Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Wasserstoff verfügt über eine relativ geringe Mindestzündenergie und einen großen Zündbereich, so dass bereits ein kleiner Funken ein mageres Gemisch entzünden kann. Während Benzinmotoren lediglich bis l = 1,4 (l: Luftverhältnis – Verhältnis der tatsächlichen zur chemisch notwendigen Luftmenge) und Erdgasmotoren bis l = 1,8 abgemagert werden können, können Wasserstoffmotoren auch noch mit l = 5,5 betrieben werden. [Herdin, 2001]

Damit ist Wasserstoff grundsätzlich für die Magermotortechnologie gut geeignet. Im Magerbetrieb ist die
Verbrennungstemperatur eher gering. Da Stickoxide (NO_X) in Motoren vor allem durch hohe Temperaturen entstehen, gehen die Stickoxidemissionen bei einer mageren Verbrennung (l =2,6) gegen null. Wird ein Wasserstoffmotor hingegen im Bereich 1 < l < 1,5 betrieben, liegen die NO_X-Emissionen um das Dreifache so hoch wie bei Benzinmotoren. Generell gilt: Je mehr Kraftstoff verbrannt wird (stöchiometrisches oder fettes Gemisch, l ≤ 1,0),

• desto höher ist die Leistungsausbeute.
• desto höher ist die Verbrennungstemperatur.
• desto mehr Stickstoffoxide entstehen.

Auch die Wärmeverluste sind durch die niedrige Temperatur gering. Trotz der niedrigen Temperatur ist der Wirkungsgrad bei wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotoren höher als bei normalen Benzinmotoren, weil der Verbrennungsprozess im H₂-Motor aufgrund der hohen Brenngeschwindigkeit des Wasserstoff-Luft-Gemisches dem thermodynamisch günstigeren Gleichraumprozess näher kommt als der benzinbetriebene Motor. Auf diese Weise ist ein Motorwirkungsgrad von über 40 Prozent möglich (Benzinmotorwirkungsgrad: 23 Prozent für mobile, 37 Prozent für stationäre Anwendung).

Im Gegensatz zum höheren Wirkungsgrad hat der Wasserstoffmotor allerdings eine geringere Leistung als ein Benzinmotor. Ein für den Benzinbetrieb optimierter Motor verfügt im Wasserstoffbetrieb lediglich über etwa 75 Prozent der ursprünglichen Leistung. Der wesentliche Grund liegt in der geringen Dichte des Wasserstoffs:

Ein Wasserstoff-Luft-Gemisch weist einen eher geringeren volumetrischen Gemischheizwert (3.240 kJ/m³) auf. Um eine bestimmte Energiemenge zu erreichen, muss ein großes Gasvolumen pro Zeiteinheit zugeführt werden Dadurch erhöhen sich die Strömungsverluste. Außerdem kann es trotz maximal geöffneter Einlassventile und Drosselklappe wegen des hohen Durchsatzes zu Stauungen kommen, wodurch nicht das gesamte im Zylinder enthaltene Gasvolumen durch frisches Gemisch ersetzt wird. Diese Verluste werden als Liefergradverluste bezeichnet.

Die geringe Dichte führt auch dazu, dass im Saugrohr rund ein Drittel des Volumens vom Wasserstoff selbst eingenommen wird, so dass im Verhältnis dazu weniger Luft zugeführt werden kann und sich ebenfalls Liefergrad sowie Leistung reduzieren. Bei einem für die Verbrennung optimalen (stöchiometrischen) Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Luft liegt der Gemischanteil von Wasserstoff bei 29,6 Vol.-%. Bei Benzin liegt er im Vergleich dazu nur bei 1,9 Vol.-%.

Zum Ausgleich kann eine Leistungssteigerung durch Aufladung (Druckerhöhung auf der Einlassseite) erreicht werden.