Waterstofverbrandingsmotoren lijken steeds levensvatbaarder nu de transportsector in beweging is

Nu de regelgeving die de CO2-uitstoot beperkt wereldwijd toeneemt, heeft de zoektocht naar duurzaam transport ons naar waterstof als alternatieve brandstof geleid. 

Waterstof (H) is een veelbelovende optie gebleken dankzij het vermogen om te verbranden zonder enige uitstoot van broeikasgassen. Dit brandbare element is kleurloos, smaakloos, geurloos en heeft een relatief hoge energiedichtheid, waardoor waterstof veel energie per volume-eenheid bevat, waardoor het een uitstekende brandstofbron is voor voertuigen. 

Dit lichtste element heeft aanzienlijke belangstelling gekregen van de transportsector voor het aandrijven van elektrische voertuigen via brandstofcellen. Maar waterstofverbrandingsmotoren (HICE's) zijn dat nu wel verkend worden om nul-uitstoot te bereiken. Maar waar gaat het allemaal over?

Wat is waterstofverbranding?

Waterstof is een chemisch element en verbranding is een chemisch proces waarbij energie vrijkomt uit een mengsel van brandstof en lucht. Bij de verbranding van waterstof, zowel in vloeibare als gasvormige vorm, ontstaat kracht. 

Vanwege het brede ontvlambaarheidsbereik is waterstof zeer geschikt voor verbranding. Het zorgt voor een uitstekend brandstofverbruik en beschikt over een hoge zelfontbrandingstemperatuur, waardoor hogere compressieverhoudingen mogelijk zijn die het energieverlies tijdens de verbranding verminderen. Bovendien minimaliseert een lagere eindverbrandingstemperatuur het aantal verontreinigende stoffen dat via de uitlaat wordt uitgestoten.

Hoe werkt deze schoonverbrandende motor eigenlijk in een voertuig? 

Waterstof is, in tegenstelling tot vloeibare benzine, een gas waarvoor een speciaal brandstoftoevoersysteem nodig is. Voor dit doel houden hogedrukopslagtanks het waterstofgas vast, waardoor er voldoende brandstofopslag is om aan de vraag van een reis te voldoen. 

Een regelklep regelt ondertussen de gasstroom naar het inlaatspruitstuk van de motor, waardoor een optimaal lucht-brandstofmengsel wordt gegarandeerd voor een efficiënte verbranding. Tijdens het inlaatproces wordt de brandstof gemengd met lucht en in de cilinder gebracht.

Om een ​​schone en efficiënte verbranding te bereiken is een goed lucht-brandstofmengsel nodig. Waterstofverbrandingsmotoren maken gebruik van geavanceerde brandstofinjectiesystemen om schadelijke emissies te minimaliseren en het vermogen te optimaliseren.

De zuiger comprimeert het juiste mengsel van brandstof en lucht, en hoogenergetische bougies ontsteken het vervolgens, wat resulteert in verbranding. Omdat waterstof snel verbrandt en veel warmte vrijgeeft, zetten de verbrandingsgassen snel uit.

Deze uitzettende gassen duwen de zuiger, waarvan de beweging wordt omgezet omgezet in rotatiekracht via de krukas. Deze kracht drijft vervolgens de wielen aan, waardoor het voertuig vooruit beweegt. 

Dit proces illustreert de schonere en krachtigere rijervaring die waterstofverbrandingsmotoren kunnen bieden, en belooft een duurzamere transporttoekomst. De hoge snelheid en hoge temperaturen van waterstofverbrandingsmotoren (HICE's) worden bereikt door waterstofvriendelijke materialen, geavanceerd motorontwerp en innovatieve brandstofinjectietechnologie.

Hoe verschilt het van waterstofbrandstofcellen? 

Waterstof is gebruikt in de transportsector op twee verschillende manieren: via brandstofcellen en verbrandingsmotoren. Hoewel beide processen koolstofvrije waterstof gebruiken, benutten ze deze op verschillende manieren om voertuigen aan te drijven.

Zoals hierboven vermeld, produceren waterstofverbrandingsmotoren energie door waterstof te verbranden, net als traditionele motoren. Hier wordt waterstof met lucht gemengd om een ​​gecontroleerde explosie te creëren, waarbij mechanische energie wordt gegenereerd om het voertuig voort te stuwen. 

Brandstofcellen en waterstofvoertuigen zetten waterstof via een chemisch proces om in elektriciteit. In dit proces zet een elektrochemisch apparaat waterstof en zuurstof om in elektriciteit, warmte en waterdamp. Meer specifiek genereert het elektriciteit door waterstof te splitsen in een proton en een elektron. Deze elektriciteit drijft vervolgens een elektromotor aan die het voertuig aandrijft.  

Brandstofcelvoertuigen (FCEV’s) zijn efficiënter bij lagere belastingen, terwijl waterstofverbrandingsmotoren beter presteren onder zwaardere belastingen. Deze maakt HICE's een betere keuze voor zware vrachtwagens die meestal grote ladingen vervoeren. Auto's, bussen en sleepwagens kunnen daarentegen meer baat hebben bij brandstofcellen, omdat ze doorgaans onder veel lagere belasting werken. 

Omdat beide echter waterstof gebruiken, produceren ze vergelijkbare emissies. Brandstofcelvoertuigen genereren geen uitstoot, terwijl waterstofverbrandingsmotoren vrijwel geen sporen van CO2 uitstoten, hoewel ze wel NOx of stikstofoxiden kunnen produceren. Bovendien kunnen waterstofmotoren werken met waterstof van lagere kwaliteit, wat specifieke gebruiksscenario's mogelijk maakt.

Waterstofverbrandingsmotoren worden al tientallen jaren gebruikt en vereisen geen verandering in de infrastructuur. Voor voertuigfabrikanten is de overstap naar een waterstofmotor dus minder uitdagend vanwege het gebruik van bestaande technologie. Brandstofcellen daarentegen zijn lichter, stiller en staan ​​bekend om hun hoge efficiëntie. Ze zetten tot 60% van de in waterstof opgeslagen energie om in elektrische energie.

Omdat ze op een lagere temperatuur werken dan verbrandingsmotoren, hebben brandstofcellen ook een lager risico op brand of explosie. Omdat het echter om een ​​relatief nieuwe technologie gaat, zijn brandstofcellen een duurdere optie dan waterstofverbrandingsmotoren.

Deze betekent niet dat ze met elkaar concurreren, maar dat HICE's en FCEV's elkaar aanvullen. Beide omvatten immers dezelfde infrastructuur voor de productie, opslag, transport en distributie van waterstof en maken deel uit van het terugdringen van de transportemissies naar nul.

De voor- en nadelen van waterstofverbranding afwegen

Het gebruik van waterstof heeft dus duidelijk grote voordelen, maar hoe zit het met de waterstofverbranding in het bijzonder? Welnu, zoals we hierboven hebben aangegeven, is het belangrijkste voordeel de milieu-impact van HICE's. 

Deze motoren staan ​​erom bekend dat ze een schoon bijproduct hebben, voornamelijk waterdamp, wat een aanzienlijk voordeel biedt ten opzichte van traditionele benzinemotoren. Naast dat ze bijdragen aan een lagere uitstoot van broeikasgassen, hebben waterstofverbrandingsmotoren een veel hoger thermisch rendement van ongeveer 45% dan dieselmotoren, die minder dan 40% hebben, en benzinemotoren, die minder dan 30% hebben.

Een ander groot voordeel van HICE's is dat ze dat kunnen gebouwd worden waarbij gebruik wordt gemaakt van de bestaande verbrandingsmotortechnologie, zodat er geen behoefte is aan extra infrastructuur of omscholing van het personeel. Bovendien kan het element zelf worden geproduceerd uit verschillende bronnen, zoals biomassa, waterelektrolyse en aardgas in staat om tegemoet te komen aan de stijgende vraag naar schone energie. 

Er zijn zeker sterke argumenten voor waterstof als brandstof, maar dat betekent niet dat er geen problemen zijn. In feite worden waterstofverbrandingsmotoren geconfronteerd met verschillende uitdagingen die daarvoor nodig zijn worden aangepakt. 

Om te beginnen hebben we grote opslagruimte nodig voor waterstoftanks, wat een aanzienlijke hoeveelheid gewicht aan het voertuig toevoegt. Dezeverhoogt uiteraard het risico op slijtage, waardoor de levensduur van het voertuig wordt verkort. Bovendien verbrandt de brandstof vrij gemakkelijk, waardoor er gevaren zijn voor motoronderdelen. Het benutten van waterstof is ook niet eenvoudig. Het is een tijdrovend en energie-intensief proces.

Ondertussen is de energiedichtheid lager, wat betekent dat het opgewekte vermogen relatief lager is dan dat van conventionele verbrandingsmotoren. Vergeleken met andere brandstoffen zoals benzine, die een compressieverhouding van 8:1 nodig hebben, hebben waterstofverbrandingsmotoren een compressieverhouding van 40:1 nodig, wat een ander probleem oplevert. Om nog maar te zwijgen van het feit dat de massaproductie van deze motoren een dure taak is.

Terwijl waterstof is gekozen Vanwege de lagere emissies creëert de verbrandingsmotor nog steeds een ecologische voetafdruk, aangezien er sprake is van enige NOx-uitstoot, waardoor het doel van deze motoren teniet wordt gedaan. Daarom is het beheersen van de warmte en eventuele resterende emissies via nabehandelingssystemen belangrijk.

Klik hier voor meer informatie over de veiligheidsproblemen rond waterstofvoertuigen. 

Zijn waterstofverbrandingsmotoren de toekomst?

Waterstofverbrandingsmotoren (HICE’s) bestaan ​​al tientallen jaren. Het eerste experimentele commerciële vliegtuig ter wereld dat op vloeibare waterstof vloog, Tupolev Tu-155, ging in 1988 de lucht in. Deze laat zien dat HICE's niet zo nieuw zijn als velen misschien denken. 

Ondanks dat ze in de loop der jaren niet op grote schaal zijn toegepast, hebben HICE’s onlangs hernieuwde belangstelling getrokken van grote automerken, waaronder Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki en Volvo. Zelfs de luchtvaartsector heeft waterstofverbranding onderzocht. Airbus heeft bijvoorbeeld samengewerkt met partners uit verschillende sectoren voor zijn ZEROe-conceptvliegtuig is ontworpen draaien op waterstofverbranding. 

Er is een toenemende belangstelling voor het gebruik van waterstofverbrandingsmotoren in de transportsector, maar voorlopig worden ze geconfronteerd met hevige concurrentie van elektrische voertuigen (V's). 

Terwijl HICE’s vrijwel geen uitstoot produceren, zijn elektrische auto’s voor hun stroomvoorziening afhankelijk van elektriciteit en hebben ze als zodanig geen uitlaatemissies. EV’s hebben ook een hogere energie-efficiëntie vergeleken met HICE’s, die tijdens het verbrandingsproces wat energie verliezen.

Hoewel EV’s een nieuwe infrastructuur nodig hebben, stijgt het aantal laadstations snel. Stations om waterstof te tanken zijn daarentegen eerder schaars, al gaat het tanken van een waterstofauto sneller dan het opladen van een elektrische auto. 

Bedrijven als BYD, Tesla, Rivian, General Motors, Volvo en vele anderen hebben enorme vooruitgang geboekt op het gebied van elektrische voertuigen. De markt voor elektrische voertuigen (EV) was dat wel gewaardeerd op ongeveer $ 384 miljard in 2022, terwijl de wereldmarkt voor waterstofinterne verbrandingsmotoren (HICE’s) is geprojecteerde om tegen 35 $ 2030 miljard te bereiken.

Autofabrikanten experimenteren nu met waterstofverbrandingstechnologie, maar de vooruitgang is relatief traag vergeleken met de vooruitgang in EV-technologie. De industrie moet veel productiehindernissen overwinnen, zoals de kosten, wat betekent dat elektrische voertuigen voorlopig de transportsector zullen blijven domineren. HICE's kunnen in de nabije toekomst echter een belangrijk onderdeel worden van de transportbrandstofmix. 

Waterstof eenvoudigweg kan niet worden genegeerd als brandstof, en HICE's spelen een cruciale rol in de toekomst van duurzaam transport. Om dat echter mogelijk te maken, overheidssteun en technologische vooruitgang zijn nodig.

Klik hier om te ontdekken waarom waterstof nog steeds de brandstof voor de toekomst kan zijn.

Recente ontwikkelingen op het gebied van HICE's

De afgelopen tien jaar is het koolstofarm maken van de economie uiterst belangrijk geworden voor landen en bedrijven over de hele wereld. De transportsector is bijzonder kritisch, aangezien deze 10% van de mondiale uitstoot van broeikasgassen produceert. 

Volgens de overeenkomsten van Parijs (COP21) en Glasgow (COP26) is er behoefte aan transporttechnologie om CO2 snel terug te dringen. Daarvoor hebben we een effectieve oplossing nodig, maar er is er niet één die alle antwoorden kan bieden. Een mix van verschillende oplossingen kan de problemen daadwerkelijk effectiever helpen verminderen. Deze omvat waterstofverbrandingsmotoren, die minimale veranderingen aan de huidige voertuigarchitectuur vereisen.

Als logische en zeer efficiënte optie zien HICE's veel tractie en vooruitgang. Onlangs hebben onderzoekers van de Universiteit van Alberta een oplossing bedacht nieuw coatingmateriaal dat ziet er veelbelovend uit voor waterstofverbrandingsmotoren. De nieuwe complexe geconcentreerde legering, AlCrTiVNi5, heeft superieure thermomechanische eigenschappen, waaronder lage uitzetting, hoge stabiliteit, breuktolerantie en het vermogen om zowel hoge temperaturen als hogedrukomgevingen te weerstaan.

Door de nieuwe coating te vergelijken met bestaande, in de handel verkrijgbare legeringen, ontdekten onderzoekers dat AlCrTiVNi5 “tot 100 uur bij 900 graden Celsius corrosieve omgevingen overleeft” en “beter presteert dan al het andere dat momenteel op de markt is”, waardoor de deur werd geopend voor het bevorderen van de waterstofeconomie.

Eerder deze maand kwam Toyota ook aangekondigd dat het, in een poging om de verbranding van waterstof haalbaar te maken, een verbrandingsmotor heeft gecreëerd die kan draaien op synthetische brandstof, biodiesel, benzine en waterstof. Om dit mogelijk te maken, gebruikten ingenieurs een 1.6-liter motor uit de GR Corolla-raceauto, waarmee het bedrijf de uitdaging van het balanceren van de thermische efficiëntie kon overwinnen. De nieuwe motoren zijn 10% tot 20% kleiner, maar zijn krachtiger.

Volgens Toyota CEO Koji Sato is waterstof de toekomst en is het bedrijf:

“Deze motor ontwikkelen als onderdeel van haar inspanningen om CO2-neutraliteit te bereiken en het gebruik van waterstof als schone en hernieuwbare energiebron te bevorderen.”

Deze ontwikkeling rondom waterstof vindt over de hele wereld plaats. Eind vorig jaar onthulde India's grootste autobedrijf, Tata Motors, R&D-faciliteiten die een motortestcel omvatten voor de ontwikkeling van HICE's, evenals de infrastructuur voor de opslag en distributie van waterstofbrandstof.

Dit jaar werkte Tata samen met de Amerikaanse gigant Cummins voor een productiefaciliteit in India voor HICE's voor zowel middelzware als zware bedrijfsvoertuigen. Deze komt nadat de joint venture vorig jaar aankondigde dat het 424 miljoen dollar zou uitgeven aan de fabriek om 4,000 H2-motoren per jaar en 10,000 accusystemen te produceren.

Bedrijven die waterstofverbrandingsmotoren ontwikkelen

Laten we nu eens kijken naar een paar grote namen in de sector: 

#1. Honda

Deze autofabrikant is actief betrokken bij waterstofverbrandingsmotoren via een samenwerkingsproject genaamd HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) met Toyota, Yamaha, Kawasaki en Suzuki om het potentieel van HICE's te onderzoeken. Aanvankelijk sceptisch over de haalbaarheid van de technologie, ontwikkelde Honda de 'HySE-X1', die beschikt over een 1.6-liter viercilinder waterstofmotor. 

Honda is een bedrijf met een marktkapitalisatie van $56.188 miljard, waarvan de aandelen momenteel worden verhandeld tegen $31.93, een stijging van 3.25% YTD. De omzet (TTM) van het bedrijf bedroeg $130 mld, de winst per aandeel (TTM) 7.37, de koers/winst (TTM) 4.33 en een dividendrendement van 4.19%.

#2. Toyota

Deze in Japan gevestigde autofabrikant gebruikt al tientallen jaren waterstof als brandstof. Tot de voertuigen met waterstofverbranding behoren de GR Corolla H2 en de GR Yaris H2. Toyota nam ook deel aan de Super Taikyu-enduranceraces om de voertuigontwikkeling te versnellen. Deze week nog toonde Toyota zijn nieuwe motoren die op verschillende brandstoffen kunnen draaien, waaronder waterstof.

Toyota is een bedrijf met een marktkapitalisatie van $314 miljard, waarvan de aandelen momenteel worden verhandeld tegen $198.86, een stijging van 8.53% YTD. De omzet (TTM) van het bedrijf bedroeg $287 miljard, de winst per aandeel (TTM) van 24.18, de koers/winst (TTM) van 8.22 en een dividendrendement van 2.45%.

Conclusie

Het is duidelijk dat waterstofverbrandingsmotoren grote voordelen bieden in termen van verminderde impact op het milieu, afhankelijkheid van bestaande infrastructuur en hoge thermische efficiëntie. Maar natuurlijk zullen HICE's alleen niet in staat zijn duurzaam transport te bieden. Integendeel, door een mix van oplossingen kunnen we een veiliger omgeving realiseren. In die mix kunnen HICE’s echter een cruciale rol spelen en helpen bij de transitie weg van fossiele brandstoffen. 

Nu, na tientallen jaren van ongerealiseerd potentieel, kunnen voertuigen op waterstof eindelijk in de schijnwerpers staan ​​dankzij hernieuwde belangstelling, particuliere investeringen, overheidssteun en technologische vooruitgang. 

Klik hier om te zien wat waterstof recentelijk aantrekkelijker heeft gemaakt als energiebron.