5 vetypolttomoottoria, jotka rikkovat perinteet

Vetypoltto on noussut yhdeksi lupaavimmista polttoainevaihtoehdoista, tarjoten merkittävää ympäristöarvoa ja suorituskykyä. Suunnittelutasolla nämä moottorit ovat yli neljän vuosikymmenen takaa.

Vuonna 1970 keksijä Paul Dieges patentoi muunnoksen, jonka avulla kaasukäyttöiset sisäpolttomoottorit voivat toimia vedystä. Siitä lähtien teknologia on kehittynyt merkittävästi kyvyssään voimanlähteenä ajoneuvoille, autoille ja busseille. Sen potentiaali on niin suuri, että tulevaisuudessa myös kaupalliset lentokoneet saattavat ottaa vedyn ensisijaiseksi polttoaineekseen.

Vetypolttomoottoreissa joko nestemäinen tai kaasumainen vety palaa muokatussa kaasuprosessorissa tuottaen työntövoimaa. Tämä prosessi jäljittelee perinteistä sisäpolttomoottoria, mutta vety korvaa fossiilisen polttoaineen.

Käytön ja merkityksen kasvaessa spekulaatiot siitä, mikä HCE:stä (vetypolttomoottori) on lupaavin, ovat yleistyneet. Seuraavissa osioissa tarkastelemme viittä vetypolttomoottoria, jotka kaikki ovat valmiita rikkomaan perinteet.

Cummins 15-litra vetymoottori

Cumminsin 15-litra moottorialusta, josta keskustelemme, on polttoainesta riippumaton perusperiaatteeltaan. Se on yhteensopiva vedyn, maakaasun ja dieselin kanssa. Mutta kun se otetaan käyttöön vedyn kanssa, se voi todella rikkoa perinteet tulemalla alhaisen tai nollapäästöisen polttoainekyvyn parhaaksi versioksi ja nopeuttamaan raskaan kaluston maastokäyttöön kohdistuvaa hiilidioksidipäästöjen vähentämistä optimaaliselle tasolle. 

Keskustellessaan sen erikoisuudesta Antonio Leitao, Cumminsin globaalia maastomoottoriliiketoimintaa johtava varapuheenjohtaja, sanoi seuraavaa:

“Cumminsin täysin uusi alusta nostaa sisäpolttomoottorin uudelle tasolle, kyeten täyttämään tulevaisuuden erittäin alhaiset päästöstandardit, kuten EPA Tier 5 ja EU Stage 6, sekä alhaisen tai nollapäästöisen polttoainekyvyn, mikä auttaa asettamaan rakennus- ja louhintapaikat alhaisemman kustannuksen polkuun hiilineutraaliuteen. 15-litra moottorissa on merkittävä teho‑tiheyskasvu ja kompaktimpi asennusympäristö, mikä antaa laitevalmistajille mahdollisuuden tehdä enemmän koneillaan.”

Jos tarkastelemme vetymoottorin erityistapausta, se käyttää suoraan ruiskutusta, laihaa polttoa, ja sen tehoalue on 400–530 hv (298–395 kW) sekä huippuvääntö 2600 N·m. Saaden voiman nollapäästöisestä vihreästä vedystä, se voi käyttää 700‑bar paineista suurikapasiteettista polttoainesäiliöjärjestelmää maksimoidakseen käyttöaikaa tankkausten välillä. 

Versio odotetaan olevan täydessä tuotannossa vuoteen 2027 mennessä. Yritys aikoo valmistaa näitä moottoreita 15‑litra- ja 6,7‑litra‑tyylialustoilla. 

Moottoria on alettua varhaisesti vahvistettu teollisuuden sidosryhmien toimesta. Tammikuussa 2022 Werner Enterprises (WERN ) (Nasdaq: WERN), johtava kuljetus- ja logistiikkapalvelujen tarjoaja, päätti aloittaa Cumminsin 15‑litra vety‑sisäpolttomoottorien validoinnin ja integroinnin ajoneuvoihinsa.

Cummins raportoi vuoden 2023 neljännen neljänneksen ja koko vuoden tulokset 6. helmikuuta 2024. Vuoden 2023 neljännen neljänneksen liikevaihto oli 8,5 miljardia dollaria, mikä on 10 % enemmän kuin samassa neljänneksessä vuonna 2022, kun taas koko vuoden 2023 liikevaihto oli 34,1 miljardia dollaria, 21 % enemmän kuin vuonna 2022.

Yamahan 5,0-litra V8 100 % vetykäyttöinen moottori Toyotalle

Toyota Motor Corporation (TM ) tilasi Yamaha Motorilta tulevaisuuden vety‑moottorin kehittämisen.vedyn moottorin tulevaisuus. Viisi yritystä — Kawasaki Heavy Industries, Subaru Corporation, Toyota Motor Corporation, Mazda Motor Corporation ja Yamaha Motor — päättivät toteuttaa yhteistyötutkimusta tutkiakseen ja laajentaakseen polttoainevaihtoehtojen kirjoa sisäpolttomoottoreille, jotka soveltuvat hiilineutraaliuteen.

Keskustellessaan kehityksestä Yamaha Motorin presidentti Yoshihiro Hidaka sanoi:

“Vety‑moottoreilla on potentiaalia olla hiilineutraaleja samalla kun pidämme sisäpolttomoottorin intohimon elossa. Yhteistyö eri yrityskulttuureista ja osaamisalueista tulevien yritysten kanssa sekä kumppaniverkostomme laajentaminen on tapa, jolla haluamme johtaa tulevaisuutta.”

Moottorin julkistustilaisuudessa 5,0‑litra V8 vaikutti perustuvan Lexus RC F -luksusurheilu coupén 5,0‑litra moottoriin, muokattuna ruiskutuksiin, sylinterikansiin, imusarjaan ja muuhun. Moottori voi tuottaa jopa 450 hv 6 800 rpm:n kierroksilla ja enintään 540 Nm vääntöä 3 600 rpm:n kierroksilla. Korkean suorituskyvyn 5,0‑litra 90‑asteinen V8 DOHC 32‑venttiilin moottori muutettiin Yamahan toimesta käyttämään vetyä. 

Vuoden 2023 vuosikertomuksensa mukaan Yamaha kirjasi konsernin laajuisen konsolidoidun liikevaihdon 451,4 miljardia jeniä ja ydinliiketoiminnan tuloksen 45,9 miljardia jeniä. 

BMW iX5 Hydrogen -moottori

BMW on testannut tulevaa ajoneuvoaan vuodesta 2023 lähtien. Yritys on testannut kaikkea lämpötiloista jopa 45 °C, hiekkaa, pölyä, erilaisia kaltevuuksia ja vaihtelevia kosteusolosuhteita. Yritys katsoo myös vetypolttokennojärjestelmänsä sopivan jokapäiväiseen käyttöön äärimmäisissä pakkasolosuhteissa. 

Tarkkuusluvuissa BMW iX5 Hydrogenin polttokennojärjestelmä pystyy tasaisesti tuottamaan korkean tehon 125 kW/170 hv. 

Toyota Motor Corporation on tilattu valmistamaan yksittäiset solut BMW-konsernille. BMW Groupin tehdas Landshut valmistaa pinon kotelon, joka on toinen kahden vaiheen valmistusprosessissa. Ensimmäinen vaihe sisältää solujen pinnoittamisen ja muiden komponenttien asentamisen. 

Polttokennojärjestelmä, joka tuottaa 125 kW/170 hv, on innovatiivinen yhdistelmä, joka perustuu BMW Groupin Gen‑5 -sarjan BMW eDrive -teknologioihin ja erityisesti kehitettyyn akkuun. Yhdistettynä järjestelmä pystyy tarjoamaan jopa 285 kW/401 hv. 

BMW Group on myös kehittänyt omat vetykomponenttinsa, mukaan lukien korkean resoluution kompressorin turbiinilla ja korkean jännitteen jäähdytyspumpun. Polttokennojärjestelmän sisäinen mekanismi saa vedyn säiliöistä reagoimaan ilman hapen kanssa sähköntuotannon avulla, joka syöttää moottoria. BMW iX5 Hydrogenissa olevat kaksi säiliötä pystyvät yhdessä pitämään yhteensä 6 kg kaasua ja antavat järjestelmälle ajomatkan 504 km WLTP‑syklissä. 

BMW:n ryhmät pitävät myös iX5‑moottoria tulevaisuuden tankkausratkaisuna, sillä vedyn tankkaus on nopeampaa kuin akku‑sähköauton lataus. 

BMW:n yhteys vetyyn on ollut kokonaisvaltainen. Sen konsernin teollisuuslogistiikka on käyttänyt kaasua vuodesta 2013. Se oli myös yritys, joka rakensi Saksan ensimmäisen sisätiloissa olevan vetyasemaan Leipzigin tehtaalla. Leipzigin tehtaassa sijaitseva PaintShop osallistuu myös vedyn käytön pilottiprojekteihin ajoneuvotuotannossa. 

Vuonna 2023 BMW Group raportoi vuotuisen liikevaihdon noin 155,5 miljardia euroa, mikä on 9 % kasvu vuoden 2022 lähes 143 miljardin euron tasosta. 

Volvon vetypolttomoottorit, joissa on korkean paineen suora ruiskutus (HPDI) -teknologia

Volvon tulevat vetypolttomoottorilla varustetut kuorma-autot käyttävät korkean paineen suoraa ruiskutusteknologiaa (HPDI), mikä tarkoittaa, että pieni määrä sytytyspolttoainetta, ruiskutettuna korkeapaineisesti, voi mahdollistaa puristuksen sytytyksen ennen vedyn lisäämistä. Yksi tämän teknologian monista eduista on, että se säilyttää korkean energiatehokkuuden alhaisemmalla polttoaineenkulutuksella. Se varmistaa, että moottorin teho ei heikkene prosessissa. 

Volvo Group on jo allekirjoittanut sopimuksen Westport Fuel Systemsin kanssa perustaa yhteisyrityksen, jossa hyödynnetään HPDI-teknologiaa, jonka odotetaan tulevan toimintaan vuoden 2024 toisen neljänneksen aikana. 

Kuvailessaan Volvon strategiaa vety‑moottoreiden kanssa, Jan Hjelmgren, Volvo Trucksin tuotehallinnan ja laadun johtaja, sanoi seuraavaa,  

“Kuorma-autot, joissa perinteinen sisäpolttomoottori säilyy mutta toimii vedystä, tarjoavat saman suorituskyvyn ja luotettavuuden kuin dieselkuorma-automme, mutta lisäetuna on mahdollisesti nollapäästöinen CO₂-päästö koko polttoaineketjussa. Ne ovat arvokas lisäys akkukäyttöisille sähkökuorma-autoille, jotka ovat olleet markkinoilla useita vuosia.”

Asiakastestit Volvo-kuorma-autoilla, jotka käyttävät vetyä polttomoottorissa, alkavat vuonna 2026, ja kuorma-autot tulevat kaupallisesti saataville tämän vuosikymmenen loppua kohti. 

HPDI-teknologia on mullistava lisäys tulevaisuuden kuljetusjärjestelmiimme. Se vastaa haasteisiin, jotka liittyvät Euro 7 – ja Yhdysvaltain EPA -säädösten täyttämiseen kuorma-auto- ja maastokäyttöön tarkoitettujen valmistajien osalta maailmanlaajuisesti.

Kaksoiskeskipistokkeella varustettu ruiskutin, jossa on kaksoiskeskipistokkeen neuladesign, voi vähentää 97 % CO₂-päästöistä. Tämä on syy siihen, miksi tällä teknologialla toimivat kuorma-autot voidaan luokitella “Nollapäästöajoneuvoiksi” sovittujen uusien EU:n CO₂-päästöstandardien mukaisesti. Moottorit tuottavat myös erittäin pieniä määriä typpioksideja ja hiukkasia.

Vuonna 2023 Volvo Groupin valuuttasäädetty nettomyynnin kasvoi 11 % SEK 552,8 miljardiin, ja sen säädetty liiketulos parani SEK 77,6 miljardiin.

Klikkaa tästä oppiaksesi, mikä teki vedystä äskettäin houkuttelevamman energialähteen.

Kian ja Hyundain yhteistyössä kehitetty vetypolttomoottori

Viimeisimmässä mahdollisesti uraauurtavassa siirrossa Kia ja Hyundai, kaksi korealaista autonvalmistajajättiläistä, ovat yhdistäneet voimansa suunnitellakseen vetypolttomoottorin. Moottori saattaa olla valmis henkilöautoihin vuoteen 2025 mennessä. 

(WPRT )

Raporttien mukaan tämä moottori voi mahdollisesti ratkaista kaikki kestävyys- ja laajamittaisen toteutettavuuden ongelmat, joita vety‑moottorit ovat tähän mennessä kohdanneet.

Prototyyppi on 180–200 hevosvoiman 2‑litra vety‑moottori, jonka vääntö‑ ja tehovetävät ovat verrattavissa vastaavan kokoluokan bensiinimoottoreihin. Etuna on, että vety‑moottori suoriutuu huomattavasti paremmin polttoaineenkulutuksessa. Moottori voi ylläpitää korkeaa lämpötehokkuutta koko toimintansa ajan ruiskuttamalla vetyä polttokammioon 30 bar:n paineessa.

Moottorin tuotannon tehostamiseksi Hyundai ja Kia ovat myös solmineet kumppanuuksia muutaman toimittajan kanssa. Esimerkiksi ne ovat allekirjoittaneet yhteisymmärryssopimuksen Next Hydrogen Corporationin kanssa, kanadalaisen yrityksen, joka on erikoistunut veden elektrolyysiteknologiaan. Alkaalisen vesielektrolyysijärjestelmän kehittäminen parantaa puhtaan vedyn hintakilpailukykyä Hyundaille ja Kialle.

Yritys on myös allekirjoittanut sopimuksen W. L. Gore & Associates (Gore) kanssa kehitelläkseen yhdessä edistynyttä polymeerielektrolyyttikalvoa (PEM) vetypolttokennojärjestelmiä varten. PEM helpottaa protonien siirtymistä elektrodien välillä polttokennojärjestelmässä. Koska PEM estää suoran vedyn ja hapen yhdistymisen, tapahtuu valikoitu protonien johtuminen, ja sen seurauksena syntyy sähkövirta, joka antaa voimaa ajoneuvolle.

Chang Hwan Kimin, Hyundai Motor Companyn ja Kia Corporationin akku- ja vety‑polttokennojärjestelmäkehityksen johtajan, mukaan:

“Astuimme seuraavaan lukuun yhteistyössämme Goren kanssa. Hyödyntämällä 15 vuoden yhteistyötä, hankimme kehittynyttä polttokennojärjestelmäteknologiaa ja johdamme polttokennojärjestelmä‑sähköajoneuvomarkkinoita, nopeuttaen siirtymistä kohti kestävää tulevaisuutta.”

Vuodelle 2023, Hyundai rekisteröi vuotuisen liikevaihdon 162 664 miljardia KRW, mikä on yli 14 % kasvu vuoden 2022 142 152 miljardin KRW liikevaihtoon verrattuna.
Vuonna 2023 Kia rekisteröi liikevaihdon 99 808 420 miljoonaa KRW.

Vetypolttomoottorien tulevaisuus näyttää lupaavammalta kuin koskaan

Henkilöautoista kuorma-autoihin kaikki johtavat globaalit autonvalmistajat investoivat mahdollisimman paljon resursseja ja tutkimusta tehdäkseen vetypolttomoottoreista parhaan mahdollisen vaihtoehdon hiilineutraalille, kestävälle, vihreälle tulevaisuudelle. 

Puhtaamman ympäristön tarjoamisen lisäksi nämä moottorit ovat monin tavoin ylivoimaisia. Esimerkiksi ne poistavat tarpeen raskaalle akkupaketille, joka on yleinen ominaisuus sähköautoissa. Vety‑sähkömuunnospinnoite on kompaktimpi ja kevyempi kuin litium‑ioniakku, jonka tehojakso on samanlainen. 3–5 minuuttia vety‑polttomoottorin tankkaus kestää vain, ja sen energian tiheys on vähintään kolminkertainen verrattuna akkuun, ja yhdellä tankkauksella se voi kulkea 2–3 kertaa pidemmälle kuin useimmat sähköautot.

Tässä olemme saaneet mahdollisuuden tarkastella lähes kaikkia tämän kategorian merkittäviä moottorityyppejä, jotka ovat valmiita rikkomaan perinteet. Tulevaisuus voidaan odottaa olevan täynnä lisää tällaisia huipputeknisiä innovaatioita.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miksi vety saattaa edelleen olla tulevaisuuden polttoaine.