Forschung & Entwicklung : DAF testet Wasserstoff-Lkw mit Verbrennungsmotor

Der Paccar-Konzern mit seinen Marken Peterbilt, Kenworth und DAF ist bei der Entwicklung des Wasserstoffantriebs für Lkw bereits in der Testphase. Kenworth und Toyota arbeiten in den USA gemeinsam an einem Programm, um insgesamt 10 lokal emissionsfreie Kenworth T680 FCEVs Sattelzugmaschinen mit einem Brennstoffzellen-Antriebsstrang von Toyota für den Betrieb im Hafen von Los Angeles herzustellen.

In Europa beschäftigt sich die Marke DAF derweil mit der Entwicklung eines wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotors. Der Unterschied: Beim Brennstoffzellen-Antrieb wird der Wasserstoff zunächst in elektrische Energie umgewandelt. Der eigentliche Antriebsstrang des Lkw ist somit identisch mit dem eines batterieelektrischen Fahrzeugs. Der Wasserstoff dient lediglich als Energiespeicher für den E-Truck, der die Reichweite erhöht und den Lade- bzw. Tankvorgang entsprechend verkürzt.

Beim Wasserstoff-Verbrennungsmotor handelt es sich hingegen um einen klassischen Ottomotor. Als Treibstoff dient statt Benzin oder Erdgas eben Wasserstoff. Es erfolgt keine Umwandlung in elektrische Energie, der Wasserstoff wird direkt im Zylinder verbrannt und über Kolben und Kurbelwelle in Bewegungsenergie umgewandelt. Der restliche Antriebsstrang mit Getriebe und Hinterachse ist gleich, wie bei einem herkömmlichen Diesel-Lkw. Allerdings ist der Antrieb lokal emissionsfrei, denn bei der Verbrennung von H2 mit Sauerstoff entsteht lediglich Wasserdampf (H2O). Bei der Verbrennung können allerdings auch im geringen Maße Stickoxyde (NOx) entstehen. Das macht mitunter eine Abgasnachbehandlung nötig ist.

Bei dem Versuchsfahrzeug DAF XF Hydrogen sind zwischen den Achsen der Sattelzugmaschine linkerhand vier Wasserstoff-Tanks angebracht. Mit 350 bar Druck können 10 Kilogramm Wasserstoff mitgeführt werden. Damit ist eine reale Reichweite von 120 bis 130 Kilometer möglich. Werden die Tanks allerdings mit 700 bar befüllt – dafür sind sie ausgelegt – und beidseitig am Fahrzeug montiert, dann wären zwischen 500 und 600 Kilometer Reichweite realistisch. Eine weitere Möglichkeit wäre die Verflüssigung des Wasserstoffs, um die Energiedichte und damit die Reichweite zu erhöhen. Dazu muss dieser allerdings auf minus 253 Grad Celsius abgekühlt werden, das ist bereits nahe dem absoluten Nullpunkt. Verflüssigung und Kühlung wären also ein enormer Aufwand und es gibt dafür auch noch keine entsprechende Infrastruktur.

Als Basis für das DAF-Versuchsfahrzeug dient der Motorblock des herkömmlichen 13-Liter-Aggregats mit sechs Zylindern. Viele Teile des H2-Verbrennungsmotors ähneln denen eines CNG-Motors. Allerdings hat Wasserstoff eine wesentlich geringere Dichte, ist explosiver und außerdem flüchtiger als Erdgas (Methan, CH4). Die Verdichtung, Ventile, Kolbenform und andere Komponenten der Maschine mussten also entsprechend angepasst werden. Das Versuchsfahrzeug arbeitet derzeit noch mit einer indirekten Einspritzung, für optimale Effizienz soll der Motor allerdings später eine Direkteinspritzung bekommen, erklärt Raoul Wijnands, Project Manager Testing bei DAF Trucks. Der Motor des Trucks verfügt über 1.100 Newtonmeter Drehmoment und 170 PS. Auf dem Prüfstand konnten aber bereits 1.700 Newtonmeter und an die 300 PS mit dem Verbrennungsmotor erzielt werden.

Der Nachteil des Verbrennungsmotors liegt in einem schlechteren Wirkungsgrad. Hier ist die Kombination aus Brennstoffzelle und Elektro-Antrieb überlegen, vor allem bei leichten Anwendungen. Die Brennstoffzelle arbeitet gleichmäßig und wandelt dabei Wasserstoff in elektrische Energie um. Sie ist allerdings nicht dazu geeignet, um rasch Leistung abzurufen. Genau das ist aber bei schweren Lkw-Anwendungen nötig, wenn man etwa einen 40-Tonnen-Zug beschleunigen will oder einen Anstieg bewältigen muss. Deshalb benötigt man eine Pufferbatterie. Je schwerer der Lkw, desto größer muss auch diese Batterie sein. Der Nachteil: eine solche Batterie wäre nicht nur sehr teuer, sondern auch extrem schwer. Hier kann der Verbrennungsmotor seine Stärke ausspielen: er benötigt keine Pufferbatterie. Bei schweren Anwendungen ist der Wirkungsgrad damit eventuell höher als bei einem Antriebsstrang mit Brennstoffzelle. Das Fahrzeug ähnelt außerdem in vielen Teilen jenen eines Diesel-Lkw und kann deshalb mit geringeren Anschaffungskosten punkten. Das spielt natürlich auch eine Rolle in der Gesamtkostenbetrachtung und die Wirtschaftlichkeit des Lkw.