Einführung
Schwerlastverkehr, Off-Road-Maschinen, maritime Systeme oder stationäre Industrieanlagen, auch im Verteidigungskontext, stellen besonders hohe Anforderungen an Antriebssysteme. Gefordert sind hohe Dauerleistungen, extreme Lastprofile, lange Betriebszeiten und eine begrenzte Infrastruktur.
Wasserstoff entwickelt sich zu einer zentralen Technologie, um diese Anwendungen perspektivisch zu dekarbonisieren, ohne Kompromisse bei Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit einzugehen. Reine batterieelektrische Konzepte stoßen in diesen Einsatzfeldern zunehmend an physikalische und wirtschaftliche Grenzen.
Zwei technologische Wege für den Wasserstoffeinsatz
Für den Einsatz von Wasserstoff haben sich zwei technologische Pfade etabliert: der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (H₂ ICE) und der Brennstoffzellenantrieb (FCEV). Beide verfolgen unterschiedliche technische Ansätze, adressieren aber häufig ähnliche Anforderungen an Systemauslegung, Regelung und Absicherung.
Wasserstoff Verbrennungsmotor (H₂ ICE): Evolution des Bewährten
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor überträgt bewährte Motorkonzepte in das Wasserstoffzeitalter. Durch die Verbrennung von Wasserstoff im Zylinder können bestehende Motorplattformen sowie Produktions- und Serviceinfrastrukturen ohne große Anpassungen weiter genutzt werden.
Gerade in Anwendungen mit hohen Dauerlasten, robusten Einsatzprofilen und langen Lebenszyklen bietet der H₂ ICE entscheidende Vorteile: Er ist skalierbar, widerstandsfähig und technologisch vertraut. Gleichzeitig bringt der Einsatz von Wasserstoff neue Herausforderungen mit sich. Dazu zählen insbesondere angepasste Strategien für Gemischbildung, Zündung und Emissionskontrolle, vor allem im Hinblick auf die NOₓ-Reduktion, die frühzeitig im Entwicklungsprozess abgesichert werden muss.
Wasserstoff Brennstoffzelle (FCEV): Elektrisch und effizient
Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff elektrochemisch in elektrische Energie um und ermöglichen damit einen lokal emissionsfreien und leisen Betrieb. Besonders im Schwerlast- und Langstreckenbereich eröffnen sie neue Freiheitsgrade in der Antriebsarchitektur.
Gleichzeitig steigt jedoch die Systemkomplexität deutlich. Stack, Luft-, Wasserstoff- und Wasserpfad, das Wasser- und Wärmemanagement sowie die elektrische Kopplung mit Batterie und E-Antrieb müssen exakt aufeinander abgestimmt werden. Die Gesamtperformance hängt dabei maßgeblich von einer robusten Regelung und dem Zusammenspiel aller Subsysteme ab.
Herausforderungen auf dem Weg in die Serienreife
Unabhängig von der gewählten Technologie stehen beide Ansätze vor ähnlichen Herausforderungen, die häufig erst im Zusammenspiel der Subsysteme sichtbar werden:
- steigende Systemkomplexität
- anspruchsvolle Regelungsstrategien
- Integration von Peripherie und Energiemanagement
- Absicherung unter realistischen Betriebsbedingungen
Diese Wechselwirkungen lassen sich im realen System nur mit hohem Aufwand und Risiko untersuchen. Daher gewinnen simulationsbasierte Entwicklungsansätze zunehmend an Bedeutung.
Simulation als Schlüssel zur Industrialisierung
Virtuelle Entwicklungsmethoden sind heute unverzichtbar, um Wasserstoffantriebe effizient in die Serie zu bringen. Model-Based Development ermöglicht ein frühzeitiges Systemverständnis, die Absicherung von Regelstrategien und die gezielte Untersuchung von Grenzfällen, lange bevor erste Prototypen verfügbar sind. So lassen sich Entwicklungszeiten verkürzen und Risiken deutlich reduzieren. Dabei spielen Software-in-the-Loop (SIL) und Hardware-in-the-Loop (HIL) eine zentrale Rolle.
Von der Simulation zum realen System: SIL und HIL
Das Zusammenspiel aus ASM-Simulationsmodellen sowie SIL- und HIL-Tests ermöglicht es, Steuergeräte, Regelalgorithmen und Gesamtsysteme unter realistischen Einsatzbedingungen abzusichern – noch bevor vollständige Hardware verfügbar ist. Fehler werden früh erkannt, Iterationen verkürzt und Entwicklungsrisiken reduziert.
dSPACE Simulationsmodelle für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren
Die Simulation von H₂ ICE mit dSPACE ASM Engine bietet:
- bewährte Motormodelle
- flexible Parametrierung
- Unterstützung verschiedener Wasserstoff-Einspritzstrategien
- Abbildung der Abgasnachbehandlung zur NOₓ-Minderung
Auf Basis von Messdaten entstehen realistische und validierte Modelle, die eine frühe Absicherung komplexer Betriebsstrategien ermöglichen.
dSPACE Simulationsmodelle für Brennstoffzellensysteme
dSPACE ASM FuelCell ermöglicht die detaillierte Modellierung von PEM-Brennstoffzellensystemen inklusive:
- Stack
- Luft-, Wasserstoff- und Wassermanagement
- Peripherie und Systemregelung
So kann das Zusammenspiel aller Subsysteme realitätsnah analysiert und optimiert werden, von der Auslegung einzelner Komponenten bis zur Absicherung der Gesamtregelung.
Fazit: Mit Simulation zum erfolgreichen Wasserstoffantrieb
Sowohl Wasserstoff-Verbrennungsmotoren als auch Brennstoffzellensysteme werden künftig eine zentrale Rolle in energieintensiven Anwendungen spielen. Welche Technologie zum Einsatz kommt, hängt stark vom jeweiligen Szenario ab.
Erfolgreich in die Serie lassen sich beide Ansätze jedoch nur mit einem durchgängigen, simulationsbasierten Entwicklungsprozess überführen. Leistungsfähige Systemmodelle in Kombination mit SIL- und HIL-Methoden helfen dabei, Komplexität zu beherrschen, Entwicklungszeiten zu verkürzen und innovative Wasserstoffantriebe zuverlässig abzusichern.
