JCB erreicht H2-Meilenstein

Bildtitel: Die mobile H2-Betankungsstation mit dem wasserstoffbetriebenen Teleskoplader und Bagger
Autor: Nicola Bottrell Hayward
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25. Mai 2023

JCB erreicht H2-Meilenstein

Der britische Land- und Baumaschinenhersteller JCB hat im MĂ€rz 2023 die Produktion seines fĂŒnfzigsten H2-Verbrennungsmotors bekanntgegeben. Dieser Meilenstein ist Ergebnis der KlimaschutzbemĂŒhungen des englischen Unternehmens. Die Motoren befinden sich derzeit noch im Vorserienstadium und werden aktuell fĂŒr weitere Tests und Entwicklungen verwendet. So wurden einzelne Aggregate bislang in Prototypen eines Baggerladers und eines Teleskopladers demonstriert und in einen Lkw eingebaut. Dass jetzt der fĂŒnfzigste Motor fertiggestellt wurde, ist insofern bemerkenswert, als das Unternehmen erst im Jahr 2020 seinen Fokus von Batterien und Brennstoffzellen abgewandt hat.

J.C. Bamford Excavators Limited, auch bekannt als JCB, wurde 1945 von Joseph Cyril Bamford in Staffordshire, England, gegrĂŒndet. Das Unternehmen befindet sich noch immer in Familienbesitz und wird vom derzeitigen Vorsitzenden Lord Anthony Bamford, dem Sohn des GrĂŒnders, geleitet. Das Unternehmen hat sich zu einem der weltweit grĂ¶ĂŸten Hersteller von Bau- und Landmaschinen entwickelt und verfĂŒgt ĂŒber 22 ProduktionsstĂ€tten auf vier Kontinenten.

Im Rahmen seiner DekarbonisierungsbemĂŒhungen investiert JCB 100 Mio. GBP in die Wasserstofftechnologie. Allerdings hatte das Unternehmen ursprĂŒnglich gar nicht vor, einen H2-Verbrennungsmotor zu entwickeln. ZunĂ€chst lag der Schwerpunkt auf der Effizienzsteigerung des Dieselmotors, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und die Vorschriften fĂŒr Auspuffemissionen zu einzuhalten. Doch die Kunden von JCB wollten mehr.

Elektrifizierung ab 2018

Im Jahr 2018 brachte JCB sein erstes elektrisches Produkt auf den Markt, einen Minibagger, und reagierte damit auf die Nachfrage der Kunden nach einer emissionsfreien Maschine, die in InnenrĂ€umen und lĂ€rmempfindlichen Stadtgebieten eingesetzt werden kann. Die Technologie wurde auf 14 Modelle ausgeweitet. Tim Burnhope, Chief Innovation and Growth Officer bei JCB, drĂŒckt es gegenĂŒber HZwei so aus: „Wir waren etwas naiv und dachten, wir könnten einfach alles mit Batterien ausstatten.“

WĂ€hrend kleine, kompakte Produkte im batterieelektrischen Format gut funktionierten, erfordere die Deckung des Leistungsbedarfs von mittelgroßen und schweren Maschinen bedeutend mehr KapazitĂ€t. Dies erhöhe das Gewicht und die Kosten der Maschine drastisch, wobei die Ladedauer die Arbeitszeit verringere. Die Schlussfolgerung: Batterien sind nicht skalierbar. JCB musste das Gewicht, die Kosten und die Ladezeit reduzieren.

Als Ersatz fĂŒr Diesel wurden daraufhin andere Kraftstoffe in Betracht gezogen, nĂ€mlich Biomethan, E-Fuels, Ammoniak und mit Wasserstoff behandeltes Pflanzenöl (HVO). Allerdings hatte jeder Kraftstofftyp auch Nachteile, darunter hohe Kraftstoffkosten, Kohlenstoffgehalt, ToxizitĂ€t, Geruch und Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung von Pflanzen als Kraftstoff und nicht als Nahrungsmittel.

Versuche mit Brennstoffzellen

Die Überlegungen drehten sich um Wasserstoff und – als einzige Technologie, die JCB zu diesem Zeitpunkt zur VerfĂŒgung stand – um die Brennstoffzelle. Im Jahr 2019 kam der erste Prototyp eines Brennstoffzellenbaggers auf den Markt, dessen zweite Iteration – ausgestattet mit einer grĂ¶ĂŸeren Brennstoffzelle und besseren Batterien – im Jahr 2020 folgte (s. Abb. 1). Die Kosten fĂŒr die Brennstoffzelle, den DCDC-Wandler und die Leistungsbatterien machten das Antriebssystem jedoch achtmal teurer als einen Dieselmotor.

Burnhope bringt die Schwierigkeiten der Brennstoffzellentechnologie auf den Punkt: „Sie ist zu kompliziert. Sie ist nicht robust genug fĂŒr unsere Branche.“ Und Robustheit ist in rauen Arbeitsumgebungen wie SteinbrĂŒchen oder Baustellen, wo die GerĂ€te G-KrĂ€ften, Asphalt- und FarbdĂ€mpfen sowie Staub ausgesetzt sind, von entscheidender Bedeutung.

Ein weiteres Problem war die VerfĂŒgbarkeit von Brennstoffzellen. Die beiden Motorenwerke von JCB im Vereinigten Königreich und in Indien stellen jeweils bis zu 250 Motoren pro Tag her, so dass sich die Frage stellte, ob die Brennstoffzellenlieferanten die benötigten Mengen bewĂ€ltigen wĂŒrden.

Vorgabe des Vorstandsvorsitzenden

Obwohl JCB davon ĂŒberzeugt war, dass Wasserstoff der gesuchte emissionsfreie Kraftstoff war, befand sich das Unternehmen in Bezug auf die Brennstoffzellentechnologie an einem Scheideweg. Im Juli 2020 prĂ€sentierte das Ingenieurteam seine Ergebnisse dem JCB-Vorsitzenden Lord Bamford, der daraufhin die ehrgeizige Herausforderung ausgab: Bis zu den Winterferien sollte ein Wasserstoffmotor entwickelt werden.

Am 7. Dezember 2020 hatte JCB dann einen mit Wasserstoff betriebenen Motor – den ersten H2-ICE (engl. internal combustion engine = Verbrennungsmotor) der Branche. Bei dessen Entwicklung wurde der Verbrennungsprozess von Grund auf neu konzipiert. 100 Ingenieure waren daran beteiligt, unterstĂŒtzt von der UniversitĂ€t Aachen in Deutschland.

Vier SchlĂŒsselbereiche wurden untersucht: Wasserstoffmischung, Luftkompression, FunkenzĂŒndung und Dampfmanagement. Eine der Herausforderungen beim Übergang von einem flĂŒssigen zu einem gasförmigen Kraftstoff bestand darin, eine gleichmĂ€ĂŸige Mischung von Wasserstoff und Luft zu erreichen. Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (CFD) wurde die Vermischung im Zylinder visualisiert. Dabei erkannte das Entwicklungsteam, dass der H2-Verbrennungsprozess in Bezug auf das Luft-Kraftstoff-VerhĂ€ltnis sehr mager sein kann und nur wenig Wasserstoff benötigt.

Ein weiterer bemerkenswerter Unterschied ist der Druck: Die Dieseleinspritzung erfolgt bei 2.000 bar, wÀhrend die Wasserstoffeinspritzung bei etwa 10 bar erfolgt. JCB entdeckte auch, dass Wasserstoff bei einer viel niedrigeren Temperatur als andere Kraftstoffe verbrannt werden kann, wobei die genaue Temperatur, die in seinem neuen H2-Verbrennungsmotor verwendet wird, von JCB streng geheim gehalten wird.

Das Ergebnis ist ein Vierzylindermotor mit Saugrohreinspritzung (s. Abb. 2). Er hat genau das gleiche Drehmoment, den gleichen Wirkungsgrad und die gleichen Leistungswerte wie sein Dieselpendant und ist so konzipiert, dass er in bestehenden Maschinen austauschbar ist. Die einzige Änderung an der Maschine selbst besteht darin, dass der Dieseltank durch Wasserstofftanks an der Seite ersetzt wird. Der H2-ICE kann zudem mit bereits verfĂŒgbaren Komponenten hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil gegenĂŒber Brennstoffzellen ist, dass die Maschine auf der Baustelle repariert werden kann.

H2-ICE von JCB sind bereits in Prototypen von Baggern und Teleskopladern (s. Abb. 1, li. u. re.), die sich von ihren Dieselpendants durch eine neue grĂŒn-weiße Lackierung anstelle des traditionellen JCB-Gelbs unterscheiden, im Einsatz. Der Wasserstoffmotor wurde auch in einen 7,5-Tonnen-Lkw von Mercedes eingebaut, um zu zeigen, dass dies möglich ist und dass die Technologie in einem Lastwagen funktioniert.

Was die kĂŒnftige Produktion betrifft, so konnte Ryan Ballard, Engineering Director for Powertrain bei JCB, bislang keine konkreten Ziele benennen, sagte aber: „Wir sind ehrgeizig.“ Die H2-Testmotoren wurden auf denselben Produktionslinien gebaut wie die Dieselmotoren. Daher sei es möglich, bis zu 250 Wasserstoffmotoren pro Tag zu bauen, aber die Nachfrage sei noch nicht da, hieß es gegenĂŒber H2-international.

Wasserstoff auf dem Vormarsch

Eine Besonderheit in der Bau- und Landwirtschaftsbranche ist bislang die Lieferung von Diesel direkt an die Baustelle mit einem mobilen Tankwagen. JCB hat daher kĂŒrzlich eine eigene Wasserstofftankanlage entwickelt (s. Abb. 1, Mitte). Der Tankwagen fasst 100 Kilogramm bei 500 bar. Dies reicht aus, um 16 H2-Bagger zu betanken, in denen der Wasserstoff bei 350 bar gespeichert ist, wobei 1 kg Wasserstoff etwa 3 kg Diesel entspricht. Die Betankungsanlage kann entweder auf der RĂŒckseite einer modifizierten Fastrac-Zugmaschine oder auf einem AnhĂ€nger transportiert werden. Die Zapfpistole wird von der Firma WEH geliefert, und die Betankungszeit betrĂ€gt nur wenige Minuten.

Was die Bereitstellung des Wasserstoffs betrifft, so wird das JCB-TestgelĂ€nde von Ryze Hydrogen beliefert, das die Anlieferungen per Tube-Trailer durchfĂŒhrt. Bei einem Besuch der HZwei-Redaktion vor Ort war der verwendete Wasserstoff ein Nebenprodukt eines Chlorherstellungsprozesses, bei dem Salzwasser durch Elektrolyse gespalten wird. Nach Angaben von JCB ist es jedoch das Ziel, zu grĂŒnem Wasserstoff ĂŒberzugehen.

Auf die Frage nach dem Importvertrag, den JCB und Ryze Hydrogen mit dem australischen Unternehmen Fortescue Future Industries (FFI) fĂŒr 2021 abgeschlossen haben, erklĂ€rte Ballard, dass diese Entscheidung auf die NervositĂ€t des Marktes hinsichtlich der ZuverlĂ€ssigkeit der Wasserstoffversorgung zurĂŒckzufĂŒhren sei. Die Einfuhr von Wasserstoff aus Australien werde wahrscheinlich in Form von Ammoniak erfolgen, das wieder in Wasserstoff gespalten werde.

Mit Blick auf die Zukunft bleibt JCB „optimistisch“, was die kĂŒnftigen Vorschriften fĂŒr emissionsfreie Fahrzeuge angeht, und verfolgt aufmerksam die Änderungen der Vorschriften fĂŒr Pkw und insbesondere fĂŒr Lkw. Die Entwicklungen bei den Lkw-Vorschriften können nach Ansicht von JCB einen Hinweis darauf geben, was spĂ€ter auf Bau- und Landmaschinen zukommen kann.

Familienwerte

Das Interesse an Wasserstoff ist bei JCB eine Familienangelegenheit. Der Sohn des JCB-Vorsitzenden, Jo Bamford, ist EigentĂŒmer des nordirischen Unternehmens Wrightbus, das seit 2016 Brennstoffzellenbusse herstellt. Er ist auch der GrĂŒnder von Ryze Hydrogen, das Wasserstofftransport, -vertrieb und -infrastrukturleistungen in Großbritannien anbietet.

Autorin: Nicola Bottrell Hayward

Quellenangabe: JCB

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