Aus Reststoffen wird Motorkraft: Umgebauter Dieselmotor läuft stabil mit Wasserstoffgas

Was im Kompostwerk landet, gilt meist als Abfall. Ein Forschungsverbund um das Fraunhofer-Institut UMSICHT zeigt nun, dass in biogenen Reststoffen wie Grünschnitt, Gärresten oder Bioabfall ein Brennstoff für Motoren stecken kann. Im Projekt Waste2HyEngine haben die Beteiligten aus Reststoffen ein wasserstoffreiches Gas gewonnen und damit einen umgebauten Dieselmotor betrieben. Er lief bei Wasserstoffanteilen zwischen 40 und 100 Volumenprozent ruhig und stabil.

Wasserstoff ohne Reinheitsgebot Für Brennstoffzellen ist heute extrem reiner Wasserstoff aus der Elektrolyse Stand der Technik: 99,999 Prozent. Brennstoffzellen brauchen das, denn sie reagieren schon auf winzige Verunreinigungen empfindlich. Diese Reinheit zu erreichen, kostet technisch und finanziell viel Aufwand. Gerade abseits des geplanten Wasserstoff-Kernnetzes, etwa in der Land- und Bauwirtschaft, fehlen bislang wirtschaftliche Lösungen.

Ein Verbrennungsmotor ist da weniger wählerisch. Er verträgt Begleitgase wie Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Methan. „Der Schlüssel liegt in der Flexibilität des Motors gegenüber der Zusammensetzung des Gasgemisches“, sagt Projektkoordinator Christopher Graf-Kick von Fraunhofer UMSICHT. Ganz ohne Aufbereitung geht es trotzdem nicht: Teere, Staub und Schwefelverbindungen müssen vorher aus dem Gas, damit der Motor auf Dauer keinen Schaden nimmt. Der Aufwand fällt aber geringer aus als für eine Brennstoffzelle.

Vom Reststoff zum Prüfstand Der Weg dorthin hat drei Stationen. Zuerst werden die biogenen Reststoffe thermochemisch umgewandelt, zum Beispiel per Pyrolyse, also durch starkes Erhitzen unter Ausschluss von Sauerstoff. Dabei entsteht ein wasserstoffreiches Gas. Es wird gereinigt und schließlich in einem umgerüsteten Motor in Strom umgewandelt. Als Rohstoffe kommen neben Gärresten aus Biogasanlagen und Grünschnitt auch Klärschlamm und kommunaler Bioabfall infrage.

Herzstück auf der Motorseite ist ein Vierzylinder-Dieselmotor von DEUTZ. Die Hochschule Heilbronn hat dafür ein neues, mechanisch gesteuertes Gaseinblassystem entwickelt. Es soll die Gasmenge auch dann genau dosieren, wenn sich die Mischung stark ändert, und lässt sich nach Angaben der Hochschule in nahezu jeden Dieselmotor einbauen. Getestet wurde in zwei Phasen: Erst ermittelten die Heilbronner am Motorenprüfstand mit nachgestellten Gasmischungen, was der Motor verkraftet. Danach lief die ganze Kette mit echtem Pyrolysegas aus Reststoffen im Technikum von Fraunhofer UMSICHT in Hohenburg.

Strom und Wärme direkt vor Ort Einen ersten Einsatz sehen die Forschenden dort, wo die Reststoffe ohnehin anfallen: in Kompostwerken, Bioabfallanlagen, Mühlen oder Sägewerken. Ein Blockheizkraftwerk könnte das Gas dort ohne weitere Aufkonzentrierung nutzen und Strom und Wärme erzeugen.

Weil das Gas aus biologischen Reststoffen stammt, wäre die Energie bilanziell nahezu klimaneutral. Bei der Umwandlung bleibt zudem ein kohleartiger Rückstand übrig. Würde er etwa als Pflanzenkohle dauerhaft im Boden gespeichert, könnte die Bilanz sogar CO2-negativ werden.

Was noch fehlt Bei aller Freude über den ruhig laufenden Motor: Die Ergebnisse stammen aus dem Technikumsmaßstab, also aus einer Versuchsanlage, nicht aus dem Alltagsbetrieb. Unmittelbares Ziel des Projekts war der Nachweis, dass die Prozesskette für stationäre Blockheizkraftwerke funktioniert.

Für Traktoren und Baumaschinen ist der Weg noch weiter. Dafür müsste der Wasserstoff im Gas stärker angereichert werden. Mit Membranverfahren von Fraunhofer UMSICHT und dem Fraunhofer-Institut IKTS erreichte das Team bislang 90 Volumenprozent. Für den mobilen Einsatz braucht es außerdem Fortschritte bei Tanks an Bord, bei der Sicherheitstechnik und bei der Genehmigung.

Das Projekt lief von März 2024 bis September 2026 und wurde vom Bundesforschungsministerium (BMFTR) gefördert; das Gesamtbudget betrug 3,3 Millionen Euro. Es zeigt, dass Wasserstoff nicht immer aus der Hightech-Elektrolyse kommen muss – manchmal liegt ein Teil der Antwort auf dem Komposthaufen.