Wasserstoffautos mit Verbrennungsmotor: Eine sinnvolle Alternative zur Brennstoffzelle?

Wasserstoff im Auto muss nicht unbedingt auch Brennstoffzellentechnologie bedeuten: Einige wenige Autohersteller wollen den gasförmigen Energieträger in Verbrennungsmotoren statt in Brennstoffzellen für den Antrieb der Fahrzeuge nutzen. Sie können damit auf die mehr als hundertjährige Praxis im Bau von Kolbenmotoren zurückgreifen – eine Erfahrung, die der Brennstoffzellenentwicklung noch fehlt. Solche Motoren arbeiten zwar sehr effizient und können schon sehr bald auf den Markt kommen, doch liegt das Potenzial von Brennstoffzellen noch deutlich höher.

„Das Wasserstoffzeitalter hat begonnen“: Mit diesem Slogan wirbt BMW für seine Limousine 745h – eines der wenigen wasserstoffbetriebenen Autos weltweit, das mit einem Verbrennungsmotor und nicht mit einer Brennstoffzelle läuft. Die seriennahe Studie 745h hat zwei Tanks: einen Tank für Benzin und einen 140 Liter fassenden Tank für flüssigen Wasserstoff. Der 135 kW (184 PS) starke 8-Zylinder-Motor wird wahlweise von einem der beiden Kraftstoffe angetrieben.

Damit soll der Aktionsradius der Luxuslimousine unabhängig von der Entfernung zur nächsten Wasserstofftankstelle werden. Mit einer Wasserstofffüllung kommt das Fahrzeug rund 300 Kilometer weit, mit dem 88 Liter fassenden Benzintank 650 Kilometer – aber Benzin gibt es ja an jeder Ecke. Hier sieht BMW auch eine der großen Stärken des Konzepts: Während Brennstoffzellen auf Wasserstoff angewiesen sind, für den es noch keine Infrastruktur gibt, könnten Autos mit bivalenter Energieversorgung diese Schwierigkeiten umgehen. BMW will mit dem Wasserstoffmotor noch während des aktuellen Lebenszyklus seiner 7er-Reihe auf den Markt. „Deutlich vor 2008“ sollen die ersten Fahrzeuge verkauft werden, erläutert Daniel Kammerer, Pressesprecher des BMW Clean Energy Projects. Damit könnten solche Wasserstoffautos früher auf den Markt kommen als Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb.

Ein weiteres Argument für das Festhalten am Verbrennungsmotor sind die damit erreichbaren hohen Leistungen. Bei Tests im Prüfstand ergaben sich mit einem von BMW entwickelten Wasserstoff-Direkteinblasungsverfahren Leistungsdichten, die deutlich über denen moderner Benzinmotoren liegen. Auch die Gesamtleistung eines solchen Motors kann sehr hoch sein – für den durch PS-starke Limousinen bekannten Konzern ein wichtiges Kriterium. Da die meisten Teile des bivalenten Motors dem Benzin-Serienmotor entsprechen, sind die Kosten verglichen mit heutigen Brennstoffzellensystemen eher niedrig.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff in einem Kolbenmotor entsteht als Endprodukt Wasserdampf – wie in der Brennstoffzelle auch. Doch anders als bei der so genannten kalten Verbrennung in der Zelle können bei den hohen Temperaturen im Verbrennungsmotor Sauerstoff und Stickstoff miteinander zu den für die Umwelt problematischen Stickoxiden reagieren. Dieses Problem lasse sich jedoch durch geschicktes Motormanagement in den Griff bekommen, berichtet Daniel Kammerer. Dabei werden je nach der vom Motor benötigten Leistung entweder die Temperaturen unter dem kritischen Bereich gehalten, so dass Stickoxide erst gar nicht entstehen, oder es wird das hohe chemische Reduktionspotenzial des Wasserstoffs genutzt, der entstehende Stickoxide wieder zu Stickstoff und Sauerstoff reduziert.

Das Schadstoffproblem scheint also mit raffinierter Regelungstechnik beherrschbar – die physikalischen Grenzen des Verbrennungsmotors lassen sich jedoch nicht überlisten. Und genau da setzt die Argumentation der Entwickler von Brennstoffzellenfahrzeugen an: Im Verbrennungsmotor findet wie in allen Wärme-Kraft-Maschinen, die Wärme in mechanische Bewegung umwandeln, ein so genannter Kreisprozess statt. Für diese Prozesse gibt es einen bestimmten maximalen Wirkungsgrad. Bei einem Ottomotor liegt dieser theoretische Wert je nach den zugrunde gelegten Randbedingungen bei etwa 56 Prozent.

Brennstoffzellen sind hingegen keine Wärme-Kraft-Maschinen und gehorchen daher diesen
Gesetzen nicht. Ihr maximaler Wirkungsgrad liegt bei über 80 Prozent. Wie bei den Ottomotoren auch ist dies jedoch nur ein theoretischer Wert, denn Ohm’scher Widerstand und elektrochemische Prozesse in den Brennstoffzellenstacks reduzieren die nutzbare Leistung ebenso wie die für den Betrieb der Zelle nötigen Pumpen und anderen Peripheriegeräte. Auch wenn hier noch viel Entwicklungsaufwand nötig ist: Das Potenzial der Brennstoffzelle ist grundsätzlich höher.

Für die Entwickler von Brennstoffzellenfahrzeugen wie beispielsweise DaimlerChrysler ist dieses Potenzial das schlagkräftigste Argument: „Wenn wir schon nach einer Alternative suchen, dann wählen wir die mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad“, fasst Pressesprecherin Edith Meissner die Philosophie zusammen, die inzwischen die meisten Autohersteller verfolgen. Nach zahlreichen Versuchen mit Verbrennungsmotoren für Wasserstoff in den vergangenen Jahrzehnten konzentriert sich die Entwicklung bei der Wasserstofftechnologie seit einigen Jahren weltweit daher überwiegend auf Brennstoffzellen.

Neben den unterschiedlichen theoretisch erreichbaren maximalen Wirkungsgraden ist für den praktischen Betrieb der Fahrzeuge auch der effektive Wirkungsgrad im Fahrbetrieb von Bedeutung. Dabei können Brennstoffzellen noch einen weiteren Vorteil ausspielen: Sie erreichen ihren maximalen Wirkungsgrad im mittleren Leistungsbereich, während Verbrennungsmotoren die Energie des Brennstoffs unter Volllast am besten ausnutzen. Mit diesem Profil werden Brennstoffzellenantriebe den Anforderungen in einem Auto deutlich besser gerecht, da in der Praxis meist im geringen bis mittleren Leistungsbereich gefahren wird und selten die maximale Leistung gefordert ist.