Wasserstoff als alternativer Kraftstoff: With zero to hero?
Null Emissionen sind für JCB der Grund, Wasserstoff als Brennstoff der Zukunft zu sehen. Um damit erfolgreich zu sein, setzt man aber auf den herkömmlichen Verbrennungsmotor. Wir haben hinter die Kulissen der englischen Ideenschmiede geschaut.
JCB ist breit aufgestellt. Die Engländer bauen jährlich weltweit Tausende Maschinen.“ Damit das auch so bleibt, befasst sich JCB intensiv mit dem Thema der alternativen Kraftstoffe bzw. alternativen Antriebstechniken. Der Verbrennungsmotor spielt dabei nach eigenen Angaben auch in Zukunft die entscheidende Rolle, nur mit einem anderen Kraftstoff als bisher: Wasserstoff.
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JCB ist breit aufgestellt. Die Engländer bauen jährlich weltweit Tausende Maschinen.“ Damit das auch so bleibt, befasst sich JCB intensiv mit dem Thema der alternativen Kraftstoffe bzw. alternativen Antriebstechniken. Der Verbrennungsmotor spielt dabei nach eigenen Angaben auch in Zukunft die entscheidende Rolle, nur mit einem anderen Kraftstoff als bisher: Wasserstoff.
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Wasserstoff entsteht unter Energieeinsatz durch Elektrolyse. Das Gas ist flüchtig und explosiv. Der große Vorteil im Vergleich zur elektrischen Energie: Wasserstoff ist transportwürdiger als Strom in einer Batterie. JCB verteufelt die Batterietechnik aber nicht. Im Gegenteil: Die Vorstellung des batteriebetriebenen Minibaggers oder des Hofladers 403E mit Batterietechnik von Nissan zeigen potenzielle Einsatzmöglichkeiten für die Akkutechnik.
JCB gibt aber auch zu, dass diese Technik bei leistungsstarken Offroad-Maschinen (Bagger, Fastrac, Radlader) keine Zukunft haben wird, weil die Akkus (derzeit) nicht die Energiemengen speichern können, die moderne Maschinen pro Tag benötigen, ohne zeitraubend für Energienachschub zu sorgen — Stichwort Ladezeit. Zudem ist das Mehrgewicht der Akkutechnik ein Ausschlusskriterium.
Wechselbare Akkus können eine Variante sein. Allerdings müssen Ersatzakkus schnell geladen sein, ohne dass Stillstand entsteht, bzw. die Anzahl der Akkus muss dem Verbrauch der Maschine angepasst sein.
Die Brennstoffzelle, mit der sich Toyota intensiv auseinandersetzt, wurde auch bei JCB als mögliche Variante gesehen. Auch Jo Bamford, der Sohn von Firmeninhaber Antony Bamford hat mit seinem Unternehmen Wrightbus bereits einige Jahre Praxiserfahrung mit der Brennstoffzelle. In einem 20 t schweren Bagger haben die Engländer bereits mehrere Jahre Versuche durchgeführt.
Das Fazit der Engländer: Die Technik funktioniert, allerdings besteht das Problem der Kühlung. Die Brennstoffzellen dürfen 60 °C nicht überschreiten. Bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 40° ist ein enormer Kühlaufwand nötig, um das Temperaturniveau zu halten. Trotz des höheren Wirkungsgrades von mehr als 50 % sieht man daher diese Technik nicht im staubigen Offroad-Terrain — auch weil die Technik im Vergleich zum Diesel bis zu 3,5-mal teurer ist.
In eigenen Werken in England und Indien werden täglich jeweils 200 Dieselmotoren gebaut. Die Entwicklungskosten für alternative Antriebstechnologien und Maschinen sind hoch. Einfacher ist es somit, auf weitestgehend bestehende Technik zurückzugreifen. So präsentierten die Engländer uns einen Bagger- und einen Teleskoplader, die von außen nur durch ihre futuristische Lackierung von bekannten Dieselmaschinen zu unterscheiden sind.
Erst als der Motor startet, ist klar: Hier dieselt nichts mehr. Unter der Haube arbeitet ein 4,4 l großer JCB-Vierzylinder mit 44 kW/75 PS. Maximal 440 Nm Drehmoment bei 1 200 U/min, sowie maximal
2 200 U/min sind ähnliche Leistungswerte, wie beim baugleichen Dieselrumpfmotor. Für die Verbrennung von Wasserstoff muss der Dieselmotor zum Otto-Motor umgebaut werden. Neben dem neuen Zylinderkopf rüstet JCB Kolben, Zündkerzen und Turbolader auf. Das Wasserstoff-Luftgemisch wird mit nur 11 bar (anstelle von 2 000 bar bei Diesel) in den Brennraum geleitet. Für ein brennbares Gemisch muss aber deutlich mehr Luft in die Brennkammer gepresst werden.
Ein neuer VTG-Turbolader bringt die geforderte Leistung. Bei etwa 200 000 U/min erzeugen die Schaufeln erheblichen Druck und pressen gegenüber vergleichbarer Dieseltechnik etwa die dreifache Luftmasse in den Brennraum.
Weiterer Unterschied: Im Vergleich zum Diesel schmiert das Wasserstoff-Luft-Gemisch die Motorteile nicht. Es Bedarf besonderer Metallarten, damit das Gemisch die Bauteile nicht angreift. Ein Partikelfilter ist nicht mehr nötig, weil kaum Kohlenstoff verbrannt wird. Die Stickoxide (NOx) hält JCB mit Hilfe einer geringeren Verbrennungstemperatur im Griff, so dass aus dem Auspuff nur 300° heißer Wasserdampf entweicht.
Schwachpunkt Volumen
Das Problem von Wasserstoff ist seine sogenannte volumetrische Energiedichte. 1 kg des Gases enthält etwa 33 kWh Energie — mehr als drei Mal so viel, wie 1 kg Diesel.
Bei einem normalen Umgebungsdruck benötigt man allerdings mehr als 11 m3 Volumen, um 1 kg Wasserstoff zu speichern. Erhöht man den Druck auf 350 bar, sind es nur noch gut 38 l/kg. Zum Vergleich: Bei einem Dieseltank würden für die gleiche Energiemenge knapp 4 l Volumen ausreichen.
Der Vierzylinder wird zum Ottomotor mit Zündkerzen umgebaut.
(Bildquelle: Bensing)
Ohne Kohlenstoff im Kraftstoff bleibt das Öl sauber.
(Bildquelle: Bensing)
JCB sieht 350 bar als zukünftigen Maßstab an. Aber selbst damit kann der Baggerlader mit Zusatztanks nur 4,5 kg Wasserstoff bevorraten — das entspricht etwa 15 l Diesel. Die Lösung der Engländer, die Arbeitsmaschinen mit dem Fuelmobil (umgebauter Fastrac mit Wasserstofftanks auf der Pritsche) zu versorgen, mag funktionieren. Aber selbst bei 100 kg Wasserstoff-Ladung auf dem Fastrac entspricht das einer Energiemenge von umgerechnet nur 300 l Diesel — das reicht für den Trac bei schwerer Zugarbeit keine ganze Schicht.
Das Tanken als solches ist indes einfach. Mit einer genormten Kupplung strömt das Gas aus dem mit 500 bar vorgepressten Kessel in den Tank mit 350 bar. Eine Tankfüllung beim Baggerlader mit 4,5 kg Kapazität dauert rund 6 min.
Das Gas mit Hochdruck zu verdichten hat einen entscheidenden Wirkungsgrad-Nachteil: Dafür wird viel Energie benötigt. JCB kalkuliert derzeit, dass für 1 kWh nutzbarer Energie aus Wasserstoff, 2 kWh Strom nötig sind. Derzeit kostet Wasserstoff auf dem Markt etwa 15 Euro/kg. Äquivalent wären das etwa 5 Euro/l Diesel. JCB ist überzeugt, dass sich der Preis in den nächsten zehn Jahren deutlich reduzieren wird, weil viele Länder das Potenzial der Wasserstoffherstellung erkannt haben und die dezentrale Produktion über regenerativen Energien an Bedeutung gewinnen wird. Klar ist, dass null Emissionen nur mit erneuerbaren Energien zu erreichen sind.
Ebenfalls denkbar ist auch, Überangebote von elektrischem Strom zu nutzen. Ähnlich wie bei einem Pumpspeicherwerk könnte mit Nachtstrom Wasserstoff produziert werden.
Sicherheit
Jeder hat beim Thema Wasserstoff das Luftschiff Hindenburg vor Augen, das lichterloh brennend vom Himmel fiel. Eine Knallgasexplosion schließt man bei JCB nahezu aus. JCB vergleicht die Gefahr mit herkömmlichen LNG-Tanks. Dennoch ist das Wasserstoffgas sehr flüchtig, was den Tank und den Motor samt Dichtungen vor große Herausforderungen stellt.
Fazit
Null Emissionen ist die Vision nicht nur von JCB. Wasserstoff sei der Treibstoff der Zukunft. Nicht in der Brennstoffzelle, sondern im Verbrennungsmotor. Das Problem der Lagerung bleibt aktuell, wie auch die energieraubende Hochverdichtung. Die Motorentechnik unterscheidet sich indes kaum von herkömmlichen Gasmotoren.
