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Beim Wasserstoffverbrennungsmotor (kurz Wasserstoffmotor) wird ein konventioneller Verbrennungsmotor mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben. Grundlage ist die Knallgasreaktion (zwei Teile Wasserstoff mit einem Teil Sauerstoff) in einem Kolbenrotationszylinder. Der Gesamtprozess arbeitet dabei nach dem Ottoprinzip wie in herkömmlichen Ottomotoren. Teils können Benzinmotoren auch für den Betrieb mit Wasserstoff modifiziert werden oder mit beiden Kraftstoffen parallel betrieben werden (siehe z. B. BMW Hydrogen 7).
Der Wasserstoffverbrennungsmotor ist nicht zu verwechseln mit dem Antriebssystem Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle und Elektromotor, er steht dazu in Konkurrenz.
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Der Druck gespeicherte Wasserstoff wird mit geringem Überdruck in das Ansaugrohr eingeblasen. Wenn der Kraftstoff als flüssiger Wasserstoff im Kraftstofftank gespeichert wird, muss er auf dem Weg zum Ansaugkanal erwärmt werden um dort gasförmig anzukommen. Der Kraftstoff wird noch vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum mit der Luft vermischt. Dieses Gemisch wird nach dem Verdichten im Verbrennungsraum fremdgezündet. Alternativ kann flüssiger Wasserstoff in das Saugrohr eingespritzt werden. Die vergleichsweise warme Ansaugluft wird abgekühlt, das Gasgemisch nimmt im Volumen ab und der Füllgrad wird besser.
Bei diesem Mischungsverfahren wird gasförmiger Wasserstoff unter hohem Druck (80 – 120 bar) direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt. Das Ladungsgemisch wird abgekühlt und mit einer Zündkerze gezündet. Die Füllung gegenüber der Saugrohreinblasung ist höher und die untere Carnot-Prozesstemperatur liegt tiefer. Dies erhöht den thermodynamischen Wirkungsgrad und die Leistung. Die innere Gemischbildung wird zum Beispiel von Mazda in den RX-8-H2-Motoren eingesetzt. In Otto- und Wankelmotoren wird das Gasgemisch mit Zündkerzen gezündet. Um das Gemisch ohne Zündkerze zünden zu können, wurde das Diesel-Zündstrahl-Verfahren entwickelt. Dabei wird zusätzlich zum Wasserstoff eine geringe Menge Dieselkraftstoff eingespritzt, der sich leichter entzündet als Wasserstoff (ähnlich wie bei Biogas-Motoren). Brennt erst einmal dieser Diesel-Zündstrahl, wirkt er als Pilotzündung für den Wasserstoff. Nachteil dieses Verfahrens ist der zusätzliche Bedarf eines Hilfskraftstoffs.
Äußere und innere Gemischbildung lassen sich auch kombinieren. Es lassen sich noch andere Gemischbildungsarten kombinieren: Bei Verbrennung mit innerer Gemischbildung kann Wasserstoff früh oder spät eingespritzt werden. Die frühe Einspritzung beginnt noch vor dem Schließen der Einlassventile. Die späte Einspritzung beginnt nahe dem oberen Totpunkt und kann noch während der Verbrennung andauern. Eine gute Durchmischung von Luft und Wasserstoff bringt die frühe Einspritzung.
Ein homogenes (gut durchmischtes) Wasserstoff-Luft-Gemisch mit einem idealen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda=1) entzündet sich leicht. Man kann durch den früh eingespritzten Wasserstoff das Gemisch auch sehr mager halten (wenig Wasserstoff pro Luft), so dass es nicht so zündwillig ist. Erst vor dem oberen Totpunkt wird noch einmal eingespritzt, um im Kerzenbereich ein fettes und gut zündbares Gemisch zu erhalten. Durch die Wasserstoffeinblasung während der Verbrennung kann der Brennverlauf gesteuert werden. An diesem System forscht die Firma BMW, um die Leistung der Motoren zu steigern und die Emissionen von Luftschadstoffen zu senken.
Abseits der technischen Problemstellung bleibt also die Frage, wo der Wasserstoff für Wasserstoffantriebe herkommt (Well-to-Tank). Wasserstoff ist im Gegensatz zu Erdgas und Erdöl keine Energiequelle, da man Wasserstoff in der Natur nur gebunden vorfindet. Im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft muss der Wasserstoff folglich immer durch Einsatz von Energie produziert werden. Sowohl für die heutige Forschung zu Wasserstoffantrieben als auch dem kommerziellen Einsatz wird der Wasserstoff meist aus Erdgas bei gleichzeitiger Entstehung des Klimagases CO2 gewonnen – dabei nimmt einerseits der Energiegehalt ab, andererseits ist es keine dauerhafte Lösung. Andere Arten der Wasserstoffherstellung sind beispielsweise die Wasserelektrolyse, welche aktuell erst in Norwegen in größerem Maßstab betrieben wird, weil man dort mit Wasserkraftwerken mehr Strom produziert, als man verbraucht. Die Elektrolyse weist eine Effizienz von etwa 70% auf. Weitere Verluste entstehen durch die Kompression (könnte aber teilweise zurückgewonnen werden), die Verflüssigung (Tiefstkühlung) und den Transport des Wasserstoffs.
Hauptartikel: Wasserstoffspeicherung
Der Wasserstoff für den Wasserstoffmotor wird entweder verflüssigt (-253C), höchstkomprimiert (700 bar) oder in einem Metallhydrid</b>tank gespeichert.
Flüssigtanks gasen dabei durch unvermeidliche Isolationsverluste bei Nichtbenutzung aus. Dieser Prozess beginnt beim BMW Hydrogen7 nach 17 Stunden Standzeit und kann dazu führen, dass nach 9Tagen ein halbvoller Tank verdampft[4].
Die Probleme durch Diffusion und Versprödung bei Hochdrucktanks gelten durch den Einsatz moderner Materialien als gelöst[8].
Ein Vorteil des Metallhydrid-Tanks ist, dass kein Hochdruck für die Speicherung benötigt wird. Da der Wasserstoff nur freigesetzt werden kann, wenn die Temperatur des Metallhydrids steigt, kann das Gas solange sicher gespeichert werden, bis es als Kraftstoff benötigt wird. Beim Betanken des Fahrzeugs muss das Metallhydrid mit Wasser gekühlt werden, da sonst der Wasserstoff mit dem Metallhydrid reagiert, was zu einem erheblichen Temperaturanstieg führen würde. Umgekehrt wird der im Betrieb benötigte Wasserstoff freigesetzt, indem das erwärmte Motorkühlwasser durch das Metallhydrid geleitet wird. Diese Technologie befindet sich derzeit (2012) in der Entwicklungsphase und findet Anwendung in U-Booten, wo das hohe Gewicht der Speicher ebenso wie die Kosten nur eine geringe Rolle spielen.
Wasserstoff kann durch Hydrierung von organischen Substanzen (z. B. N-Ethylcarbazol) effizient in flüssiger Form drucklos gespeichert und transportiert werden, wobei sowohl das bestehende Tankstellennetz als auch die bisherigen Fahrzeug-Kraftstofftanks mit vergleichsweise geringem Umbau weiter genutzt werden könnten und viele der bisherigen Kritikpunkte entfallen würden. Diese Verfahren befinden sich derzeit (2012) in Forschung und Entwicklung.[9]
Im Jahre 1999 fand die Wasserstofftechnik am Flughafen München in drei Niederflur-Gelenkbussen mit Druckwasserstoffspeicherung der Firma MAN Nutzfahrzeuge Einzug.
Auch in Berlin waren zur Fußball-Weltmeisterschaft 2006 zwei Busse mit Wasserstoffverbrennungsmotor von MAN im Dauereinsatz. Sie legten etwa 8.500 Kilometer zurück und hatten im Laufe des Jahres 2006 in Berlin-Spandau den regulären Linienbetrieb aufgenommen. 2009 teilte der Hersteller MAN mit, wegen vermehrter Defekte das Projekt aufzugeben[10].
1991 entwickelte Mazda mit dem HRX-1 sein erstes mit einem Wasserstoffwankelmotor angtriebenes Versuchsauto. 1993 folgt dann der HRX-2 und rüstet versuchsweise einen MX-5 mit einem Wasserstoffwankelmotor aus. 1995 erfolgt mit einem Capella Cargo ein zwei Jahre dauernder Fahrversuch im Straßenverkehr. 2003 stellt Mazda den RX-8 Hydrogen RE vor. [11] 2005 folgt der Mazda 5 Hydrogen RE. Im März 2006 lieferte Mazda Japan die ersten wasserstoffbetriebenen RX-8 an Kunden aus. [12]
1999 wurde der BMW 750hL, das erste Konzeptfahrzeug mit Wasserstoffverbrennungsmotor von BMW mit 150 kW Leistung (204 PS) und 225 km/h Spitzengeschwindigkeit, entwickelt.
Ein zweites wasserstoffgetriebenes Modell, der BMW 745h mit einer Leistung von 135 kW (184 PS) und einer Höchstgeschwindigkeit von 215 km/h, wurde 2001 präsentiert, im selben Jahr baute die BMW Group den Mini Cooper Hydrogen, den ersten Mini Cooper mit Wasserstoffverbrennungsmotor.
Auf der Auto-Show 2006 in Los Angeles hat BMW einen weiteren PKW mit Wasserstoffantrieb vorgestellt. Ab Frühjahr 2007 kann der BMW 760h „Hydrogen 7“, basierend auf dem 760i der BMW 7er Reihe, von BMW geleast werden (ein Verkauf ist derzeit nicht vorgesehen). Der herkömmliche 12-Zylinder Verbrennungsmotor der 7er Reihe wurde dabei für die Verbrennung von Wasserstoff modifiziert. Der Motor leistet 191 kW (260 PS) und 390 Nm Drehmoment. Die Höchstgeschwindigkeit liegt bei ca. 230 km/h (elektronisch abgeregelt). Wegen des Wasserstoff-Tanks wurde der Kofferraum von 500 l auf 250 l verkleinert.
BMW hat 2009 bekanntgegeben, dass der Feldversuch mit Luxuslimousinen, die mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor betrieben werden, nicht weitergeführt wird. „Es wird vorerst keine neue Wasserstoff-Testflotte geben“, sagte der BMW-Entwicklungsvorstand [13][14]. Eine Einstellung der Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet soll damit nicht verbunden sein. [15] Allerdings sind derzeit (2012) keine Aktivitäten von BMW auf dem Gebiet Wasserstoffverbrennungsmotor bekannt.
