstoff erhebliche Vorteile auf dem Weg zu einer CO2-neutralen Mobilität.
Allem voran ist die Integration in bestehende Fahrzeugplattformen sehr viel einfacher als ein Elektrofahrzeug von Grund auf neu zu entwickeln. Das spart Entwicklungskosten und ermöglicht einen schnelleren Markteintritt. Beim Anwender können wesentliche Teile der Wartungs- und Instandhaltungsprozesse unverändert weitergeführt werden.
Mercedes-Truck als Wasserstoff-Verbrenner
Wie die technische Umsetzung eines Wasserstoff-Verbrenners in einem bestehenden Fahrzeugkonzept in der Praxis aussehen kann, präsentierte Cummins auf der IAA Transportation 2022 [https://www.iaa-transportation.com/de/besucher] in Hannover. Hier war ein umgerüsteter Mercedes Benz Atego als Demonstrationsobjekt zu besichtigen.
Der US-amerikanische Hersteller von Diesel- und Gasmotoren hatte Ende 2021 angekündigt, auf Basis eines mittelschweren 6,7-Liter- und eines schweren 15-Liter-Motors wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren zu entwickeln. Neben vielversprechenden Anwendungsfällen Batterie-elektrischer und Brennstoffzellen-elektrischer Antriebsstränge bietet die Kombination von grünem Wasserstoff mit der bewährten Technologie von Verbrennungsmotoren eine wichtige Ergänzung für zukünftige emissionsfreie Lösungen, so das Unternehmen. Cummins hat sich zum Ziel gesetzt bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen.
Die Entwicklung fokussiert sich auf mittelschwere Lkw wie Lieferwagen sowie auf landwirtschaftliche und bauliche Produkte wie Bagger und Radlader. Die neue 15-Liter-H2-Plattform zielt auf leistungsfähige schwere Lkw für den Fernverkehr ab.
Königsdisziplin Integration
Die Entwicklung des Motors durch Cummins ist jedoch nur die halbe Miete. Hinzu kommt die Integration der gesamten Wasserstoff-Versorgung, vom Tankanschluss über die Speicher bis zum Aggregat, unter Einhaltung sämtlicher vorgeschriebener Sicherheitsnormen, und der Einbindung in die Fahrzeugsteuerung. Diesen Part übernahm die EDAG-Gruppe, die das Know-how für alle relevanten Technologien – darunter eben auch Wasserstoff – und sämtliche anfallende Aufgaben vereint.
Zahlreiche Anforderungen mussten im Rahmen des Projektes unter einen Hut gebracht werden. Zum einen musste sichergestellt werden, dass der H2ICE-Antriebsstrang in denselben Bauraum passt wie sein Dieseläquivalent, so dass die Atego-Plattform ihre Flexibilität nicht verliert, die zahlreiche verschiedene Aufbauten ermöglicht. Ein weiterer Punkt war die Sicherheit, insbesondere im Fall von Crashs. Hier konnte EDAG sein umfangreiches Know-how in Sachen Simulationen nutzen, um die Eigensicherheit der Wasserstoff-Installation zu gewährleisten. Gleichzeitig musste sichergestellt sein, dass beispielsweise die Ventile und Leitungen zwar geschützt, aber auch für Service-Fälle zugänglich sind. Auch Beschaffung und Produktauswahl waren ein wichtiger Aspekt, da im Wasserstoff-Bereich oft neue Anbieter zu finden sind, deren Komponenten zunächst auf Funktionalität und Zuverlässigkeit geprüft werden müssen.
Heraus kam ein Demonstrator für eine modulare Plug- & Play-Lösung, die sich schnell und einfach integrieren lässt. Ein zentrales Element sind dabei die von NPROXX selbst entwickelten und von EDAG montierten und getesteten Wasserstoff-Tanks. Damit lässt sich die H2ICE-Technologie auf bestehende Plattformen übertragen und stellt damit eine optimale Brückentechnologie dar, um sich mit geringem Aufwand vom Diesel zu lösen.
Wenn Sie an weiteren Details interessiert sind oder über eigene Projekte sprechen möchten, wenden Sie sich an Dipl.-Ing. (FH) Martin Jatzek, Projektmanager in der Abteilung Energiesysteme und Antriebsstrang und Projektleiter des Demonstrationsfahrzeuges bei EDAG. Oder laden Sie sich hier unser Whitepaper „Wie aus einem Diesel-Truck von Mercedes ein CO2-neutraler Lkw wird“ herunter.
