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Foto: Daimler AG
Mit dem Mercedes-Benz GenH2 Truck präsentiert Daimler Trucks sein Konzept für ein brennstoffzellenbetriebenes Langstreckenfahrzeug für flexible und anspruchsvolle Einsätze mit Blick auf Strecken, Entfernungen und Nutzlast. 

Nutzfahrzeuge

Wasserstoff: die andere Form der Elektromobilität für Lkw

Bei der Elektromobilität denkt man zunächst an Batterien. Dabei bietet sich insbesondere für Lkw auch Wasserstoff als Treibstoff an. Mit den künftigen CO2-Vorgaben in der EU sind die Chancen für den Markterfolg so groß wie nie.

Zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen müssen die Lkw-Hersteller den CO2-Ausstoß ihrer Flotten in der EU bis zum Jahr 2025 um 15 Prozent und bis 2030 sogar bis 30 Prozent reduzieren, sonst drohen empfindliche Strafzahlungen. Als langfristig marktfähigste Alternativen gelten der Elektroantrieb mit Batterie oder die Nutzung von Wasserstoff in Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle. Wird Wasserstoff durch die Nutzung von Sonnen- oder Windenergie im Elektrolyseverfahren regenerativ erzeugt, ist er vollkommen CO2-neutral und quasi auch eine Form der Elektromobilität. Zwar scheint der batterieelektrische Antrieb seine Nachteile in Sachen Ladezeit und Reichweite sukzessive aufzuholen, dennoch entwickeln einige Lkw-Hersteller wasserstoffbasierte Systeme zur Serienreife.

1000 Kilometer Reichweite mit einer Wasserstofffüllung

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Foto: Daimler AG
Das Twin-Brennstoffzellensystem von cellcentric für den schweren Lkw-Einsatz 

Daimler Trucks setzt auf die Brennstoffzelle als Ergänzung zu Nutzfahrzeugen mit Batterie: „Je leichter die Ladung und je kürzer die Distanz, desto eher wird die Batterie zum Einsatz kommen. Je schwerer die Ladung und je länger die Distanz, desto eher wird die Brennstoffzelle das Mittel der Wahl sein“, so der Daimler-Vorstand Martin Daum bei der Weltpremiere des Mercedes-Benz Brennstoffzellen-Konzept-Lkw GenH2 Truck im Jahr 2020. Bei den technischen Eckdaten muss sich der Wasserstoff-Truck nicht hinter konventionellen Diesel-Lkw verstecken: In der Serienvariante soll er bei 40 Tonnen Gesamtgewicht eine Zuladung von 25 Tonnen bieten und eine Reichweite von mehr als 1000 Kilometern ermöglichen. Herzstück des Konzepts bildet die Speicherung von verflüssigtem Wasserstoff. Gegenüber gasförmigem, auf 350 oder 700 bar komprimiertem Wasserstoff, wie er beispielsweise bei Brennstoffzellen-Pkw eingesetzt wird, ergibt sich eine deutlich höhere Energiedichte. Dadurch kommt ein mit Flüssigwasserstoff betankter Brennstoffzellen-Lkw mit wesentlich kleineren und aufgrund des geringeren Drucks auch erheblich leichteren Tanks aus. Dies lässt einen größeren Laderaum und ein höheres Zuladungsgewicht zu. Gleichzeitig kann mehr Wasserstoff getankt werden, was die Reichweite deutlich vergrößert. Zwar muss der Wasserstoff für die Verflüssigung auf -253 Grad Celsius abgekühlt werden, in der stationären Anwendung, beispielsweise in der Industrie oder in Wasserstofftankstellen, ist das jedoch bereits gängige Praxis. Dies gilt auch für den Transport von flüssigem Wasserstoff als Ladung. Daimler sieht daher keine Probleme bei der Umsetzung im GenH2 Truck.

Für die Entwicklung und Fertigung von Lkw-Brennstoffzellen hat Daimler mit Volvo eigens das Joint-Venture Cellcentric gegründet. Auch andere Hersteller sind im Bereich der Brennstoffzellentechnik aktiv. So werden das US-Unternehmen Nikola und Iveco ab 2023 gemeinsam Brennstoffzellen-Lkw in Ulm fertigen. Das Brennstoffzellensystem liefert Bosch zu. Dafür haben Nikola und der Zulieferer ein skalierbares und modulares Konzept entwickelt, das unterschiedliche Truck-Applikationen berücksichtigt. Der Nikola Tre für den Regionalverkehr soll 2023 in den USA in Produktion gehen, später wird laut Planung der Langstrecken-Lkw Nikola Two mit mehr als 1000 Kilometern Reichweite folgen. Für den europäischen Markt ist offenbar nur der Nikola Tre vorgesehen. Der koreanische Hersteller Hyundai möchte bis zum Jahr 2025 1600 Brennstoffzellen-Lkw des Modells Xcient Fuel Cell in der Schweiz liefern. Die Reichweite einer Tankfüllung liegt bei 400 Kilometern, allerdings betont das Unternehmen, schon Langstrecken-Lkw mit bis zu 1000 Kilometer Aktionsradius in Entwicklung zu haben.

Wasserstoff-Verbrennungsmotor

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Foto: Liebherr
Auf Wasserstoffbetrieb umgerüsteter Liebherr-Motor H964

Ein anderer Weg der Wasserstoffnutzung führt über die thermische Umsetzung im Verbrennungsmotor. Einer der Pioniere auf diesem Gebiet für den Nutzfahrzeugbereich ist das 2015 gegründete Unternehmen Keyou aus München. Dort dienen Dieselmotoren als Grundlage für die Wasserstoffumrüstung. Die Änderungen am Motor umfassen vor allem die Integration der Zündanlage, die Anpassung von Aufladegruppe, Abgasrückführung, Brennraumgeometrie und Motorsteuerung sowie die Applikation eines speziellen Abgasnachbehandlungssystems. Eine der Besonderheiten des Keyou-Ansatzes liegt im Magerbrennverfahren. Die Entwickler machen sich dabei die Zündwilligkeit des Wasserstoffs zunutze, die eine sichere Entflammung auch bei hohem Luftüberschuss sicherstellt. Der zweite Punkt sind Abgasrückführraten von bis zu 20 Prozent. Die resultierenden niedrigen Verbrennungstemperaturen führen zu äußert geringen Stickoxidemissionen.

Ein effizientes Wasserstoff-Brennverfahren ist auch Inhalt gemeinsamer Forschungen von Mahle Powertrain und Liebherr. „Die Herausforderung bestand darin, eine stabile Verbrennung zu erreichen, ohne das Verdichtungsverhältnis zu verringern, um Klopfen sowie Vorzündungen zu vermeiden. Unsere gemeinsame Arbeit mit Liebherr deutet darauf hin, dass wir eine Antwort gefunden haben“, erklärt Mike Bunce, Forschungsleiter bei MAHLE Powertrain US. Die Innovation basiert auf einer Vorkammerzündungstechnologie von Mahle, die sogenannte Mahle Jet Ignition (MJI). Sie ermöglicht die Verwendung stark verdünnter Kraftstoff-Luft-Gemische und ist damit ideal für den Einsatz in wasserstoffbetriebenen Motoren geeignet. Dazu wurde die MJI angepasst, indem vor allem die Vorkammer im Zylinderkopf modifiziert wurde: Sie enthält eine Zündkerze, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch zündet. Das entstehende Gasplasma wird durch kleine Öffnungen in die Hauptbrennkammer gepresst, um das Verbrennungsgemisch schnell und gleichmäßig zu zünden.

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