Nfz-Wasserstoffmotoren mit Hochdruck-Direkteinblasung: Roadmap zu höchster Effizienz, Null CO₂ und Null Schadstoffausstoß

Eine der zentralen technischen Herausforderungen von HPDI-Wasserstoffmotoren – insbesondere im Vergleich zu Konzepten mit Fremdzündung – ist die Notwendigkeit einer Hochdruck-Wasserstoffversorgung. Für den Betrieb sind Einblasedrücke von über 250 bar erforderlich. Ohne eine Onboard-Kompression kann dies die Reichweite des Fahrzeugs erheblich einschränken. Zur Lösung dieses Problems werden derzeit mehrere innovative Konzepte entwickelt. Cespira entwickelt ein motorunabhängiges, hydraulisch angetriebenes Kompressorsystem, welches auf dem Lkw-Fahrgestell montiert wird. AVL hingegen hat einen kompakten, leichten Dreizylinder-Kompressor konstruiert, der direkt vom Motor angetrieben wird. Beide Technologien bieten vielversprechende Möglichkeiten, um HPDI-Wasserstoffanwendungen mit großer Reichweite zu realisieren und damit einen wichtigen Beitrag zur emissionsfreien Schwerlastmobilität zu leisten.

Wie bereits in dem von AVL veröffentlichten Fachartikel gezeigt wurde, können H₂-HPDI-Motoren für schwere Nutzfahrzeuge bei sorgfältiger Entwicklung effektive Wirkungsgrade von über 50 % erreichen. Diese Ergebnisse gehen einher mit einer hohen Leistungsdichte, ein entscheidender Faktor für die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit solcher Antriebssysteme im Schwerlastverkehr.

Da bei der Verbrennung von Wasserstoff naturgemäß kein CO₂ entsteht, sind die verbleibenden Kohlenstoffemissionen von H₂-HPDI-Motoren nahezu ausschließlich auf die geringe Menge an flüssiger Piloteinspritzung zurückzuführen, die erforderlich ist, um zündfähige Bedingungen für den Wasserstoffkraftstoff zu schaffen. Dennoch liegen die CO₂-Emissionen nachweislich unter dem EU-Grenzwert für Null-Emissions-Fahrzeuge (ZEV – Zero Emission Vehicles), da sie auf weniger als 3 Gramm CO₂ pro Tonnenkilometer in typischen Langstrecken-Lkw-Zyklen reduziert werden können.

Eine weitere Reduktion der CO₂-Emissionen kann durch drei zentrale Strategien erreicht werden, die auf dem Wiener Motorensymposium 2025 ausführlich diskutiert und im Manuskript der Veranstaltung beschrieben wurden. Erstens lässt sich der Verbrennungsprozess durch eine gezielte Optimierung der Pilot-Einspritzdüse, insbesondere hinsichtlich Anzahl und Durchmesser der Düsenlöcher, weiter verbessern. Zweitens kann die teilweise Substitution der Piloteinspritzung durch alternative Zündquellen zur Emissionsminderung beitragen. Drittens, und am einfachsten umsetzbar, ist die Substitution von fossilem Diesel als Zündvermittler durch HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) oder andere synthetische Dieselkraftstoffe. Diese Alternativen ermöglichen nicht nur eine zusätzliche CO₂-Reduktion von bis zu 90 % über die gesamte Well-to-Wheel-Bilanz, sondern bieten darüber hinaus auch betriebliche Vorteile.

Thermodynamische Energiewandler mit geschlossenem Kreisprozess (Closed-Cylce Engines oder Argon Power Cycle), die ohne Auspuffrohr auskommen, können künftig eine vielversprechende Ergänzung zu konventionellen Verbrennungsmotoren und elektrischen Antriebssystemen darstellen. Auch wenn das Konzept nicht völlig neu ist, besteht weiterhin erheblicher Forschungsbedarf, bevor solche Systeme marktreif werden. Die jüngsten Fortschritte bei HPDI-Wasserstoffmotoren sowie bei der Lösung der Herausforderungen rund um die Hochdruckversorgung verkürzen jedoch den Entwicklungsweg hin zu Verbrennungsmotoren mit geschlossenem Kreisprozess deutlich.

Eine zentrale Rolle in diesem Innovationsfeld spielt die Universität Lund, die federführend ein internationales Forschungskonsortium zur Entwicklung von Verbrennungsmotoren mit geschlossenem Kreisprozess (Closed-Cylce Engines oder Argon Power Cycle) aufbaut. In enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern wie AVL und Scania AB verfolgt das Konsortium das Ziel, die Grundlagen für eine schadstofffreie Energiewandlung zu schaffen. Im Mittelpunkt steht das von der schwedischen Energieagentur geförderte Projekt HECTIC („Highest Efficiency Hydrogen Energy Conversion with Lowest Negative Impact and Cost“), das sich der Erforschung hocheffizienter Wasserstoffsysteme mit minimalen Umweltwirkungen und geringen Kosten widmet. Das Projekt umfasst fortschrittliche experimentelle Arbeiten sowie eine globale Zusammenarbeit mit Schlüsselakteuren aus dem Verkehrs- und Energiesektor. Die noch offenen Entwicklungsfragen, die Gründe für die Wahl von Argon als Arbeitsgas sowie die Motivation für eine Intensivierung der Forschungsaktivitäten werden im weiteren Verlauf detailliert dargestellt.

Sobald die HPDI-Wasserstoffmotortechnologie vollständig ausgereift ist, wird der Übergang zu einem Verbrennungsmotoren mit geschlossenem Kreisprozess, der mit Hochdruckwasserstoff betrieben wird, technisch realisierbar. Solche Motoren benötigen lediglich Wasserstoff und Sauerstoff – beides Nebenprodukte der Wasserelektrolyse, die mithilfe erneuerbarer Energiequellen erzeugt werden können. Diese Konfiguration ermöglicht die Verbrennung von Wasserstoff mit reinem Sauerstoff in Argon als Arbeitsgas, wobei Wasser als einziges Reaktionsprodukt entsteht – vollständig frei von CO₂ und Schadstoffen. Eine potenzielle Motorarchitektur, abgeleitet von einem Hochleistungs-Dieselmotor, sowie ihr Funktionsprinzip werden im nachstehenden Video veranschaulicht. 

Für erste Bewertungen hat das Forschungskonsortium eine 13-Liter-Nfz-Motorenplattform ausgewählt, die sich aufgrund der geringeren Komplexität zunächst auf stationäre Anwendungen konzentriert. Mobile Anwendungen bleiben ein langfristiges Ziel, doch stationäre Prototypen bieten einen praktikablen Entwicklungspfad mit geringeren technischen Hürden.

Thermodynamische Simulationen zeigen, dass effektive Wirkungsgrade von etwa 60 % erreichbar sind – selbst unter Berücksichtigung der notwendigen Reduktion des Verdichtungsverhältnisses, um den spezifischen thermischen und mechanischen Anforderungen des Argon-Zyklus gerecht zu werden. Diese Prognosen berücksichtigen jedoch noch nicht die potenziellen Effizienzverluste durch Verunreinigungen im Arbeitsgas, etwa durch CO₂-Eintrag infolge von Ölverbrauch oder Wasserdampf bei unvollständiger Kondensation.

Ein herzlicher Dank gilt allen, die zur Entstehung dieser Veröffentlichung beigetragen haben – insbesondere SCANIA AB, Cespira, der Universität Lund, der University of New South Wales, allen Mitgliedern des HECTIC-Konsortiums sowie der Firma Tupy.