Porsche testet Wasserstoff-Verbrennungsmotor auf der Nordschleife

Porsche Egineering untersucht das Potenzial von Wasserstoff als Alternative zu konventionellen Kraftstoffen. Aktuelle Wasserstoffmotoren sind meist nur bei Nutzfahrzeugen einsetzbar. "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 eine höhere Verdichtung und eine angepasste Verbrennung, in erster Linie 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 lässt sich mit konventionellen Turboladern nicht auflösen. Porsche Engineering hat darum vier alternative, 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 Team ein Turbosystem mit sogenannten Back-to-Back-Verdichtern aus. Zusätzlich zu einer koaxialen Anordnung von zwei Verdichterstufen, die über eine gemeinsame Welle durch 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 Leistung des Antriebs besser einordnen zu können, wurde die Fahrt mithilfe eines digitalen Zwillings durchgeführt. 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, daher konzentrierten sich die Experten bei der Emissionsoptimierung auf Stickoxide. In umfangreichen Optimierungsschleifen trimmten sie die Betriebsstrategie des Motors auf eine möglichst saubere Verbrennung. Ihr Ansatz: Das Rohemissionsniveau mithilfe einer extrem mageren Verbrennung gering halten, sodass man auf ein weiteres 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.

Zusätzlich zu den kaum messbaren Emissionen bietet der Wasserstoffmotor auf Grund der mageren Verbrennung eine 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.

Das Team von Porsche Engineering konnte alle Tests virtuell und effizient umsetzen. „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.“