Wie Porsche an Hochleistungs-Wasserstoffmotoren arbeitet

23. Aug. 2022 — Lesedauer 5 min

Porsche

23. Aug. 2022 — Lesedauer 5 min

Im Rahmen einer Studie hat Porsche Engineering das Potenzial von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren untersucht. Das Ergebnis ist ein Hochleistungsaggregat mit Emissionen auf Umgebungsluftniveau. Für künftige Fahrzeuge sind derzeit verschiedene Antriebslösungen wie Hybridsysteme, Elektroantriebe und effiziente Verbrennungsmotoren parallel in Entwicklung. Alternativ zu konventionellen Kraftstoffen oder synthetischen Kraftstoffen (E-Fuels) kann auch Wasserstoff für den Einsatz in Verbrennungsmotoren in Betracht gezogen werden, was Gegenstand dieser Studie war und von Porsche Engineering untersucht wurde.

Aktuell wird weltweit an Wasserstoffmotoren gearbeitet, allerdings meist für Nutzfahrzeuge mit einer relativ geringen spezifischen Leistung von rund 50 kW pro Liter Hubraum. „Für den Personenwagen-Bereich ist das zu wenig. Darum haben wir als Studie einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor entwickelt, der Leistung und Drehmoment auf dem Level aktueller Hochleistungs-Ottomotoren bieten soll. Gleichzeitig war unser Ziel, einen geringen Verbrauch zu erreichen und die Emissionen auf Umgebungsluftniveau zu halten“, sagt Vincenzo Bevilacqua, Fachreferent Motorsimulation bei Porsche Engineering. „Ausgangspunkt unserer Untersuchungen war ein existierender 4,4-Liter-Achtzylinder-Ottomotor – oder besser ausgedrückt: sein digitaler Datensatz, denn wir haben die gesamte Studie virtuell über Simulationen durchgeführt.“

Die Veränderungen am Motormodell umfassten unter anderem eine höhere Verdichtung und eine angepasste Verbrennung, vor allem aber ein neues Turbo-Aufladesystem. „Für eine saubere Verbrennung von Wasserstoff müssen die Turbolader einerseits rund doppelt so viel Luftmasse wie bei Ottomotoren bereitstellen. Andererseits fehlt abgasseitig durch die geringeren Abgastemperaturen aber Energie für ihren Antrieb“, erklärt Bevilacqua. Dieser Widerspruch lasse sich mit konventionellen Turboladern nicht auflösen. Porsche Engineering hat darum vier alternative, besonders leistungsfähige Aufladekonzepte untersucht, die teilweise aus dem Motorsport stammen.

Alle Systeme bestehen aus mehreren elektrisch unterstützten Turboladern, teilweise kombiniert mit zusätzlichen Steuerungsklappen im Luftsystem oder mechanischen Kompressoren. „In den Benchmark-Untersuchungen zeigte jedes Aufladesystem spezifische Vor- und Nachteile. Die Wahl des richtigen Konzepts hängt daher sehr stark vom Anforderungsprofil des jeweiligen Wasserstoffmotors ab“, so Bevilacqua. Für die vorliegende Motorstudie wählte das Entwicklerteam ein Turbosystem mit sogenannten Back-to-Back-Verdichtern aus. Ihre konstruktive Besonderheit ist die koaxiale Anordnung von zwei Verdichterstufen, die über eine gemeinsame Welle durch die Turbine beziehungsweise den unterstützenden Elektromotor angetrieben werden. Die Prozessluft strömt dabei durch den ersten Verdichter, wird im Ladeluftkühler zwischengekühlt und dann in der zweiten Stufe nachverdichtet.

Mit einer Leistung von rund 440 kW liegt der Wasserstoffmotor auf dem Niveau des ursprünglichen Ottoaggregats. Um die Performance des Antriebs besser einordnen zu können, hat Porsche Engineering ein damit ausgerüstetes Referenzfahrzeug der Luxusklasse mit einem relativ hohen Gesamtgewicht von 2650 kg auf der Nürburgring-Nordschleife getestet – rein virtuell: Die Fahrt wurde mithilfe eines sogenannten digitalen Zwillings durchgeführt, also einer Abbildung des Realfahrzeugs im Computer. Mit einer Rundenzeit von 8 Minuten 20 Sekunden zeigte das Fahrzeug hohes fahrdynamisches Potenzial.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff werden aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung weder Kohlenwasserstoffe noch Kohlenmonoxid freigesetzt, auch Partikel spielen naturgemäß keine Rolle. Für die Emissionsoptimierung des Wasserstoffmotors konzentrierten sich die Experten von Porsche Engineering daher auf die Stickoxide. In umfangreichen Optimierungsschleifen trimmten sie die Betriebsstrategie des Motors auf eine möglichst saubere Verbrennung. Ihr Ansatz: Das Rohemissionsniveau mithilfe einer extrem mageren und damit kälteren Verbrennung gering halten, sodass man auf ein zusätzliches Abgasnachbehandlungssystem verzichten kann.

„Wie sich zeigte, unterschreiten die Stickoxidemissionen die derzeit diskutierten Grenzwerte der Euro-7-Norm deutlich und liegen über den gesamten Drehzahlbereich nahe null“, berichtet Matthias Böger, Entwicklungsingenieur Motorsimulation bei Porsche Engineering. Um die Ergebnisse der Emissionstests besser einordnen zu können, zieht er einen Vergleich zum sogenannten Luftqualitätsindex (Air Quality Index). Dieser dient Regierungsbehörden und anderen Institutionen als Maßstab zur Beurteilung des Luftverschmutzungsgrads. Allgemein wird dabei eine Konzentration bis rund 40 Mikrogramm Stickoxid pro Kubikmeter mit einer guten Luftqualität gleichgesetzt. „Die Emissionen des Wasserstoffmotors liegen unterhalb dieser Grenze. Sein Betrieb hat damit keine nennenswerten Auswirkungen auf die Umgebung“, so Böger.

Emissionen auf Umgebungsluftniveau

Zusätzlich zu den kaum messbaren Emissionen bietet der Wasserstoffmotor dank der mageren Verbrennung hohe Effizienz im WLTP-Messzyklus sowie in kundenrelevanten Verbrauchszyklen. „Unser selbst gestecktes Projektziel, die Entwicklung eines sauberen, sparsamen und sportlichen Wasserstoffmotors, haben wir damit auf ganzer Linie erfüllt“, fasst Bevilacqua zusammen. Die Kosten für einen Wasserstoffantrieb in der Serienproduktion könnten mit denen eines Ottomotors vergleichbar sein. Zwar sind das Turboladersystem und einige mechanische Komponenten des Wasserstoffmotors aufwendiger und damit teurer, allerdings spart man sich die beim Ottomotor erforderliche Abgasnachbehandlung für Euro 7.

Das Team von Porsche Engineering konnte alle Tests rein virtuell und damit effizient umsetzen. Basis war die etablierte durchgängige Simulationsprozesskette, hinzu kamen die umfassenden Erfahrungen bei Modellbildung und Berechnung. „Von der ersten Idee bis zum Abschluss der Studie haben wir nur sechs Monate gebraucht“, so Bevilacqua. „Das beinhaltete auch Grundlagenarbeiten wie die Erstellung neuer Rechenmodelle, die die unterschiedlichen chemisch-physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff im Vergleich zu Ottokraftstoff berücksichtigen.“

Verbrauchsvorteile von bis zu fünf Prozent

Der Wasserstoffmotor wird in der vorliegenden Form wahrscheinlich nicht in Serie gehen, aber das war auch gar nicht das Ziel des Projekts. Im Mittelpunkt stand vielmehr die Untersuchung der technischen Möglichkeiten des alternativen Antriebs und die Erweiterung bestehender Engineering-Tools. „Wir haben durch die Studie wertvolle Erkenntnisse im Hinblick auf die Entwicklung von Hochleistungs-Wasserstoffmotoren gewonnen und unsere virtuelle Entwicklungskette um Modelle und Methoden speziell für Wasserstoff ergänzt“, erklärt Bevilacqua. „Mit diesem Know-how sind wir bereit, künftige Kundenprojekte effizient zu bearbeiten.“

Quelle: Porsche – Pressemitteilung vom 18.08.2022

Michael Neißendorfer

Michael Neißendorfer ist E-Mobility-Journalist und hat stets das große Ganze im Blick: Darum schreibt er nicht nur über E-Autos, sondern auch andere Arten fossilfreier Mobilität sowie über Stromnetze, erneuerbare Energien und Nachhaltigkeit im Allgemeinen.

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Roma:

Andere Firmen auf der anderen Erdhalbkugel werden schon einen passenden Einsatzzweck finden, die sind immer froh, wenn in DE Steuergelder mit der Gießkanne verteilt werden.

Roma:

Bau noch „Schaf“ und „gesteuerte Medien“ usw ein….

Roma:

Also ich lese nur, dass nach dem Versuchsprojekt nicht weiter daran gearbeitet wird, da nicht zielführend.
Halt eingepackt in eine schöne Marketinggeschichte.

GoPü:

Wenn der Bund Milliardenbeträge für die Erforschung von H2-Antrieben anbietet,dann werden die natürlich gerne genommen.Und die Lobby dahinter pusht das in den Medien dementsprechend.Das es totaler Blödsinn und reine Verschwendung von Forschungsressourcen ist,sollte jedem,der den Energieerhaltungssatz kennt,bewußt sein.Aber das Geld nehmen sie natürlich gerne an,genau wie BMW.Und der Steuerzahler leidet weiter.Danke Altmaier,Bareiß und Co.

Celsi:

Schön, dass zumindest Porsche sich nicht blind vor den Hysterie-Zug spannen lässt wie… hm, man kann da jetzt ja VW gar nicht mehr nennen, jetzt, wo der Diess entsorgt wurde. Der neue hat ja durchaus vernünftige Ansichten geäußert.
… also nicht vor den Hysterie-Zug spannen lässt und Alternativen zum Problem-Riesen „Akku“ erforscht.

Celsi:

Jeder, der so einen Schwachsinn schreibt, sollte… ach ja, Netiquette… mal deutlich mehr oder deutlicher weniger von dem Zeug einwerfen – das aktuelle Level tut ihm nicht gut.

RET:

Zumindest scheint Porsche es nicht als totes Pferd zu sehen?
Sonst hätten sie keine Simulationen gemacht und die Option E-Fuel aufgegeben.
Zumindest ist die Person, die hier schreibt, ein Außenseiter von Porsche und hat kein Recht, den Forscher zu entlassen.
Warum nicht versuchen, einen Weg des Zusammenlebens zu finden, anstatt das eine oder das andere auszuschließen?

Steven B.:

Und wieder Comments auf Comments wo den Schuss nicht gehört haben. Seit Jahren baut die Wasserstoff Lobby kontinuirlich ihren Einfluss aus, seit jahren wird dem wasserstoff eine weitere alternative antriebsart zugwiesen, die ergänzend zur elektromobilität steht. die zukunft ist eben so wie sie die politik und die wirtschaft plant, sorry, dass man hier eben nicht nur auf elektromobilität schaut, sondern alternativen untersucht, die es eben so würdig sind, gefördert zu werden. ich sehe das entspannt und wäre auch für die technik zu begeistern. hauptsache weg vom verbrenner den benzintechnologie…

Smartino:

Sound aus Soundchips, der aber nur im Innenraum hörbar ist, möglichst mit Kopfhörern.
Die Umwelt mit unnötigem Lärms terrorisieren, ist eine unverschämte Frechheit.

Daniel W.:

In der Zukunft darf Papi am Wochenende auf gesperrten Plätzen in der Pampa die Verbrenner-Sau rauslassen mit Aussenlautsprecher, Rauch- und Feuergenerator, also die volle Dröhnung für die abhängigen Verbrenner-Junkies nach den entbehrungsreichen Zeiten in der ruhigen und sauberen Stadt.

Es muss in Zukunft kein Verbrenner sein, wozu gibt es Soundchips? – und preiswerter ist es zudem.