Ein Mähdrescher in der Erntesaison kennt keine Pause. Wenn das Korn reif ist, bleibt nur ein kurzes Zeitfenster, um es einzuholen – oft nur wenige Tage. Regen oder starker Wind können die Ernte in kürzester Zeit gefährden oder unbrauchbar machen. Deshalb läuft eine leistungsstarke Landmaschine im Zweifel rund um die Uhr. Bis zu 1.400 Liter Diesel verbraucht sie unter anspruchsvollen Erntebedingungen täglich, um unter Staub, Hitze und Dauerlast die Feldarbeit zu verrichten. „Diese enorme Energiemenge in Form von Batteriespeichern mitzunehmen, ist im Bereich der Offroad-Maschinen nahezu unmöglich“, sagt Dr. Uwe Wagner, der sich als Gruppenleiter am Institut für Kolbenmaschinen (IFKM) des KIT mit alternativen Kraftstoffen beschäftigt. „Auch unter Berücksichtigung der motorischen Wirkungsgrade wäre eine Batterie mindestens um den Faktor fünf schwerer oder größer als ein vergleichbarer Dieseltank“, so Wagner weiter. Die Energiedichte von Batterien reiche nicht aus, um an die Leistung und Laufzeit von Dieselmotoren heranzukommen. Und selbst wenn, wären die Ladezeiten während der Ernte wirtschaftlich nicht tragbar. Praktikabel ist die Elektrifizierung für schwere Nutzfahrzeuge folglich nicht. Nutzenden und herstellenden Unternehmen ist jedoch klar, dass Antriebe mit fossilen Kraftstoffen auf Dauer nicht nachhaltig und vertretbar sind. Die Energie- und Mobilitätswende macht auch vor der Landwirtschaft nicht Halt. Genau hier setzt das Projekt „PoWer – Potenzial von Wasserstoffmotoren für effiziente und robuste Offroad-Anwendungen“ an. Gemeinsam mit Industriepartnern wie MAHLE, DEUTZ, CLAAS und weiteren Partnern untersucht das KIT, wie sich Wasserstoffmotoren für Land- und Baumaschinen effizient, langlebig und praxistauglich realisieren lassen.

Die Zukunft fährt H₂eavy Duty

Das PoWer-Projektteam setzt auf Wasserstoff als Energieträger für die sogenannten Heavy-Duty-Anwendungen, also Antriebe mit hoher Leistung unter extremen Bedingungen. „Der Charme von Wasserstoff ist seine Kohlenstofffreiheit. Wenn wir Wasserstoff verbrennen, entsteht kein CO₂, sondern Wasser, das die Umwelt per se nicht belastet. In vielen Schwerlastanwendungen ist der Verbrennungsmotor wirkungsgradtechnisch mindestens auf Augenhöhe mit einer Brennstoffzelle – teilweise sogar besser“, erklärt Wagner. „Mit einem Verbrennungsmotor ist es fast egal, wie staubig es auf dem Feld ist. Er ist sehr robust gegenüber Staub und Temperaturen, während Brennstoffzellen hier deutlich sensibler reagieren. Deshalb bauen wir auf die Verbrennertechnologie“, ergänzt Kollege Jürgen Pfeil, Gruppenleiter für Optik und Ölkreisläufe am IFKM. Weitere Faktoren sprechen für einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor, um sich mit heutigen Dieselmotoren messen zu lassen: hohe Dauerleistung, lange Lebensdauer, kurze Betankungszeiten sowie die Möglichkeit, bestehende Motorarchitekturen weiterzuentwickeln.

Von Diesel zu Wasserstoff – mehr als Kraftstoffwechsel

Ausgangspunkt ist ein bewährter Dieselmotor, der vom Partner Deutz zur Verfügung gestellt wird. Obwohl die Projektpartner nicht bei null ansetzen, verändert Wasserstoff als Kraftstoff die Spielregeln. Die Brennraumgeometrie eines Dieselmotors als Basis ist geometrisch nicht ideal für einen Wasserstoff-Ottomotor. Dieselmotoren arbeiten verfahrensbedingt mit hoher Verdichtung. Das bedeutet, die Luft im Zylinder wird stark komprimiert, bevor der Kraftstoff eingespritzt wird und eine heterogene Gemischbildung vorliegt. „Da Wasserstoffmotoren bevorzugt mit homogenen Gemischen betrieben werden und Wasserstoff viel leichter zündet, ist diese Verdichtung zu hoch. Sie würde zu unkontrollierter Selbstzündung führen, die sich als Vorentflammung oder Klopfen zeigt. Um das zu vermeiden, müssen wir das Verdichtungsverhältnis reduzieren, den Brennraum neugestalten und eine passende Einspritzstrategie entwickeln. Daher optimieren wir den Motor nicht nur für Effizienz, sondern auch für Sicherheit – ohne Wirkungsgradeinbußen hinnehmen zu müssen“, erläutert Wagner die Komplexität.

Systemdenken statt Einzeloptimierung

Bis Ende 2027 soll ein funktionsfähiger Motorprototyp in einer Landmaschine des Partners CLAAS integriert werden: ein wasserstoffbetriebener Offroad-Motor mit optimiertem Brennraum, validierten Werkstoffen und angepasstem Abgasnachbehandlungssystem. Über die Arbeiten am KIT hinaus werden nicht nur die Einzelkomponenten der Motorisierung, sondern das Gesamtfahrzeug und infrastrukturelle Themen betrachtet, wie etwa Komponentenfertigung, Fahrzeugintegration sowie sichere Tankinfrastruktur. Regelmäßige Konsortialtreffen bei den Partnern – vom Motorenwerk bis zur Mähdrescherfertigung – sorgen dafür, dass Theorie und Anwendung eng verzahnt bleiben. „Wenn wir sehen, wo unsere Entwicklungen später eingesetzt werden, bekommt die Forschung eine ganz andere Dynamik“, sagt Lott. Alle arbeiten auf eine gemeinsame Vision hin: Es geht nicht nur um saubere Luft, sondern um eine praktikable Technik, die sich rechnet. „Nutzende wollen eigentlich keine Abstriche machen. Keine Kompromisslösung, sondern ein echter Diesel-Ersatz. Wenn der Wasserstoffverbrenner die gleiche Leistung bringt, mit geringeren Emissionen und vergleichbaren Kosten – dann ist er ein echter ‚Game Changer‘. Besonders dort, wo Batterien nicht reichen: bei schweren Nutzfahrzeugen, Baumaschinen, Landmaschinen – und irgendwann vielleicht auch bei Schiffen oder Flugzeugen. Die Technologie ist da und wird eine Zukunft in der diversifizierten Mobilität haben“, bekräftigt Wagner.