Die Dekarbonisierung stationärer und mobiler Energiesysteme erfordert neue Wege der Wasserstofferzeugung und -nutzung. Die Bereitstellung von elektrolytisch erzeugtem, hochreinem Wasserstoff (99,999 Prozent) für Brennstoffzellen entspricht dem Stand der Technik, ist jedoch mit hohem technischem und finanziellem Aufwand verbunden. Insbesondere für dezentrale Anwendungen, fernab vom geplanten Wasserstoff-Kernnetz, z. B. in der Landwirtschaft oder der Bauwirtschaft fehlen bislang wirtschaftliche Lösungen. Gleichzeitig sind in diesen Branchen robuste Dieselmotoren etabliert, die mit überschaubarem Aufwand auf Wasserstoff-Verbrennungsmotoren umgerüstet werden können.

Im Projekt Waste2HyEngine verfolgen die Fraunhofer-Institute UMSICHT und IKTS, die Hochschule Heilbronn und die DEUTZ AG einen Ansatz, der auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten ist: Mittels thermochemischer Wandlungsverfahren wie Pyrolyse werden biogene Reststoffe zu einem wasserstoffreichen Synthesegas umgesetzt. Dieses Gas wird auf einem umgerüsteten stationären Wasserstoff-Verbrennungsmotor im kontinuierlichen Betrieb getestet. Im Fokus steht das Motorlaufverhalten bei unterschiedlichen Gaszusammensetzungen. Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend: Der Motor läuft selbst bei sich ändernden Wasserstoffanteilen von 40 bis 100 Vol.-% im Gas ruhig und stabil. Daraus eröffnen sich zwei neue Nutzungsszenarien.

Pfad 1: Direkte Nutzung am Anfallort

Für die rein motorische Nutzung in stationären Anlagen ist eine weitere Aufkonzentrierung des Wasserstoffanteils im Pyrolysegas damit technisch nicht erforderlich. An Orten mit hohem Reststoffanfall – etwa Kompostwerken, Bioabfall-Verwertungsanlagen, Mühlen oder Sägewerken – steht damit ohne zusätzliche Aufkonzentration des Wasserstoffanteils eine kostengünstige, umweltfreundliche Brennstoffquelle für Blockheizkraftwerke zur Verfügung, die Strom und Wärme für den eigenen Betrieb bereitstellt. Eine vorgeschaltete Gasreinigung zur Abtrennung von Teeren, Stäuben und Schwefelverbindungen bleibt weiterhin erforderlich, um den Motor dauerhaft zu schützen – der Aufbereitungsaufwand ist jedoch deutlich geringer als bei der Erzeugung einer brennstoffzellentauglichen Gasqualität.

Pfad 2: Aufkonzentrierung für mobile Anwendungen und Transport

Soll das wasserstoffreiche Gas für mobile Anwendungen in Traktoren oder Baumaschinen bereitgestellt werden, ist eine Aufkonzentrierung des Wasserstoffs sinnvoll. Im Rahmen des Projekts wurden hierfür von den Projektpartnern Fraunhofer UMSICHT und IKTS unterschiedliche Membranverfahren entwickelt und getestet. Bislang konnte ein Wasserstoffanteil von 90 Vol.-% erreicht werden. Das erhöht die massenbezogene Energiedichte, und vereinfacht die anschließende Wasserstofflogistik hinsichtlich Transport und Speicherung. Perspektivisch könnten so dezentrale Betankungslösungen für Land- und Baumaschinen entstehen, deren Motoren auf Wasserstoffbetrieb umgerüstet sind – ein Pfad, der neben der Gasqualität allerdings auch Fortschritte bei Bordspeichern, Sicherheitstechnik und Genehmigung voraussetzt.

Niedrigere Reinheitsanforderung erschließt neue Rohstoffe

Das Forschungsvorhaben koppelt zwei Vorteile. Wasserstoff-Verbrennungsmotoren arbeiten auch mit Anteilen an Begleit- und Inertgasen wie Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder Methan zuverlässig – im Unterschied zu Brennstoffzellen, deren Katalysatoren bereits auf Spurenverunreinigungen im ppm-Bereich empfindlich reagieren. Gleichzeitig steht eine Vielzahl biogener Reststoffe zur Verfügung, die bislang nicht als Wasserstoffquelle genutzt werden können, z.B. Gärreste aus Biogasanlagen, Grünschnitt, Klärschlamm oder kommunale Bioabfälle. Diese Stoffströme fallen regional an und werden heute überwiegend geringwertig verwertet; eine Aufbereitung zu hochreinem Wasserstoff ist wirtschaftlich nicht darstellbar. Durch die niedrigeren Anforderungen des modifizierten Motors an die Gasqualität werden sie erstmals als stationäre oder mobile Wasserstoffquelle nutzbar.

»Wir verbinden die thermochemische Konversion von Reststoffen mit der motorischen Wasserstoffnutzung zu einer durchgängigen Verfahrenskette«, erläutert Dr.-Ing. Christopher Graf-Kick, Projektkoordinator am Fraunhofer UMSICHT. »Der Schlüssel liegt in der Flexibilität des Motors gegenüber der Zusammensetzung des Gasgemisches: Das erschließt Reststoffe, die für Wasserstoff bisher nicht in Frage kamen. Die weitere Aufkonzentration, zum Beispiel über neuartige Membrantechnologien, ist ebenfalls vielversprechend. Sie ermöglicht Anwendungen in der Mobilität oder Wasserstofflogistik.«

In der ersten, abgeschlossenen Projektphase wurden die Toleranzgrenzen eines Wasserstoffmotors hinsichtlich der Gaszusammensetzung systematisch bestimmt. Auf dem Motorenprüfstand an der Hochschule Heilbronn wurden dazu unterschiedliche Gasmischungen nachgestellt und im Motor getestet. Der Versuchsmotor basiert auf einem von der DEUTZ AG produzierten 4-Zylinder-Dieselmotor. Bei der Umrüstung auf Wasserstoffbetrieb stellt das neue mechanisch gesteuerte Gaseinblasesystem der Hochschule Heilbronn eine Schlüsselkomponente dar. »Es ermöglicht eine präzise Gasmengendosierung auch bei extrem schwankenden Gaszusammensetzungen und kann praktisch in jeden Dieselmotor eingebaut werden«, erklärt Professor Karsten Wittek, Leiter des Labors für Kolbenmaschinen an der Hochschule Heilbronn. 

In der zweiten, aktuell laufenden Projektphase wird die gesamte Prozesskette mit realem, aus Reststoffen gewonnenem Pyrolyse-Gas und Verstromung in dem neu entwickelten Gasmotor bei Fraunhofer UMSICHT erprobt.

Dr.-Ing. Georg Töpfer, von der DEUTZ AG sagt: »DEUTZ bietet seit vielen Jahren zuverlässige Antriebslösungen für die Landwirtschaft und die Bauwirtschaft. Mit der Möglichkeit zur Umrüstung auf einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor eröffnen wir unseren Kunden einen Weg zur Dekarbonisierung. Wird der Wasserstoff aus regionalen Reststoffen gewonnen, können sie diesen Weg gehen, ohne auf den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur warten zu müssen.«

Stationäre Anwendung als Ausgangspunkt

Unmittelbares Entwicklungsziel des Projekts ist der Nachweis der Funktionsfähigkeit der Prozesskette für stationäre Blockheizkraftwerke. Perspektivisch adressiert die Technologie auch mobile Anwendungen. Da das Gas biogenen Ursprungs ist, wäre die Energiebereitstellung bilanziell nahezu klimaneutral. Darüber hinaus entsteht bei der thermochemischen Konversion ein kohlenstoffhaltiges Karbonisat. Wird dieses dauerhaft gespeichert, etwa als Pflanzenkohle im Boden, hat das Gesamtverfahren das Potenzial, in der Bilanz CO₂-negativ zu wirken. Die Nutzung von biogenem Wasserstoff im Verkehrssektor ist in Deutschland über die 37. BImSchV (Verordnung zur Anrechnung von strombasierten Kraftstoffen und mitverarbeiteten biogenen Rohstoffen) auf die Treibhausgasquote (THG-Quote) anrechenbar.

Waste2HyEngine ist ein vom BMFTR gefördertes Verbundvorhaben (Förderkennzeichen 03SF0754A) mit einem Gesamtbudget von 3,3 Mio. Euro und einer Laufzeit von März 2024 bis September 2026. Projektträger ist Jülich (PtJ).

 

Über Fraunhofer

Mit mehr als 30.000 Mitarbeitenden in 74 Instituten gehört die Fraunhofer-Gesellschaft mit Hauptsitz in Deutschland zu den weltweit führenden Organisationen für angewandte Forschung.

Das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT unterstützt Industrie und Gesellschaft beim Übergang zu einem klimaneutralen und zirkulären Wirtschaftssystem. Seine Forschungsschwerpunkte liegen auf Circular Economy, Grünem Wasserstoff, Carbon Management und lokalen Energiesystemen.

Der Standort Sulzbach-Rosenberg von Fraunhofer UMSICHT entwickelt verfahrenstechnische Lösungen für den Einsatz alternativer Kohlenstoffquellen wie Kunststoffabfälle, Verbundwerkstoffe sowie biogene Rest- und Abfallstoffe, um nachhaltige Produkte und Zwischenprodukte zu erzeugen – darunter Biokraftstoffe der nächsten Generation, Basischemikalien und funktionalisierte Biokohlen. Mit einem Schwerpunkt auf Prozess- und Anlagentechnik unterstützt das Institut seine Kunden und Partner von der ersten Projektidee über Pilotanlagen und Demonstratoren bis hin zur Markteinführung.

Über Hochschule Heilbronn

Die Hochschule Heilbronn (HHN) zählt mit rund 8.000 Studenten zu den größten Hochschulen für Angewandte Wissenschaften in Baden-Württemberg. An ihren vier Standorten bietet sie mehr als 50 zukunftsorientierte Studiengänge in den Bereichen Technik, Wirtschaft und Informatik an.

Das Labor für Kolbenmaschinen (kmh) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Karsten Wittek fungiert an der Hochschule als eine von mehreren Schnittstellen zwischen Lehre und angewandter Forschung. Im Fokus steht die Entwicklung nachhaltiger Antriebssysteme und zukunftsfähiger Motorentechnologien. Ausgestattet mit hochmoderner Prüfstandsinfrastruktur – darunter drei eigene Wasserstoff-Motorenprüfstande – bietet das Labor Industriepartnern und Studenten eine exzellente Plattform für praxisnahe Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich der Dekarbonisierung von Antrieben.

Über DEUTZ

DEUTZ hat sich in den letzten Jahren vom Hersteller klassischer Antriebe zum Systemanbieter innovativer und nachhaltiger Mobilitäts- und Energielösungen entwickelt. 1864 gegründet gilt das bis heute in Köln ansässige Unternehmen als älteste Motorenfabrik der Welt. Kern der Geschäftstätigkeit ist weiterhin die Entwicklung, Produktion und Vertrieb leistungsstarker Antriebssysteme für Off-Highway-Anwendungen, ergänzt durch alternative Antriebslösungen sowie dezentrale Energie- und Stromerzeugungssysteme, mit denen DEUTZ zur Transformation der Mobilitäts- und Energieversorgung beiträgt. DEUTZ-Lösungen kommen unter anderem in Bau- und Landmaschinen, Material-Handling-Anwendungen wie Gabelstaplern oder Hebebühnen, stationären Anlagen wie Stromerzeugungsaggregaten sowie Nutz- und Schienenfahrzeugen zum Einsatz. Ein umfassendes Serviceangebot, das sich von der Wartung und Reparatur über den Ersatzteilehandel bis hin zum Remanufacturing erstreckt und durch digitale, datenbasierte Services kontinuierlich erweitert wird, komplettiert das breit aufgestellte Produktportfolio. Mit rund 1.250 Vertriebs- und Servicestandorten in beinahe 180 Ländern bietet DEUTZ seinen Kunden damit ein integriertes Angebot aus einer Hand. DEUTZ beschäftigt weltweit rund 6.000 Mitarbeiter und erzielte im Geschäftsjahr 2025 einen Umsatz von gut 2,0 Milliarden Euro. Weitere Informationen finden Sie auf www.deutz.com.