Mazda testet wasserstoffbetriebene Wankelmotoren
HyNor heißt ein Großprojekt in Norwegen zum Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur für Autos. Mazda steuert einen RX-8 bei, dessen Wankel H2 verbrennt sowie einen seriellen Hybrid mit Kreiskolbenmotor
Oslo (Norwegen), 9. Juli 2009 – Einen Pkw mit Wankelmotor fahren auch Motorjournalisten nicht alle Tage, und ein "Mazda RX-8 Hydrogen RE" ist noch einmal etwas ganz Besonderes: Sein Kreiskolbenmotor verbrennt nämlich im Normalfall Wasserstoff. Das Auto ist eines von bislang zwei Exemplaren, die derzeit in Norwegen im Rahmen des so genannten HyNor-Projektes erprobt werden.
Reich durch Öl- und Gasvorkommen
HyNor, der Name verrät es bereits, ist ein norwegisches Projekt mit dem Ziel, eine funktionstüchtige Infrastruktur für wasserstoffbetriebene Autos zu errichten. Auf den ersten Blick verwundert es, dass ausgerechnet Norwegen ein so ehrgeiziges Projekt verfolgt, schließlich verfügen sie Skandinavier doch über reichlich Wasserkraftwerke und sind gar als Exporteure von offshore gefördertem Erdgas und Erdöl bekannt. Doch die Skandinavier bauen schon jetzt für das "Ende der Ölzeit" vor: Exporterlöse aus den fossilen Brennstoffen dienen auch der Zukunftssicherung des Gemeinwesens, den eigenen Strombedarf decken die Norweger schonheute vornehmlich durch Wasserkraft. Damit lässt sich Wasserstoff mittels Elektrolyse relativ preiswert und umweltfreundlich erzeugen. Beteiligt am HyNor [1]-Projekt sind rund 50 Kooperationspartner, darunter öffentliche Institutionen, Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen. Ziele sind der Aufbau eines Tankstellennetzes und die Praxiserprobung von Wasserstoffautos.
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Sauber tanken
Mazda wird bis Ende 2009 insgesamt zwischen 10 und 15 RX-8 Hydrogen RE zur Verfügung stellen, ergänzt wird die HyNor-Flotte durch 15 auf Wasserstoff umgerüstete Toyota Prius der Firma Quantum, fünf einheimische Think Hydrogen und ab 2010/2011 acht Busse. Zudem laufen Verhandlungen mit weiteren Herstellern zur Erprobung von Fahrzeugen. Im Mai 2009 wurde die erste norwegische Wasserstoff-Route eröffnet: Entlang einer rund 600 Kilometer langen Strecke kann an acht Tankstellen H2 nachgefüllt werden. Der Tankvorgang erinnert stark an das von Erdgas-Tankstellen bekannte Verfahren: Schlauch auf den Adapter stecken, mit einem Hebel verriegeln und den Startknopf drücken. Insgesamt dauert der Vorgang kaum länger als das herkömmliche Betanken eines Pkw mit Benzin oder Diesel. Gespeichert wird der Wasserstoff in zwei Tanks mit einem Druck von 350 bar und einer Kapazität von 105 Liter, die den RX-8-Kofferraum komplett ausfüllen.
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Keine Umwege
Anders als die meisten deutschen Hersteller setzt Mazda auf die exotisch anmutende Lösung eines Wasserstoff-Wankelmotors. Warum keine Brennstoffzelle? Die Japaner räumen ein, dass diese den höheren Wirkungsgrad besitzt und ebenfalls nur Wasserdampf emittiert. Doch laut Mazda bietet der Wasserstoff-Wankel aber den Vorteil, dass er konstruktiv stark der Benzinvariante ähnelt. Dadurch fielen die Produktionskosten geringer als für einen Brennstoffzellen-Stack aus, und auch die Zuverlässigkeit liege über jener der Brennstoffzelle. Ein weiterer Pluspunkt: Der Wankel kann sowohl mit Wasserstoff als auch mit Benzin betrieben werden, sodass das Fahrzeug nicht komplett vom doch noch recht dünnen Tankstellennetz abhängig ist. Ein Blick in die technischen Daten dämpft jedoch die Erwartungen: Die H2-Reichweite beträgt 100 Kilometer, mit Benzin sind es gerade einmal 45 Kilometer, denn der Benzintank ist nur fünf (!) Liter groß. Diese Eckdaten klingen ziemlich bescheiden, aber man ist noch in der Erprobung und der Stauraum für Tanks ist in einem Sportwagen wie dem RX-8 naturgemäß begrenzt.
Vorteile für den Wankel
Zumindest als Übergangslösung bis zu dem Zeitpunkt, an dem Brennstoffzellen kostengünstiger werden, erscheint der Wasserstoff-Wankel also durchaus sinnvoll. Allerdings gibt es bei der Verbrennung von Wasserstoff in einem Motor zwei Aspekte zu beachten: Im Vergleich zu konventionellem Benzin ist Wasserstoff leichter entzündlich und benötigt auch eine geringere Zündungsenergie. Jedoch ist seine Energiedichte kleiner als die von Benzin. Diese beiden Eigenschaften wirken sich in einem Kreiskolbenmotor weniger nachteilig aus als in einem Hubkolbenmotor: Die lang gezogenen Brennräume des Wankel galten als Effizienzkiller. Da Wasserstoff aber leichter entzündlich als ein Benzin-Luftgemisch ist, hält sich das Problem in Grenzen.
Richtig zünden
Mehr Sorgen bereitet die leichte Zündfähigkeit von Wasserstoff im klassischen Ottomotor. Hier wird das Gemisch direkt in den heißen Brennraum geleitet, kommt das Gas mit den sehr heißen Auslassventilen in Kontakt, besteht die Gefahr von ungesteuerten Selbstzündungen. Durch die räumliche Trennung von Einlass und Auslass im Wankel besitzt er einen weiteren Vorteil.
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Unterwegs im sauberen RX-8
Doch wo Licht ist, gibt es auch Schatten: Bei der Verbrennung gleicher Volumenmengen bei Wasserstoff wird weniger Energie freigesetzt als im Fall von Benzin. Folglich muss ein höherer Volumenanteil in den Brennraum gefüllt werden: Etwa 29,5 Prozent des Zylindervolumens benötigt der gasförmige Wasserstoff für die Verbrennung, Benzin dagegen nur rund 1,7 Prozent. Dadurch fällt der Luftanteil entsprechend geringer aus, die Verbrennung erfolgt unvollständig, in der Folge wird weniger Leistung freigesetzt. Abhilfe schafft eine direkte Einspritzung des Wasserstoffs in den Brennraum. Dennoch ist im Fahrbetrieb schnell spürbar, ob gerade H2 anstatt Benzin verbrannt wird. Dann legt der sanft surrende Wankel legt im RX-8 Hydrogen RE eine rauhe Note an den Tag, die härtere Verbrennung ist unüberhörbar. Auch die Leistung erinnert kaum an einen Sportwagen: Zu Buche stehen im Benzin- und Wasserstoffmodus 109 PS und ein maximales Drehmoment von 140 Nm. Über eine Taste neben dem Lenkrad kann während der Fahrt von Wasserstoff auf Benzin umgeschaltet werden, während der Wechsel in die andere Richtung nur im Stand möglich ist. Angesichts der Motordaten und des begrenzten Brennstofvorrats ist also geruhsames Gleiten angesagt, um die Reichweite des Autos nicht überzustrapazieren. Am Gewicht liegt es übrigens nicht: Der Wasserstoff-RX-8 ist gerade einmal 52 Kilogramm schwerer als ein Serienmodell mit 192 PS. Äußerlich entspricht der Wankel-Mazda schon der kommenden Facelift-Version: Die Kombination von neuer Frontpartie, modifizierten Seitenblinkern sowie Änderungen am Heck und im Innenraum weiß zu gefallen.
Serieller Hybrid mit Wankelmotor
Der RX-8 Hydrogen RE ist nicht der einzige saubere Mazda, den wir fahren dürfen. Extra aus Japan wurden zwei Premacy Hydrogen RE Hybrid mitgebracht. Das Basisfahrzeug ist hierzulande als Mazda 5 bekannt. In Japan wird die Hydrogen-Ausführung bereits seit Mai 2009 in einem speziellen Programm an gewerbliche Kunden verleast. Bei dem Fahrzeug handelt es sich um einen seriellen Hybrid. Das Fahrzeug nutzt den von einem Wasserstoff-Wankel mithilfe eines Generators erzeugten Strom um und wird durch einen Elektromotor fortbewegt. Zwischengespeichert wird der Strom in einer Lithium-Ionen-Batterie. Auch beim Premacy Hydrogen RE Hybrid ist der Wasserstofftank 105 Liter groß, jedoch wird hier eine Reichweite von 200 Kilometern möglich, der 25-Liter-Benzintank ermöglicht zusätzlich 400 Kilometer.
Dreh-freudig
Der Kreiskolbenmotor unter der Haube des Sonder-Premacy leistet 80 kW/109 PS. Der Elektromotor kommt auf 110 kW/150 PS und ein Drehmoment von 350 Nm. Beim Fahren dringt erneut der rauhe Wankel-Sound ins Ohr, denn trotz aller Beteuerungen der Ingenieure schaltet sich der Verbrenner recht früh zu. Leiser und spritziger wird es im Benzinmodus, doch es stören die großen Drehzahlsprünge des Getriebes. Beim Premacy Hydrogen RE Hybrid läuft der Wankel nämlich nicht in einer monotonen Dauerdrehzahl, wie dies bei anderen Range-Extender-Motoren der Fall ist. Beim Gewicht fordert der technische Aufwand seinen Tribut: Mit 1760 Kilogramm ist der Hybrid-Van rund 300 Kilogramm schwerer als sein Benzin-Pendant.
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Mit Wasserstoff in die Zukunft?
Ob und wann genau der Wasserstoff-Wankel für jedermann erhältlich sein wird, ist derzeit offen. Zwar ist das HyNor-Projekt derzeit wohl einer der überzeugendsten Lösungsversuche des vielzitierten Henne-Ei-Problems [4], dass ein alternativer Kraftsoff nur dann eine Marktchance hat, wenn es ausreichend Tankmöglichkeiten und erschwingliche Fahrzeuge gibt. Doch sind längst nicht alle Länder in der glücklichen Lage Norwegens, ihren Strombedarf in so hohem Maße durch Wasserkaft decken zu können. Sobald Kohle- oder Atomkraftwerke für die Wasserstoff-Erzeugung ins Spiel kommen, stehen CO2-Bilanz oder gesellschaftliche Akzeptanz der Wasserstoffwirtschaft auf dem Spiel. Und auch der Neu- oder Ausbau von Wasserkraftwerken ist wegen der notwendigen Eingriffe in die Natur nicht unproblematisch. Interessanter erscheint schon, Wasserstoff per Windkraft zu erzeugen, um so deren schwankendes Aufkommen puffern zu können. Spannend an Mazdas Ansatz ist aber auf jeden Fall, dass der schon fast totgesagte Kreiskolbenmotor eine neue Existenzberechtigung als Überbrückung auf dem Weg zur Brennstoffzelle finden könnte. Im übrigen ist der Kreiskolbenmotor, wenn auch benzingetrieben, auch aus Sicht von Christoph Bollig, Forschungsleiter bei der FEV Motorentechnik, als Antrieb für Range Extender interessant [5].
Skandinavien geht voran
Betrachtet man die Entwicklung auf dem Gebiet der Wasserstoff-Mobilität, dann scheint es so, als wenn Staaten ohne eigene Automobilindustrie zügiger vorankommen. Dänemark verfolgt zum Beispiel das ehrgeizige Ziel, dass ab dem Jahr 2025 alle Neuwagen Elektro- oder Wasserstoffautos sein sollen. Dafür tut die Politik einiges: Die mit 180 Prozent extrem hohe Steuer beim Autokauf entfällt für die Öko-Mobile, gleichzeitig darf man im öffentlichen Raum frei parken. Zu guter Letzt sollen die jährlichen staatlichen Ausgaben von 67 auf 134 Millionen Euro steigen, um unter anderem bis 2011 eine Infrastruktur für Wasserstofffahrzeuge aufzubauen. In Deutschland hingegen werden einst mit viel PR-Aufwand eröffnete Wasserstoff-Tankstellen wieder geschlossen. Die öffentliche Agenda bei alternativen Antrieben dominieren derzeit Batteriefahrzeuge, seitdem zunächst die großen Stromkonzerne und jüngst auch der ADAC das Thema als potenziellen Zukunftsmarkt entdeckt [6] haben. (rh [7])
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[3] https://www.heise.de/bilderstrecke/4715985.html?back=457641;back=457641
[4] https://www.heise.de/news/Wann-kommt-die-Infrastruktur-fuer-Elektrofahrzeuge-455775.html
[5] https://www.heise.de/news/Verbrennungsmotoren-bringen-Elektroautos-weiter-448779.html
[6] https://www.heise.de/news/Autostrom-gratis-ADAC-bietet-oeffentliche-Ladestation-an-457279.html
[7] mailto:rh@ix.de
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