DFG-Förderung für Ingenieurwissenschaften Welche Hürden bremsen Wasserstoffmotoren aus?

Die vier Universitäten Aachen, Darmstadt, Duisburg-Essen und Stuttgart untersuchen seit 2019, wie sich das Brennverfahren im Automotor optimieren lässt.

Während es in der ersten Förderperiode um konventionelle Benzin-Kraftstoffe ging, erforschen die Wissenschaftler nun Wasserstoff als alternativen Kraftstoff. Das Projekt ist in sieben Teilprojekte auf die Hochschulen verteilt. Zwei davon sind an der UDE, sie stellt mit Prof. Dr. Sebastian Kaiser zugleich den Projektsprecher.

Wasserstoffmotoren in Maschinen

Für kurze und mittlere Fahrstrecken im Auto eignen sich Batterie und Elektromotor als CO₂-freier Antrieb sehr gut. Für LKW und viele andere Maschinen wie Traktoren und Baumaschinen können Verbrennungsmotoren, die mit Wasserstoff betrieben werden, eine gute Alternative. Allerdings treten im Motorbetrieb zyklische Schwankungen auf, das heißt ungleichförmige Prozesse bei der Verbrennung.

„Bisher sind sie weder vollständig verstanden noch vorhersagbar. Die Entwicklungsingenieure haben gelernt, wie man damit umgeht, aber das geht auf Kosten der Effizienz“, erklärt Kaiser vom UDE-Institut für Energie- und Material-Prozesse (EMPI).

Klar ist, die Schwankungen beeinflussen etwa Fehlzündungen, unvollständige Verbrennung oder Klopfen im Motor. Kaiser und sein Team untersuchen, wie Ursachen und Auswirkungen der Schwankungen mit Wasserstoff als Kraftstoff aussehen. „Wir müssen die Methoden und Modelle, die wir für den Verbrennungsprozess bei Benzinern entwickelt hatten, deutlich verändern, denn die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Wasserstoff unterscheiden sich grundlegend von anderen Kraftstoffen“, so der UDE-Professor.

Aktuell untersucht seine Gruppe im Experiment mit optischen Messtechniken im Motorzylinder die Vermischung von Kraftstoff und Luft. Zusammen mit der Zündung ist dieser Prozess einer der wesentlichen Einflüsse auf zyklischen Schwankungen.

Variation der Bestandteile

Im zweiten Teilprojekt analysiert ein Team um UDE-Professor Andreas Kempf in Simulationen, wie sich zyklische Schwankungen und die Stabilität des Motorprozesses verändern, wenn die Bestandteile des Kraftstoffs variiert werden.

„Ziel unserer Projekte ist es, die irregulären Verbrennungsvorgänge und Schwankungen vorhersagen zu können. Dann könnten wir geeignete Gegenmaßnahmen entwickeln, um Wasserstoffmotoren in Effizienz und Zuverlässigkeit zu optimieren“, so Kaiser.