Wie KI und Wasserstoff den Verbrennungsmotor verändern

Der klassische Verbrennungsmotor ist längst nicht mehr das simple „Benzinfass mit Kolben“ aus den Anfangsjahren des Automobils. Moderne Ottomotoren sind komplexe, hochoptimierte Systeme, in denen Software, Sensorik und alternative Kraftstoffe darüber entscheiden, wie effizient und klimafreundlich sie arbeiten. Zwei Entwicklungen stechen dabei besonders hervor: der Einsatz von Machine Learning im Motorenmanagement und die Rückkehr des Verbrenners in Form des Wasserstoffmotors.

Machine Learning im Ottomotor: mehr Hirn für den Motor

Ottomotoren arbeiten idealerweise mit hoher Verdichtung und präzise gesteuerter Verbrennung, stoßen dabei aber an physikalische Grenzen wie das berüchtigte „Klopfen“. Bisher wurden solche Effekte über relativ starre Kennfelder und einfache Regler abgefangen, die nur einen Bruchteil der verfügbaren Messdaten wirklich ausnutzen.

Neue Ansätze kombinieren serientaugliche Zylinderdrucksensoren mit Machine-Learning-Algorithmen, die das Verbrennungsverhalten Takt für Takt analysieren. In einer TUM-Studie werden etwa zwei Wege zur Effizienzsteigerung vorgestellt: eine kluge Klopferkennung über Druckverläufe und eine datenbasierte Verbrennungsanalyse für Magerbetrieb. Ziel ist es, Zündwinkel, Einspritzmenge und Abgasrückführung so zu steuern, dass der Motor dauerhaft sehr nah an seiner optimalen Betriebsgrenze arbeitet, ohne Bauteile zu überlasten.

Wirkungsgrad: noch Luft nach oben, aber keine Wunder

Im Alltagsbetrieb erreichen heutige Benzinmotoren häufig Wirkungsgrade unter 30 Prozent, im Bestpunkt sind etwas über 30 Prozent möglich. Dies bedeutet: Ein Großteil der im Kraftstoff enthaltenen Energie geht weiterhin als Wärme verloren, etwa über Abgase und Kühlung. Forschungsprojekte wie ICE 2025+ der FVV wollen diese Grenze deutlich verschieben.

Im Projekt ICE 2025+ wird untersucht, wie sich durch höhere Verdichtung, variable Ventilsteuerzeiten, Abgasrückführung, Vorkammerzündung, Wassereinspritzung und Hybridisierung Wirkungsgrade von über 40 Prozent realisieren lassen. Messungen an Effizienzmotoren zeigen, dass in Hybridfahrzeugen thermodynamische Wirkungsgrade um 42 Prozent und mit synthetischen Kraftstoffen sogar bis zu 46 Prozent erreichbar sind. Die Vision: künftige Ottomotoren, die im Zusammenspiel mit E-Maschine und E-Fuels auf bis zu 50 Prozent Wirkungsgrad kommen und den Kraftstoffverbrauch um rund ein Drittel senken.

Ganz ohne Limit ist dieses Potenzial aber nicht. Thermodynamische Verluste durch Abwärme, Reibung und reale Verbrennungsprozesse lassen sich nur begrenzt reduzieren, wie Analysen zu Carnot-Grenzen und Verlustbilanzen zeigen. Viele Expertinnen und Experten rechnen daher eher mit einigen zusätzlichen Prozentpunkten als mit revolutionären Sprüngen weit jenseits von 50 Prozent.

Was Wasserstoff-Verbrenner anders machen

Parallel zur Optimierung klassischer Ottomotoren erlebt der Verbrennungsmotor ein Comeback – allerdings mit einem anderen Energieträger: Wasserstoff. Ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor (H2-Motor) funktioniert im Kern wie ein Ottomotor, bei dem jedoch Wasserstoff statt Benzin im Zylinder verbrannt wird. Dabei entstehen vor allem Wasserdampf und Wärme; CO₂-Emissionen aus dem Kraftstoff fallen praktisch nicht an, sofern grüner Wasserstoff eingesetzt wird.

Der große Vorteil: Viele Bauteile und viel Know-how aus der bisherigen Verbrennerwelt können weitergenutzt werden. Motorblock, Kurbeltrieb, Ventiltrieb und ein Großteil der Peripherie ähneln konventionellen Motoren, was die Umrüstung bestehender Plattformen ermöglicht und die Einstiegshürde für Hersteller senkt. Umrüstkonzepte für Nutzfahrzeuge zeigen, dass sich bestehende Dieselaggregate mit überschaubarem Aufwand in H2-Motoren verwandeln lassen.

Ist der H2-Verbrenner wirklich „besser“?

Ob der Wasserstoff-Verbrenner „besser“ ist, hängt stark von der Vergleichsgröße ab. Im Vergleich zu klassischen Benzin- und Dieselmotoren kann er bei Nutzung von grünem Wasserstoff die CO₂-Emissionen über den Kraftstoffpfad um über 98 Prozent senken. Das macht ihn in bestimmten Anwendungen, etwa im Schwerlast- oder Off-Highway-Bereich, zu einer interessanten Option.
Mehr zu Chancen und Risiken von Wasserstoff liest du in Wasserstoff nach dem Hype.

Allerdings bleibt die heiße Verbrennung ein Problem für NOx-Emissionen. Stickoxide entstehen vor allem bei hohen Temperaturen aus dem Stickstoff der Luft und müssen über Abgasnachbehandlungssysteme wie SCR-Katalysatoren reduziert werden. Brennstoffzellenfahrzeuge umgehen dieses Problem, da dort keine Flamme, sondern eine elektrochemische Reaktion stattfindet. Welche Projekte bereits gescheitert sind, zeige ich in Gescheiterte Wasserstoff‑Vorhaben.

Beim Wirkungsgrad liegt der H2-Verbrenner in der Größenordnung effizienter Dieselmotoren, also grob im Bereich um 40 Prozent im Bestpunkt. Brennstoffzellen erreichen typischerweise etwa 60 Prozent, batterieelektrische Antriebe kommen systemisch (von der Batterie bis zum Rad) oft auf noch höhere Werte. Der Preis für die schnelle Nutzbarkeit bestehender Motorplattformen ist also ein geringerer Gesamtwirkungsgrad.

Kosten: Wird der H2-Verbrennungsmotor ein Schnäppchen?

Für Autokäufer stellt sich die Frage, ob ein Wasserstoff-Verbrenner langfristig günstiger sein kann als heutige Verbrenner oder Elektroautos – unabhängig vom künftigen Wasserstoffpreis. Die Antwort ist gemischt: Einige Kostenvorteile, aber kaum echte „Billiglösung“.
Warum trotzdem von einer Wasserstoff‑Revolution gesprochen wird, erfährst du hier.

Auf der Plusseite steht die Ähnlichkeit zum konventionellen Motor: Hersteller können vorhandene Produktionslinien, Werkzeuge und Entwicklungsprozesse weiter nutzen, was die Kosten für den Antrieb selbst reduziert. Anders als Brennstoffzellen benötigen H2-Motoren keine teuren Platin-Stacks, was das Materialrisiko verringert.

Auf der Minusseite bleiben aber die gleichen teuren Komponenten wie bei Brennstoffzellen-Pkw: Hochdrucktanks mit 350 bis 700 bar, komplexe Ventil- und Sicherheitstechnik sowie aufwendige Prüf- und Zulassungsverfahren. Diese Hardware-Kosten fallen unabhängig davon an, ob der grüne Wasserstoff am Ende 4, 6 oder 10 Euro pro Kilogramm kostet. Dazu kommt, dass Studien den H2-Verbrenner vor allem im Nutzfahrzeug- und Spezialsegment sehen – die fehlende Massenfertigung drückt mögliche Skaleneffekte im Pkw-Markt.

Heutige Wasserstofffahrzeuge mit Brennstoffzelle liegen beim Neupreis deutlich über typischen Elektroautos und Verbrennern, häufig ab etwa 60.000 Euro aufwärts. Hersteller wie BMW signalisieren zwar, dass künftige Wasserstofffahrzeuge preislich in die Nähe von E-Autos rücken könnten, doch ein klarer Kostenvorteil allein durch den Wechsel auf H2-Verbrennung ist aus heutiger Sicht nicht absehbar.

Fazit: Verbrennungsmotor Evolution statt Revolution

Machine Learning macht den Ottomotor messbar schlauer, indem es aus unüberschaubaren Datenströmen verwertbare Regelgrößen für Verbrennung, Klopfen und Emissionen extrahiert. Damit lassen sich Wirkungsgrad und Fahrbarkeit verbessern, auch wenn physikalische Grenzen große Wunder verhindern.

Der Wasserstoff-Verbrenner wiederum zeigt, dass der klassische Motor mit dem richtigen Energieträger ein neues Leben als (potenziell) CO₂-armer Antrieb bekommen kann, insbesondere in Nischen und im Schwerlastbereich. Für den Massenmarkt der Pkw bleiben jedoch batterieelektrische und brennstoffzellenbasierte Konzepte aufgrund ihres höheren Gesamtwirkungsgrads und der langfristig besseren Energieeffizienz im Vorteil.
Details zum Wasserstoffbeschleunigungsgesetz und seinen Auswirkungen findest du hier. Weitere Wasserstoff‑Beiträge auf Datenstaubsauger gibt es im Wasserstoff‑Archiv und in der Kategorie Invest. Wie sich Standorte vom Ruhrgebiet bis Asien positionieren, beleuchte ich in Von Duisburg bis Seoul.