Forschungsschwerpunkte im Projekt PoWer
Die Dekarbonisierung des Verkehrssektors rückt schwere Nutzfahrzeuge und nicht-straßengebundene mobile Arbeitsmaschinen zunehmend in den Fokus. Im Projekt „PoWer“ haben sich Fahrzeughersteller, Motorenhersteller, Zulieferer und Wissenschaftseinrichtungen zusammengeschlossen, um die anwendungsübergreifende Nutzung von wasserstoffmotorischen Antriebsstrangkonzepten für Bau- und Agraranwendungen umfassend zu untersuchen.
Der Automobilzulieferer MAHLE leitet das Vorhaben, an dem das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit drei Instituten beteiligt ist. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert PoWer über drei Jahre mit rund 5 Millionen Euro. Das Projekt wird vom TÜV Rheinland unterstützt. Wasserstoffmotoren bieten aufgrund ihrer Eigenschaften wie hohe Effizienz, Robustheit und geringe Rohemissionen Vorteile, die sie für Anwendungen in Bau- und Landmaschinen qualifizieren. Zudem besteht die Möglichkeit, herkömmliche Verbrennungsmotoren von Baggern, Mähdreschern oder Förderfahrzeugen auf Wasserstoffmotoren umzurüsten. Um diese Technologie künftig umsetzen zu können, untersuchen drei Institute des KIT im Projekt PoWer die motorische Wasserstoffverbrennung, geeignete Abgaskatalysatoren sowie das Werkstoffverhalten unter Wasserstoff.
Effiziente Nutzung von Wasserstoff in Motoren
Wegen der geringen Zündgrenze und der weiten Entflammbarkeitsgrenzen von Wasserstoff können ungewollte Selbstzündungen auftreten. Dies gilt es unbedingt zu vermeiden, um keine Motorschäden zu riskieren.
Dies erklärt Dr. Uwe Wagner vom Institut für Kolbenmaschinen (IFKM) des KIT zu den Herausforderungen. Die Forschenden des IFKM untersuchen, wie wasserstoffbasierter Kraftstoff effizient und sicher in Motoren von Bau- und Landmaschinen eingesetzt werden kann, sowohl mit Saugrohr- als auch mit Direkteinblasung. Die Geometrie des Motors und Schmieröleinträge in den Brennraum spielen eine Rolle für einen reibungslosen Verbrennungsablauf. Um verschiedene Einspritzstrategien und Motorparameter zu testen und zu optimieren, nutzen die Forschenden ein Einzylinder-Forschungsaggregat und einen Mehrzylindermotor.
Abgaskatalysatoren für Offroad-Anwendungen
Um aktuelle und zukünftige Abgasgrenzwerte einhalten zu können, ist es notwendig, neben einem schadstoffarmen Motorbetrieb auch effiziente Abgaskatalysatoren bereitzustellen. Die spezifischen wasserstoffmotorischen Betriebsbedingungen sind für die Katalysatoren mitunter herausfordernd.
Dies erläutert Dr. Patrick Lott vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT. Das Team des ITCP untersucht, wie sich bestehende Katalysatorsysteme im Zusammenspiel mit Wasserstoffmotoren verhalten. Ziel ist es, deren Haltbarkeit und Effizienz zu verbessern und an die neuen Betriebsbedingungen anzupassen. Gleichzeitig erarbeiten die Forschenden innovative Konzepte für die Abgasnachbehandlung, um Wasserstoff als Energieträger in Offroad-Anwendungen einsetzen zu können.
Auswirkung von Wasserstoff auf Werkstoffe
Der Kontakt mit Wasserstoff kann die Festigkeit und Verformbarkeit metallischer Werkstoffe erheblich mindern.
Dies erklärt Dr. Stefan Guth vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde (IAM-WK) des KIT. Im Projekt untersuchen die Wissenschaftler des IAM-WK, wie sich Wasserstoff auf typische Werkstoffe von Verbrennungsmotorkomponenten auswirkt. Dazu führen sie mechanische Werkstoffprüfungen unter Wasserstoffeinfluss durch, insbesondere unter motortypischer zyklisch wechselnder Last. Ein Ziel der Forschungsgruppe ist es, Methoden zur Bewertung des Einflusses von Wasserstoff auf die Werkstofffestigkeit zu entwickeln und zu etablieren. Die Industriepartner sollen Empfehlungen für den sicheren und effizienten Einsatz der Materialien erhalten.
Beteiligte Partner im Projekt PoWer
Unter der Leitung von MAHLE sind neben dem KIT weitere Partner am Projekt PoWer beteiligt. Dazu gehören die DEUTZ AG, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Purem GmbH, Claas KGaA mbH, die Technische Universität Braunschweig, Liebherr GmbH, Nagel-Group SE & Co. KG, Umicore S.A., NGK Europe GmbH und Castrol Limited.