Hydrogenforbrændingsmotorer ser stadig mere levedygtige ud i en transportsektor i forandring

Med reguleringer, der globalt begrænser CO2-udledninger, har jagten på bæredygtig transport ført os til brint som alternativ brændstof. 

Brint (H) er fremstået som en lovende mulighed takket være dens evne til at brænde uden nogen drivhusgasudledninger. Dette brændbare element er farveløst, smagløst, lugtfrit og har relativt høj energitæthed, hvilket betyder, at brint indeholder meget energi pr. volumenhed, hvilket gør det til en fremragende brændstofkilde til køretøjer. 

Dette letteste element har modtaget betydelig interesse fra transportsektoren til at drive el‑biler via brændselsceller. Men hydrogen‑indre forbrændingsmotorer (HICE’er) bliver nu undersøgt for at opnå nul‑emissioner. Men hvad handler det hele om?

Hvad er brintforbrænding?

Brint er et kemisk grundstof, og forbrænding er en kemisk proces, der frigiver energi fra en blanding af brændstof og luft. Forbrændingen af brint, uanset om den er i flydende eller gasform, genererer kraft. 

På grund af sit brede antændelsesområde er brint velegnet til forbrænding. Det giver fremragende brændstoføkonomi og har en høj selvantændelsestemperatur, hvilket muliggør højere kompressionsforhold, der reducerer energitab under forbrændingen. Derudover minimerer en lavere slutforbrændingstemperatur mængden af forurenende stoffer, der udledes gennem udstødningen.

Hvordan fungerer denne ren‑brændende motor egentlig i et køretøj?

Brint, i modsætning til flydende benzin, er en gas, der kræver et særligt brændstofleveringssystem. Til dette formål holder højtrykslagertanke brintgassen, så der er tilstrækkelig brændstoflagring til at dække behovet for en rejse. 

En kontrolventil regulerer imidlertid gasstrømmen ind i motorens indsugningsmanifold, så der opnås en optimal luft‑brændstofblanding for effektiv forbrænding. Under indsugningsprocessen blandes brændstoffet med luft og føres ind i cylinderen.

For at opnå ren og effektiv forbrænding er en korrekt luft‑brændstofblanding nødvendig. Brintforbrændingsmotorer anvender avancerede brændstofindsprøjtningssystemer for at minimere skadelige emissioner og optimere effektudbyttet.

Stemplerne komprimerer den rette blanding af brændstof og luft, og høj‑energi tændrør antænder den derefter, hvilket resulterer i forbrænding. Da brint brænder hurtigt og frigiver betydelig varme, udvider forbrændingsgasserne sig hurtigt.

Disse udvidende gasser skubber stemplet, hvis bevægelse omdannes til rotationskraft via krumtapakslen. Denne kraft driver derefter hjulene og får køretøjet til at bevæge sig fremad. 

Denne proces illustrerer den renere og mere kraftfulde køreoplevelse, som brintforbrændingsmotorer kan levere, og lover en mere bæredygtig transportfremtid. Dog opnås den hurtige hastighed og de høje temperaturer i hydrogen‑indre forbrændingsmotorer (HICE’er) gennem brint‑venlige materialer, avanceret motordesign og innovativ brændstofindsprøjningsteknologi.

Hvordan adskiller den sig fra brintbrændselsceller?

Brint anvendes i transportsektoren på to forskellige måder: gennem brændselsceller og forbrændingsmotorer. Selvom begge processer bruger brint som nul‑kulstofbrændstof, udnytter de den på forskellige måder til at drive køretøjer.

Som nævnt ovenfor producerer brintforbrændingsmotorer kraft ved at brænde brint, ligesom traditionelle motorer. Her blandes brint med luft for at skabe en kontrolleret eksplosion, der genererer mekanisk energi til at drive køretøjet. 

Brændselsceller og brintkøretøjer konverterer imidlertid brint til elektricitet gennem en kemisk proces. I denne proces omdanner en elektrokemisk enhed brint og ilt til elektricitet, varme og vanddamp. Mere specifikt genereres elektricitet ved at splitte brint i en proton og en elektron. Denne elektricitet driver derefter en elmotor, der driver køretøjet.  

Brændselscellekøretøjer (FCEV’er) er mere effektive ved lavere belastninger, mens brintforbrændingsmotorer klarer sig bedre under tungere belastninger. Dette gør HICE’er til et bedre valg for tunge lastbiler, der for det meste transporterer store laster. I modsætning hertil kan biler, busser og bugseringsbiler have større fordel af brændselsceller, da de typisk opererer under meget lavere belastninger. 

Dog, da begge bruger brint, producerer de lignende emissioner. Brændselscellekøretøjer genererer ingen emissioner, mens brintforbrændingsmotorer udsender næsten nul spor af CO2, selvom de kan producere NOx eller kvælstofoxider. Derudover kan brintmotorer fungere med brint af lavere kvalitet, hvilket muliggør specifikke anvendelsestilfælde.

Hydrogen‑indre forbrændingsmotorer har været i brug i årtier og kræver ingen ændring af infrastrukturen. Så for køretøjsproducenter er overgangen til en brintmotor mindre udfordrende på grund af brugen af eksisterende teknologi. Brændselsceller er derimod lettere, mere støjsvage og kendt for deres høje effektivitet. De omdanner op til 60 % af den energi, der er lagret i brint, til elektrisk kraft.

Da de opererer ved en lavere temperatur end forbrændingsmotorer, har brændselsceller også en lavere risiko for brand eller eksplosion. Dog, da de er en relativt ny teknologi, er brændselsceller en dyrere løsning end brintforbrændingsmotorer.

Dette betyder ikke, at de konkurrerer med hinanden, men snarere at HICE’er og FCEV’er supplerer hinanden. Trods alt involverer begge den samme brintproduktion, -lagring, -transport og -distributionsinfrastruktur og er en del af at reducere transportemissionerne mod nul.

Vurdering af fordele og ulemper ved brintforbrænding

Så har brugen af brint tydeligt betydelige fordele, men hvad med brintforbrænding specifikt? Som vi nævnte ovenfor, er den største fordel miljøpåvirkningen fra HICE’er.

Disse motorer er kendt for at have et rent biprodukt, primært vanddamp, hvilket giver en betydelig fordel i forhold til traditionelle benzinmotorer. Ud over at bidrage til lavere drivhusgasudledninger har brintforbrændingsmotorer en meget højere termisk effektivitet på omkring 45 % sammenlignet med dieselmotorer, der ligger under 40 %, og benzinmotorer, der er under 30 %.

En anden stor fordel ved HICE’er er, at de kan bygges ved hjælp af eksisterende teknologi til indre forbrændingsmotorer, så der ikke er behov for ekstra infrastruktur eller omskoling af arbejdsstyrken. Desuden kan elementet selv produceres fra forskellige kilder som biomasse, vandelektrolyse og naturgas, og er dermed i stand til at imødekomme den stigende efterspørgsel efter ren energi.

Argumentet for brint som brændstof er bestemt stærkt, men det betyder ikke, at der ikke er problemer. Faktisk står brintforbrændingsmotorer over for flere udfordringer, der skal tackles.

Til at begynde med kræver vi store opbevaringspladser til brintanke, hvilket tilføjer en betydelig vægt til køretøjet. Dette øger naturligvis risikoen for slid, og dermed reducerer køretøjets levetid. Brændstoffet brænder også ret let, hvilket betyder farer for motorens dele. At udnytte brint er heller ikke let. Det er en tidskrævende og energikrævende proces.

Samtidig er dens energitæthed lavere, hvilket betyder, at den genererede kraft er relativt mindre end ved konventionelle forbrændingsmotorer. Sammenlignet med andre brændstoffer som benzin, der kræver et kompressionsforhold på 8:1, kræver brintforbrændingsmotorer 40:1, hvilket udgør et andet problem. For ikke at nævne, at masseproduktion af disse motorer er en dyr opgave.

Selvom brint vælges for sine lavere emissioner, skaber forbrændingsmotoren stadig et CO2‑aftryk, da den involverer nogle NOx‑emissioner, hvilket modsiger motorens formål. Derfor er det vigtigt at håndtere varmen og eventuelle resterende emissioner gennem efterbehandlingssystemer.

Klik her for at lære om sikkerhedsbekymringerne ved brintkøretøjer. 

Er brintforbrændingsmotorer fremtiden?

Brintforbrændingsmotorer (HICE’er) har eksisteret i årtier. Verdens første eksperimentelle kommercielle fly, der opererede på flydende brint, Tupolev Tu‑155, lettede i 1988. Dette viser, at HICE’er ikke er så nye, som mange måske tror. 

Selvom de ikke har opnået udbredt adoption gennem årene, har HICE’er for nylig tiltrukket fornyet interesse fra store bilmærker, herunder Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki og Volvo. Selv luftfartssektoren har undersøgt brintforbrænding. Airbus har for eksempel samarbejdet med partnere på tværs af industrier om deres ZEROe‑konceptfly, som er designet til at køre på brintforbrænding.

Der er stigende interesse for at bruge brintforbrændingsmotorer i transportsektoren, men de står i øjeblikket over for intens konkurrence fra el‑køretøjer (EV’er). 

Mens HICE’er producerer næsten nul emissioner, er EV’er afhængige af elektricitet til strøm, og har derfor nul udstødningsgasser. EV’er har også højere energieffektivitet sammenlignet med HICE’er, som mister noget energi under forbrændingsprocessen. 

Selvom EV’er kræver ny infrastruktur, stiger antallet af ladestationer hurtigt. Tankstationer til brint er derimod ret sjældne, selvom påfyldning af en brintbil er hurtigere end opladning af en elbil. 

Virksomheder som BYD, Tesla, Rivian, General Motors, Volvo og mange andre har gjort enorme fremskridt inden for EV‑området. Markedet for elektriske køretøjer (EV) blev i 2022 vurderet til cirka 384 milliarder dollars, mens det globale marked for hydrogen‑indre forbrændingsmotorer (HICE’er) forventes at nå 35 milliarder dollars i 2030.

Bilproducenter eksperimenterer nu med brintforbrændingsteknologi, men fremskridtene er relativt langsomme sammenlignet med udviklingen inden for EV‑teknologi. Branchen skal overvinde mange produktionshurdler, såsom omkostninger, hvilket betyder, at EV’er vil fortsætte med at dominere transportsektoren for nu. Dog kan HICE’er blive en vigtig del af transportbrændstofblandingen i den nærmeste fremtid. 

Brint kan simpelthen ikke ignoreres som brændstof, og HICE’er har en afgørende rolle i fremtiden for bæredygtig transport. Men for at gøre det muligt, er regeringsstøtte og teknologisk fremskridt nødvendige.

Klik her for at lære, hvorfor brint stadig kan være fremtidens brændstof.

Seneste udviklinger inden for HICE‑området

I løbet af det sidste årti er afkarbonisering blevet ekstremt vigtig for lande og virksomheder verden over. Transportsektoren er særligt kritisk, da den udgør 10 % af verdens drivhusgasemissioner. 

Ifølge Paris‑aftalen (COP21) og Glasgow‑aftalen (COP26) skal transportpropulsionsteknologi hurtigt reducere CO2. Til det har vi brug for en effektiv løsning, men der findes ingen, der kan give alle svar. En blanding af forskellige løsninger kan faktisk hjælpe med at afbøde problemerne mere effektivt. Dette inkluderer brintforbrændingsmotorer, som kræver minimale ændringer af den nuværende køretøjsarkitektur.

Som en logisk og yderst effektiv mulighed får HICE’er stor opmærksomhed og fremskridt. For nylig har forskere ved University of Alberta udviklet et nyt belægningsmateriale, der ser lovende ud for brintforbrændingsmotorer. Den nye komplekse koncentrerede legering, AlCrTiVNi5, har overlegne termomekaniske egenskaber, herunder lav udvidelse, høj stabilitet, brudtolerance og evnen til at modstå høje temperaturer samt højtryksmiljøer.

Ved at sammenligne den nye belægning med eksisterende kommercielt tilgængelige legeringer fandt forskerne, at AlCrTiVNi5 overlevede “korrosive miljøer i op til 100 timer ved 900 grader Celsius” og “overgår alt andet på markedet lige nu”, hvilket åbner døren for at fremme brintøkonomien.

Tidligere denne måned annoncerede Toyota også, at i et forsøg på at gøre brintforbrænding levedygtig, har de skabt en indre forbrændingsmotor, der kan køre på syntetisk brændstof, biodiesel, benzin og brint. For at gøre dette brugte ingeniørerne en 1,6‑liters motor fra GR Corolla‑racerkøretøjet, hvilket hjalp virksomheden med at overvinde udfordringen med at balancere termisk effektivitet. De nye motorer er 10 % til 20 % mindre, men er mere kraftfulde.

“Udviklingen af denne motor som en del af deres bestræbelser på at opnå CO2‑neutralitet og fremme brugen af brint som en ren og vedvarende energikilde.”

Denne udvikling omkring brint sker over hele verden. Sent sidste år afslørede Indiens største bilfirma, Tata Motors, R&D‑faciliteter, der omfatter en motortestcelle til udvikling af HICE’er samt infrastruktur til lagring og distribution af brintbrændstof.

I år samarbejdede Tata med den amerikanske gigant Cummins om en fremstillingsfacilitet i Indien for HICE’er til både mellemstore og tunge erhvervskøretøjer. Dette kommer efter joint venture‑aftalen, der blev annonceret sidste år, om at investere 424 millioner dollars i fabrikken for at producere 4.000 H2‑motorer om året og 10.000 batterisystemer.

Virksomheder, der udvikler brintforbrændingsmotorer

Lad os nu se på et par store navne i sektoren: 

#1. Honda

Denne bilproducent har været aktivt engageret i brintforbrændingsmotorer via et samarbejdsprojekt kaldet HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) med Toyota, Yamaha, Kawasaki og Suzuki for at udforske potentialet i HICE’er. Oprindeligt skeptisk over for teknologiens gennemførlighed udviklede Honda ‘HySE‑X1’, som har en 1,6‑liters firecylindret brintdrevet motor. 

Honda er et selskab med en markedsværdi på 56,188 mia. $, hvis aktier i øjeblikket handles til 31,93 $, op 3,25 % år‑til‑dato. Selskabets omsætning (TTM) har været 130 mia. $, EPS (TTM) på 7,37, P/E (TTM) på 4,33 og en udbytteafkast på 4,19 %.

#2. Toyota

Denne japanske bilproducent har i mange årtier brugt brint som brændstof. Dens brintforbrændingskøretøjer inkluderer GR Corolla H2 og GR Yaris H2. Toyota deltog også i Super Taikyu‑udholdenhedsracerne for at fremskynde deres køretøjsudvikling. Netop i denne uge viste Toyota deres nye motorer, der kan køre på forskellige brændstoffer, herunder brint.

Toyota er et selskab med en markedsværdi på 314 mia. $, hvis aktier i øjeblikket handles til 198,86 $, op 8,53 % år‑til‑dato. Selskabets omsætning (TTM) har været 287 mia. $, EPS (TTM) på 24,18, P/E (TTM) på 8,22 og en udbytteafkast på 2,45 %.

Konklusion

Det er tydeligt, at brintforbrændingsmotorer giver store fordele med hensyn til reduceret miljøpåvirkning, afhængighed af eksisterende infrastruktur og høj termisk effektivitet. Men naturligvis vil HICE’er alene ikke kunne levere bæredygtig transport. I stedet kan vi gennem en blanding af løsninger opnå et sikrere miljø. I den blanding kan HICE’er spille en afgørende rolle og hjælpe med overgangen fra fossile brændstoffer. 

Nu, efter årtier med urealiseret potentiale, kan brintdrevne køretøjer endelig komme i rampelyset takket være fornyet interesse, private investeringer, regeringsstøtte og teknologiske fremskridt. 

Klik her for at lære, hvad der for nylig gjorde brint mere attraktiv som energikilde.