Untersuchung und Test maßgeschneiderter Schmieröle für H2-Anwendungen

Der Einsatz von Wasserstoffmotoren ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Energiewende und kann in vielen Einsatzgebieten eine kostengünstige und zuverlässige Alternative zu Brennstoffzellenfahrzeugen darstellen. Als gasförmiger und kohlenstofffreier Kraftstoff hat Wasserstoff jedoch sehr schlechte Schmiereigenschaften. Daraus ergeben sich folgende Problemstellungen:
Die Wasserstoffflamme brennt im Gegensatz zu fossilem Ottokraftstoff bis an die Brennraumwand heran und greift den Schmierfilm an.
Weiterhin kann Wasserstoff in aktivierter Form mit den Schmierstoffmolekülen/Additiven reagieren, diese hydrieren und so in ihren Eigenschaften verändern. Dies gilt z. B. für die Parameter Viskosität, Schmierfähigkeit, Schaum- und Kälteverhalten und kann zu einer erheblich veränderten Funktionalität/Performance des Schmieröls führen. Daraus können im Extremfall Bauteil- und Motorschäden resultieren.
Das bei der Wasserstoffverbrennung in großen Mengen entstehende Wasser führt zu einer weiteren Beanspruchung des Schmieröls, die weit über das von mit fossilen Kohlenwasserstoffen betriebenen Motoren bekannte Niveau hinaus geht. So wird z. B. gegenüber dem Methanbetrieb pro kWh 56 % mehr Wasser gebildet. Hohe Wasseranteile im Schmieröl können Korrosion, erhöhten Lagerverschleiß und Emulsionsbildung hervorrufen.
Weiterhin kann sich Wasserstoff unter dem hohen Druck im Motorinneren im Schmieröl lösen, die Viskosität des Öls herabsetzen und damit die Schmierfilmbildung beeinträchtigen. Dabei gilt, je höher die Gaslöslichkeit ist, umso höher ist auch der Viskositätsabfall des Öls. Die H2-Löslichkeit ist neben dem Druck und der Temperatur auch von der Polarität des Öls abhängig. Hier könnten z. B. polare Basisöle einen Vorteil aufweisen, da der unpolare Wasserstoff in diesen weniger stark absorbiert wird.
Die Vorentwicklung von Spezialschmierölen/Additiven wird in diesem Segment wird häufig von klein- und mittelständischen Unternehmen durchgeführt. Durch die im Projekt generierte Datenbasis wird KMUs im Schmierölbereich, aber auch Analysendienstleistern oder Geräteherstellern die Möglichkeit zur Ausrichtung ihrer Geschäftsfelder in Richtung CO2-neutrale Kraftstoffe und nachhaltige Schmierstoffe eröffnet. Diese KMUs erhalten über dieses Projekt den Zugang zum stark wachsenden Wasserstoffmarkt. Aufgrund der immer schärferen Abgasgesetzgebungen und dem politischen Druck in Hinblick auf klimafreundliche Mobilität ist dies ein zentrales Element, um die Zukunftsfähigkeit der Branche zu gewährleisten.

Um Performancevariationen zu vermeiden und eine optimale Schmierölauswahl zu erreichen, ist es Ziel des gemeinsamen Projektes, die Schmierölbeanspruchung im Wasserstoffbetrieb möglichst realitätsnah und systematisch im Labor nachzubilden sowie die beobachteten Schmierölveränderungen zu dokumentieren und zu bewerten. Dies soll hauptsächlich an vollformulieren Motorenölen erfolgen. Für bestimmte Fragestellungen sollen jedoch auch Modellöle (reine Basisöle, speziell mit einzelnen Additiven dotierte Basisöle zum Einsatz kommen). Die Vorauswahl der Testöle erfolgt nach folgenden Kriterien:

• gute Wasserverträglichkeit aller Komponenten


• hohe chemische Beständigkeit


• hoher Verschleißschutz


• ausgewogene Alkalische Reserve (erhöhte Korrosionsgefahr im H₂-Betrieb!)


• hohe Oxidationsstabilität / hohe thermische Stabilität


• Stabilität gegenüber Nitration


• nachhaltig herstellbar, umweltverträglich, nicht toxisch

• Ermittlung chemisch-physikalischer Kenngrößen (LTT)
  
  
  
  • Gaslöslichkeiten, Wasserlöslichkeit
  
  
  • Messung von Dichte und Viskosität in Abhängigkeit des Wassergehaltes sowie von Druck und Temperatur
  
  
  • Messung der Grenzflächenspannung Öl/Wasser
  
  
  
  


• Vergleichende Untersuchungen von Ölkennwerten (LKV)
  
  
  
  • Wasseraufnahmevermögen/Wasserabscheidevermögen
  
  
  • Oxidationsbeständigkeit in Abhängigkeit des Wassergehaltes
  
  
  • Nitrationsbeständigkeit
  
  
  
  


• Ölmonitoring eines H₂- Motorentests (LKV)
  
  
  
  • Änderungen des Wassergehaltes, der Oxidationsstabilität, der Oxidation und Nitration (IR), der Dichte, der Viskosität, des VI, der Säurezahl sowie der Elementgehalte (Verschleißmetalle, Additivelemente und Verunreinigen) im Vergleich zum Frischöl
  
  
  • Dokumentation von auffälligen Verschleiß- und Zündphänomenen
  
  
  
  


• Analytik und Bewertung von Schmierölen aus Wasserstoffanwendungen aus der Praxis (BHKW, Motortests)


• Erarbeitung eines vorläufigen Anforderungskatalogs für H₂-Schmieröle (LTT und LKV)
  
  
  
  • Auswahlkriterien und Ölempfehlungen
  
  
  • geeignete Prüfparameter und Analysenmethoden für Labortests (u. a. Verschleißtests, Korrosionstests und Tests zur Bewertung der Ablagerungsneigung)
  
  
  • Testbedingungen für Motorlangzeittests einschließlich der erforderlichen Überwachungsparameter
  
  
  
  

Der IGF-Antrag hat den Zuwendungsbescheid des BMWK erhalten. Das Forschungsvorhaben startete am 1. Mai 2023.