Wasserstoffverbrennungsmotor

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Wasserstoffverbrennungsmotor, kurz Wasserstoffmotor, ist ein Verbrennungsmotor, der Wasserstoff als Kraftstoff nutzt und dessen chemische Energie durch Verbrennung in mechanische Arbeit umwandelt. Er kann als Hubkolben- oder Rotationskolbenmotor gebaut werden. Meist handelt es sich um einen Hubkolbenmotor nach dem Ottoprinzip; daneben gibt es Ausführungen nach dem Dieselprinzip oder dem Diesel-Zündstrahlverfahren. Der Wirkungsgrad liegt zwischen dem eines konventionellen Benzin-Ottomotors und dem eines Dieselmotors. Eine Serienproduktion entsprechender Fahrzeuge hat es bisher nicht gegeben.

Der Wasserstoffmotor darf nicht mit einem Brennstoffzellenfahrzeug verwechselt werden: In einer Brennstoffzelle wird die Energie des Wasserstoffs zunächst in elektrische Energie umgewandelt, die anschließend einen Elektromotor antreibt. Im Wasserstoffmotor wird der Kraftstoff dagegen direkt verbrannt.

Wasserstoffmotoren werden nach mehreren Merkmalen unterschieden: Otto-, Diesel- oder Diesel-Zündstrahlverfahren; Quantitäts- oder Qualitätsänderung des Drehmoments; äußere oder innere Gemischbildung; Hubkolben- oder Rotationskolbenbauart; tiefkalter Kraftstoff oder Kraftstoff bei Umgebungstemperatur; freisaugender oder aufgeladener Betrieb sowie homogene oder geschichtete Ladungsverteilung. Weil das Dieselverfahren noch keinen seriennahen Entwicklungsstand erreicht hat, ist vor allem die Unterscheidung zwischen Saugrohreinspritzung und Direkteinblasung wichtig.

Kraftstoffeigenschaften und Speicherung

Wasserstoff besitzt bezogen auf seine Masse einen hohen Energiegehalt. Seine Dichte ist unter Standardbedingungen mit 0,089882 kg·m⁻³ jedoch sehr gering, sodass sein Energiegehalt je Volumen niedrig ist. Der Heizwert eines Wasserstoff-Luft-Gemisches hängt deshalb von der Gemischbildung ab und kann über oder unter dem eines Benzin-Luft-Gemisches liegen.

Die Zündgrenzen reichen von 4 Vol-% Wasserstoff bei der Luftzahl λ = 10,1 bis 75,6 Vol-% bei λ = 0,13. Die Luftzahl beschreibt das Verhältnis der tatsächlich vorhandenen zur für eine vollständige Verbrennung benötigten Luftmenge. Wegen dieses großen Bereichs kann ein Motor theoretisch selbst bei λ ≈ 10 mit einem homogenen Gemisch laufen. Seine Last lässt sich durch Qualitätsänderung regeln, also durch Veränderung der eingespritzten Kraftstoffmasse ohne Drosselung der Ansaugluft. Im unteren Lastbereich kann Drosseln dennoch Leerlauf und Brenndauer verbessern; für einen Dreiwegekatalysator lässt sich damit λ ≈ 1 einstellen.

Ein stöchiometrisches Wasserstoff-Luft-Gemisch – also ein Gemisch mit genau der zur vollständigen Verbrennung nötigen Luftmenge – benötigt mindestens etwa 0,017 mJ Zündenergie, nur ein Zehntel der Energie eines Benzin-Luft-Gemisches. An anderer Stelle wird die erforderliche Energie als etwa 14-mal geringer angegeben. Die Selbstentzündungstemperatur beträgt 858 K beziehungsweise 585 °C. Die laminare Flammengeschwindigkeit erreicht bis zu 3 m·s⁻¹. Dadurch ist eine kurze, wirkungsgradgünstige Verbrennung möglich, allerdings belastet der schnelle Druckanstieg das Triebwerk stärker.

Wasserstoff wird verflüssigt bei −253 °C, komprimiert bei 300–700 bar oder gebunden, etwa in Metallhydriden oder flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC), gespeichert. Verdichtung oder Verflüssigung benötigt Energie in Höhe von etwa 15 % des Heizwerts. Flüssigtanks verlieren durch Isolationsverluste Wasserstoff: Beim BMW Hydrogen 7 werden nach 17 Stunden Standzeit etwa 10 bis 12 g pro Stunde abgegeben; ein halbvoller Tank ist dadurch innerhalb von 9 Tagen fast leer. Metallhydridtanks waren 2018 noch in Entwicklung, sind teuer und speichern nur etwa 2–3 Masseprozent. Durch Hydrierung organischer Stoffe wie N-Ethylcarbazol sind rechnerisch 14–20 Masseprozent möglich; im Labor wurden 6–8 Masseprozent erreicht.

Gemischbildung und Zündung

Bei der äußeren Gemischbildung wird gasförmiger Wasserstoff mit geringem Überdruck vor den Einlassventilen in das Ansaugrohr eingeblasen und dort mit Luft vermischt. Verwendet wird eine Mehrpunkteinspritzung; eine Zentraleinspritzung gilt als ungeeignet. Nach dem Verdichten wird das Gemisch durch einen Zündfunken fremdgezündet. Weil Wasserstoff Frischluft verdrängt, ist die Leistung bei stöchiometrischem Gemisch unter gleichen Bedingungen etwa 17 % niedriger als im Benzinbetrieb. Kryogener, also tiefkalter flüssiger Wasserstoff kühlt die Ansaugluft ab und verbessert den Füllungsgrad. Damit erreicht die Leistung das Niveau der Direkteinblasung und liegt etwa 15 % über dem Benzinbetrieb. Bei steigender Last drohen jedoch Rückzündungen durch heiße Stellen.

Bei der inneren Gemischbildung wird gasförmiger Wasserstoff unter hohem Druck direkt in den Verbrennungsraum eingeblasen. Die größere Füllung und die Abkühlung der Ladung erhöhen Leistung und thermodynamischen Wirkungsgrad. Möglich sind eine oder mehrere Einblasungen pro Arbeitsspiel. Eine frühe Einblasung im Saughub erzeugt eher ein homogenes Gemisch. Eine späte Einblasung in den Kompressionshub erfordert höheren Druck und führt wegen der kurzen Mischungszeit zu einer geschichteten Ladung. Sie verhindert Rück- und Frühzündungen im Ansaugtrakt und ermöglicht kurze Brenndauern sowie einen stabilen Lauf, kann aber einen steileren Druckanstieg als bei einem vergleichbaren Dieselmotor verursachen.

Herkömmliche Zündkerzen sind für reinen Wasserstoff ungeeignet. Das stöchiometrische Massenverhältnis von Wasserstoff zu Luft beträgt 1:34,2. Wegen der geringen Zündenergie und der heißen Verbrennung können sich Elektroden aufheizen und Glühzündungen auslösen. Wasserstoff-Zündkerzen besitzen daher abgerundete Kanten, Ecken und Spitzen sowie eine Mittelelektrode mit kleinem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. So wird Wärme schneller zum Zylinderkopf abgeführt. Ein früherer Zündwinkel und damit ein höherer Wirkungsgrad werden möglich.

Abgase und Dieselbetrieb

Da Wasserstoff keinen Kohlenstoff enthält, entstehen bei seiner Verbrennung theoretisch weder Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO₂) noch Kohlenwasserstoffe (HC). Durch kohlenstoffhaltiges Schmieröl treten diese Stoffe dennoch in Spuren auf. Die einzigen Schadstoffe in größeren Konzentrationen sind Stickstoffoxide (NOₓ).

Bei Saugrohreinspritzung hängen die NOₓ-Emissionen von Luftzahl und Verbrennungstemperatur ab. Mit steigender Luftzahl sinken Temperatur und Stickoxidbildung. Bei λ > 2,2 entstehen fast keine Stickoxide. Sinkt die Luftzahl, steigen die Emissionen stark an und erreichen bei λ = 1,3 ein Maximum; bei noch weiter sinkendem Luftverhältnis nehmen sie wieder ab. Bei Direkteinblasung kann eine späte Einblasung unter hoher Last die NOₓ-Bildung durch Gemischschichtung verringern. Unter niedriger Last kann sie dagegen Stickoxide in kraftstoffreichen Zonen eines insgesamt mageren Gemisches erzeugen.

Das Dieselverfahren ist schwierig, weil Wasserstoff erst bei 858 K beziehungsweise 585 °C selbst zündet. Im Brennraum wäre eine Verdichtungsendtemperatur von rund 1100 K beziehungsweise 827 °C erforderlich, die auch durch ein höheres Verdichtungsverhältnis nicht erreicht wird. Das nötige Vorwärmen der Ansaugluft ist schlecht regelbar und macht dieses Verfahren etwa für Personenwagen ungeeignet. Beim Diesel-Zündstrahlverfahren wird deshalb eine geringe Menge Dieselkraftstoff eingespritzt. Sie entzündet sich leichter und dient anschließend als Pilotzündung für den Wasserstoff.

Vorteile, Nachteile und Infrastruktur

Zu den Vorteilen gehört das grundsätzlich günstige Abgasverhalten: Hauptprodukte sind Wasserdampf und Stickoxide, deren Bildung über die Luftzahl beeinflusst werden kann. Der indizierte Wirkungsgrad – das Verhältnis der im Zylinder gewonnenen Arbeit zur zugeführten Energie – kann rund 35 % erreichen. Ein konventioneller Benzin-Ottomotor erreicht etwa 28 %, ein vergleichbarer Dieselmotor etwa 40 %. Für die Herstellung können potenziell wesentlich weniger kritische Rohstoffe und seltene Metalle benötigt werden als für batterieelektrische Fahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge.

Nachteilig sind die schlechten Schmiereigenschaften. Die Wasserstoffflamme reicht bis an die Zylinderwand, und Wasserstoff kann durch Hydrierung Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen langkettiger Schmierstoffe angreifen. Als möglicher Ausweg werden Keramikbeschichtungen und ungeschmierte Laufflächen mit Keramik als Laufpartner genannt. Außerdem ist der Wirkungsgrad niedriger als bei Brennstoffzellen: Diese erreichen 60 %, der zugehörige Elektromotor rund 80 %, sodass sich ein Gesamtwirkungsgrad von 48 % ergibt. Molekularer Wasserstoff muss zudem unter Energieverlusten hergestellt werden; deshalb erreicht ein batterieelektrischer Antrieb einen wesentlich höheren Gesamtwirkungsgrad.

Auch die Tankstelleninfrastruktur begrenzt den Einsatz. An deutschen H2-Mobility-Tankstellen dürfen nach den genannten Geschäftsbedingungen nur freigegebene Brennstoffzellenfahrzeuge tanken; Wasserstoffverbrenner sind ausdrücklich ausgeschlossen. Für Österreich nennt der Artikel zum 31. März 2025 insgesamt 62 zugelassene Wasserstoff-Pkw, davon fünf in Privatbesitz. OMV war dort der einzige Betreiber, schloss 2025 jedoch die Wiener Station und kündigte die Schließung der übrigen Stationen bis zum 30. September 2025 an. Diese Angaben sind im Artikel als möglicherweise nicht mehr aktuell gekennzeichnet.

Entwicklung und Beispiele

1807 setzte François Isaac de Rivaz erstmals einen Wasserstoff-Hubkolbenmotor in einem Automobil ein und meldete ihn zum Patent an. 1860 baute Étienne Lenoir das Hippomobile. Sein mit elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff betreibbarer Motor leistete 700 W bei 80 min⁻¹ und erreichte etwa 3 % Wirkungsgrad. Rudolf Erren rüstete 1938 Otto- und Dieselmotoren auf Wasserstoff um.

Ende der 1970er Jahre wurde der Suzuki „Musashi III“ mit einem Dreizylinder-Zweitaktmotor von 550 cm³ und einem 60-Liter-Flüssigwasserstofftank erprobt. Der Verbrauch betrug 15 Liter Wasserstoff je 100 km. Um 1980 testete die Sowjetunion einen Lada 1200 mit Benzin-Wasserstoff-Antrieb. MAN erprobte 1996 Stadtbusse, zunächst mit äußerer, später auch mit innerer Gemischbildung. BMW baute 2000 insgesamt 15 Exemplare des E38 750hL und 2007 100 Exemplare des BMW Hydrogen 7.

Deutz stellte 2021 einen Wasserstoffmotor vor und kündigte die Serienfertigung für 2024 an; zwei Motoren des Typs TCG 7.8 H2 wurden im Stadler-Prototyp RS Zero eingesetzt. Toyota zeigte 2021 wasserstoffbetriebene Rennwagen und Ende 2022 das Corolla Cross H2 Concept. JCB entwickelte von 2021 bis 2023 mit rund 100 Ingenieuren und etwa 112 Millionen Euro Aufwand den „AB H₂ JCB 448“. Bis April 2023 entstanden 50 Motoren für mittelgroße Bagger; Drehmoment und Leistung blieben mit dem zugrunde liegenden Dieselmotor vergleichbar. Kawasaki präsentierte 2024 einen Motorradprototyp. Ebenfalls 2024 zeigte MAN den hTGX mit einem 16-Liter-Sechszylindermotor, der auf der IAA Transportation den Truck Innovation Award erhielt.