JCB erforscht Wasserstoff-Verbrennungsmotoren für Baumaschinen

Wenn wir darüber nachdenken, den Planeten umweltfreundlicher zu gestalten, stehen Sonnenkollektoren und Elektroautos oft im Vordergrund. Es gibt jedoch noch eine ganze Reihe anderer Dinge, die Kohlendioxid ausstoßen und ebenfalls beseitigt werden müssen. Dazu gehören Laubbläser, Rasenmäher und ja – große Geräte für Bau- und Landwirtschaftsarbeiten!

JCB stellt Dieselmotoren für große Maschinen her, möchte nun aber auf eine sauberere Zukunft umstellen. Zu diesem Zweck arbeitet das Unternehmen an wasserstoffbetriebenen Motoren für seine großen Maschinen.

Wasserstoff kann zur Stromerzeugung genutzt werden, indem er durch eine Brennstoffzelle geleitet wird, wo er dann zum Antrieb von Motoren verwendet werden kann. Unternehmen haben versucht, Wasserstoff auf diese Weise zum Antrieb von Autos und Lastwagen zu nutzen. JCB beschäftigte sich zunächst auch mit Wasserstoff-Brennstoffzellen, stellte jedoch fest, dass diese nicht in der Lage waren, die für Baumaschinen benötigte sofortige hohe Leistung zu liefern. Stattdessen begann das Unternehmen mit der Nutzung von Wasserstoff zur Verbrennung in ansonsten recht konventionellen Verbrennungsmotoren. Es ist ein Konzept, das auch andere Unternehmen erforscht haben, und Toyota untersucht die Technologie sogar im Rahmen eines Motorsportprogramms.

Wasserstoff ist als Kraftstoff nützlich, da seine Verbrennung sehr sauber ist. Was die direkten Produkte der chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff betrifft, ist Wasser das einzige Nebenprodukt. Natürlich führt die Reaktion bei der Verbrennung von Wasserstoff bei hohen Temperaturen in Luft zur Bildung einiger Stickoxide. Insgesamt sind die Emissionen der Wasserstoffverbrennung jedoch weitaus sauberer als die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Das liegt an der Abwesenheit von Kohlenstoff, was bedeutet, dass bei der Reaktion kein Kohlendioxid entsteht.

Aus diesem Grund hat JCB Wasserstoffverbrennungsmotoren als Möglichkeit zum sauberen Antrieb seiner Maschinen eingesetzt. Das Unternehmen hat einen wasserstoffbetriebenen 4,8-Liter-Vierzylindermotor entwickelt. Er ist in der Lage, die gleiche Leistung und das gleiche Drehmoment wie der ähnlich große Dieselmax 448-Motor des Unternehmens zu liefern, und wird voraussichtlich auch zu den gleichen Kosten erhältlich sein. Darüber hinaus besteht sogar die Möglichkeit, den sauberer verbrennenden Motor bei alten Maschinen nachzurüsten.

Für den Bau des Wasserstoffmotors begann JCB mit der unteren Hälfte des bestehenden Dieselmax-Modells. Die Ölwanne und der Zylinderblock entsprechen denen des dieselbetriebenen Modells, ebenso das Kühlsystem. Der Wasserstoffmotor verwendet außerdem weiterhin einen regulären Turbo mit variabler Geometrie. Oben ist der Motor jedoch ganz anders. Es gibt einen neuen Zylinderkopf und ein neues Einspritzsystem, das für die Einspritzung von Wasserstoffgas anstelle von Diesel ausgelegt ist. Auch der Motor musste auf Fremdzündung statt Kompressionszündung umgerüstet werden, da Wasserstoff für erstere am besten geeignet ist. Auch der Dieselkraftstofftank ist verschwunden und wurde durch fünf 1-kg-Speicherbehälter für Wasserstoffgas aus Aluminium und Kohlefaser ersetzt. .

Insbesondere kann ein mit Wasserstoff betriebener Verbrennungsmotor weitgehend auf die gleiche Weise funktionieren wie ein Benzinmotor mit Fremdzündung. Genauso wie ein Gasmotor auf den Betrieb mit Flüssiggas umgerüstet werden kann, lässt sich ein Motor auch auf den Betrieb mit Wasserstoff umrüsten, indem einfach die Einspritzdüsen ausgetauscht werden, allerdings mit geringerer Leistung aufgrund von Induktionsineffizienzen. Die Entwicklung eines Direkteinspritzmotors speziell für die Wasserstoffverbrennung kann dieses Problem jedoch umgehen und theoretisch einen Motor mit 20 % mehr Leistung als ein Benzinmotor ähnlicher Größe hervorbringen. Weitere Modifikationen zur Anpassung an den Wasserstoffantrieb, wie gehärtete Ventile und spezielle Zündkerzen, tragen zur Langlebigkeit und zur Verbesserung der Verbrennungsqualität bei. Dieselmotoren lassen sich nicht so einfach auf Wasserstoffantrieb umrüsten, da der gasförmige Kraftstoff nicht so gut für die Kompressionszündung geeignet ist. Wie JCB jedoch gezeigt hat, kann ein Wasserstoffmotor ähnlicher Größe bei richtiger Bauweise die Leistung und das Drehmoment eines Diesels erreichen und sogar grundlegende Komponenten gemeinsam nutzen.

Der Motor von JCB befindet sich noch in der Testphase. Ziel ist es, bis Ende 2023 mit der Vorproduktion des Motors für seine Bau- und Landwirtschaftsfahrzeuge zu beginnen. Obwohl Wasserstoff sauberer verbrennt als fossile Brennstoffe, stößt die Technologie dennoch auf einige Hürden für eine breitere Einführung.

Für Wasserstoff gibt es noch kein tragfähiges Verteilungsnetz, weder in Form von Fernleitungen noch in Form von Tankstellen für Verbraucher. Zu diesem Zweck hat JCB ein eigenes mobiles Betankungsfahrzeug entwickelt. Für Betreiber in der Landwirtschaft und im Baugewerbe ist dies genau das Richtige, da der Kraftstoff häufig zu den Maschinen geleitet wird und nicht umgekehrt. Im Vergleich zum Antrieb von Straßenfahrzeugen, bei denen die Besitzer erwarten, dass sie überall zu einer Tankstelle fahren können, stellt dies ein weitaus geringeres Problem dar.

Auch die Herstellung von Wasserstoff ist ein Problem. Es kann sauber hergestellt werden, indem erneuerbarer Strom verwendet wird, um Wasser in Wasserstoff aufzuspalten, wodurch sogenannter „grüner Wasserstoff“ entsteht. Ein Großteil des derzeit auf dem Markt befindlichen Wasserstoffs wird jedoch stattdessen chemisch aus Erdgas hergestellt, wodurch schädliche Kohlenstoffemissionen freigesetzt werden und sogenannter „grauer Wasserstoff“ entsteht. Einige Hersteller teilen die Differenz auf und speichern die Kohlenstoffemissionen, um sogenannten „blauen Wasserstoff“ herzustellen. Grundsätzlich gibt es jedoch einfach noch keine große erneuerbare Quelle für „grünen Wasserstoff“, die für den Antrieb von Wasserstofffahrzeugen bereit wäre. Somit verlagern Wasserstofffahrzeuge die Emissionen derzeit lediglich in die grauen Wasserstoffanlagen.

Das andere große Problem bei Wasserstoff-Verbrennungsmotoren ist die Effizienz. Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb haben einen Well-to-Wheel-Wirkungsgrad von nur etwa 20–25 %, was im Vergleich zu den 25–30 % bei Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen schlecht ist. Das liegt vor allem an den höheren Verlusten bei Verbrennungsmotoren im Vergleich zu Brennstoffzellen. Im Vergleich zu Batteriefahrzeugen sind die Verluste jedoch noch größer, da bei der Raffinierung und dem Transport von Wasserstoffkraftstoff viel Energie verloren geht. Ein vergleichbares Elektrofahrzeug könnte im Vergleich einen Wirkungsgrad von bis zu 80-85 % haben. Letztendlich ist ein mit Wasserstoff betriebenes Fahrzeug ungefähr so ​​effizient wie ein mit Diesel betriebenes Fahrzeug, allerdings mit dem Vorteil, dass es weitaus geringere Emissionen verursacht.

Alles in allem muss nahezu jede Maschine, die fossile Brennstoffe verbrennt, auf eine sauberere Betriebsmethode umgestellt werden, wenn die Welt einen Netto-CO2-Ausstoß von Null erreichen soll. Die Forschung von JCB in den letzten Jahren verfolgt genau dieses Ziel und verdient Anerkennung.

Gleichzeitig ist klar, dass noch weitere Hürden zu überwinden sind, bevor die Welt der Bau- und Landmaschinen als völlig sauber und umweltfreundlich bezeichnet werden kann. Für Maschinen, die stundenlang schwere Arbeiten verrichten, ist der Elektroantrieb möglicherweise noch keine Option. In diesen Fällen könnte die Wasserstoffverbrennung eine praktikable Technologie sein, um sie zwischenzeitlich zu beseitigen. Allerdings muss die Produktion und Verteilung von sauber gewonnenem Wasserstoff vorhanden sein, damit sich das Streben lohnt. JCB hält seinen Teil der Vereinbarung aufrecht, und die Wasserstoffversorgung muss aufholen, um das Rätsel zu lösen.