5 Waterstofverbrandingsmotoren die het huidige model gaan doorbreken

Waterstofverbranding is een van de meest veelbelovende brandstof-opties geworden, met een significante milieubelasting en prestaties. Op ontwerpniveau gaan deze motoren meer dan vier decennia terug.

In 1970 octrooideerde uitvinder Paul Dieges een modificatie die het mogelijk maakte om gasgestookte interne verbrandingsmotoren op waterstof te laten draaien. Sindsdien is deze technologie enorm vooruitgegaan in haar vermogen om voertuigen, auto’s en bussen aan te drijven. Haar potentieel is zo groot dat toekomstige commerciële vliegtuigen mogelijk ook waterstof als hun primaire brandstof zullen gebruiken.

In waterstofverbrandingsmotoren verbrandt vloeibare of gasvormige waterstof in een gemodificeerde gasturbine om stuwkracht te genereren. Dit proces spiegelt traditionele interne verbranding, maar met waterstof in plaats van fossiele brandstof.

Met het groeiende gebruik en de belangrijkheid ervan, zijn er veel speculaties over welke HCE de meest spannende toekomst heeft. In de volgende segmenten bekijken we vijf waterstofverbrandingsmotoren die allemaal klaar zijn om het huidige model te doorbreken.

Cummins 15-Litre Waterstofmotor

Cummins’ 15-liter motorplatform, dat, zoals we bespreken, brandstofagnostisch is in zijn kern. Het is compatibel met waterstof, aardgas en diesel. Maar wanneer het wordt ingezet met waterstof, kan het echt het huidige model doorbreken door de beste versie van zijn laag-tot-nul koolstof brandstofbereik te worden en de decarbonisatie van zware off-highway toepassingen te versnellen.

Terwijl hij het over zijn specialiteit had, zei Antonio Leitao, vice-president van Cummins’ Global Off-highway Engine Business, het volgende:

“Cummins’ geheel nieuwe platform brengt interne verbranding naar een nieuw niveau, waardoor het toekomstige ultra-lage emissienormen kan bereiken, zoals EPA Tier 5 en EU Stage 6, samen met een laag-tot-nul koolstof brandstofbereik om constructie- en groeve-locaties op een lagere kostenweg naar decarbonisatie te zetten. De 15-liter heeft een aanzienlijke toename in vermogensdichtheid met een compactere installatie-envelop, waardoor apparatenfabrikanten de mogelijkheid hebben om meer met hun machines te doen.”

Als we het specifieke geval van de waterstofmotor bespreken, komt het met een directe injectie, mager-brandstof verbranding met ratings van 400-530 pk (298-395 kW) en een piekvermogen van 2600 N·m. Door gebruik te maken van nul-koolstof groene waterstof, kan het een 700-bar druk hoog-capaciteits brandstofopslagsysteem gebruiken voor maximaal operationele uren tussen bijtanken.

De versie wordt verwacht om in 2027 in volle productie te zijn. Het bedrijf zal deze motoren produceren met 15-liter en 6.7-liter verplaatsingen.

De motor heeft validatie gekregen van industrie-stakeholders vanaf zijn vroege dagen. In januari 2022 besloot Werner Enterprises (Nasdaq: WERN), een toonaangevende transport- en logistieke dienstverlener, om te beginnen met het valideren en integreren van Cummins’ 15-liter waterstof interne verbrandingsmotoren in zijn voertuigen.

Cummins rapporteerde zijn vierde kwartaal en volledige jaar 2023 resultaten op 6 februari 2024. Vierde kwartaal 2023 omzet van $8,5 miljard steeg 10% ten opzichte van hetzelfde kwartaal in 2022, terwijl de omzet voor het volledige jaar 2023 $34,1 miljard bedroeg, 21% hoger dan 2022.

Yamaha’s 5.0-litre V8 100% Waterstof-aangedreven Motoren voor Toyota

Toyota Motor Corporation gaf Yamaha Motor opdracht om de waterstofmotor van de toekomst te ontwikkelen. De vijf bedrijven – Kawasaki Heavy Industries, Subaru Corporation, Toyota Motor Corporation, Mazda Motor Corporation en Yamaha Motor – besloten om samen te werken aan onderzoek naar het verkennen en uitbreiden van de reikwijdte van brandstof-opties voor interne verbrandingsmotoren die geschikt zijn voor koolstofneutraliteit.

Terwijl hij het over de ontwikkeling had, zei Yamaha Motor president Yoshihiro Hidaka:

“Waterstofmotoren hebben het potentieel om koolstofneutraal te zijn terwijl onze passie voor de interne verbrandingsmotor levend blijft. Samenwerken met bedrijven met verschillende bedrijfsculturen en expertisegebieden, evenals het vergroten van het aantal partners, is hoe we de weg naar de toekomst willen leiden.”

Tijdens de onthulling van de motor leek de 5.0-litre V8 te zijn gebaseerd op de 5.0-litre motor in de Lexus RC F luxe sportcoupé, gemodificeerd om injectoren, cilinderkoppen, inlaatmanifold en meer te injecteren. De motor kon tot 450 pk leveren bij 6.800 rpm en een maximum van 540 Nm koppel bij 3.600 rpm. De hoge prestaties 5.0-litre 90-degree V8 DOHC 32-valve motor was omgebouwd door Yamaha om waterstof te gebruiken.

Volgens zijn jaarverslag over 2023 rapporteerde Yamaha een groepswijdse geconsolideerde omzet van 451,4 miljard Yen met een kernbedrijfsresultaat van 45,9 miljard Yen.

De Motor voor BMW iX5 Waterstof

BMW heeft sinds 2023 zijn toekomstige voertuig getest. Van temperaturen tot 45°C tot zand, stof, verschillende hellingen en fluctuerende luchtvochtigheidsniveaus, het bedrijf heeft alles getest. Het bedrijf vindt ook dat zijn waterstof brandstofcel technologie geschikt is voor dagelijks gebruik in extreme sub-nul temperaturen.

Wat de specifics betreft, kan het brandstofcelsysteem van de BMW iX5 Waterstof consistent een hoog vermogen van 125 kW/170 pk leveren.

Toyota Motor Corporation is opgedragen om de individuele cellen voor de BMW Group te produceren. De BMW Group Plant, Landshut, maakt de behuizing voor de stack, die als tweede stap in het tweestaps productieproces komt. De eerste stap omvat het stapelen van de cellen en het monteren van de andere componenten.

De brandstofcellen die het vermogen van 125 kW/170 pk leveren, zijn een innovatieve combinatie van de BMW Group’s Gen-5 reeks van BMW eDrive technologieën en een speciaal ontwikkelde batterij. Wanneer gecombineerd, kan de set-up een vermogen van tot 285 kW/401 pk leveren.

BMW Group is ook verantwoordelijk voor het ontwikkelen van de speciale waterstofcomponenten, waaronder de hoogresolutie compressor met een turbine en de hoogspannings koelwaterpomp. De interne mechanisme van de brandstofcel zet de waterstof uit de tanks om in elektriciteit die de motor aandrijft. De twee tanks in de BMW iX5 Waterstof kunnen in totaal 6 kg gas bevatten en het systeem empoweren met een voertuigbereik van 504 km in de WLTP-cyclus.

BMW groepen beschouwen de iX5 motor ook als de toekomst van bijtanken, aangezien waterstof bijtanken sneller is dan het opladen van een batterij-elektrische auto.

BMW’s associatie met waterstof is holistisch. Zijn groepsplant logistiek heeft sinds 2013 waterstof gebruikt. Het was ook het bedrijf dat Duitslands eerste indoor waterstofstation in de fabriek Leipzig oprichtte. De PaintShop in Plant Leipzig is betrokken bij het testen van het gebruik van waterstof in voertuigproductie.

In 2023 rapporteerde BMW Group een jaaromzet van ongeveer 155,5 miljard euro, een stijging van 9% ten opzichte van zijn 2022-cijfer van bijna 143 miljoen euro.

Volvo’s Waterstofverbrandingsmotoren met High-Pressure Direct Injection (HPDI) Technologie

De Volvo trucks die met een waterstofverbrandingsmotor komen, zullen high-pressure direct injection (HPDI) technologie hebben, waardoor een kleine hoeveelheid ontstekingsbrandstof, geïnjecteerd met hoge druk, compressie-ontsteking kan mogelijk maken voordat waterstof wordt toegevoegd. Een van de vele voordelen van deze technologie is dat het hoge energieniveaus behoudt met lagere brandstofverbruik. Het zorgt ervoor dat de motorprestaties niet worden aangetast in het proces.

De Volvo Group heeft al een overeenkomst gesloten met Westport Fuel Systems om een joint venture te vestigen met HPDI technologie, die naar verwachting operationeel zal zijn in het tweede kwartaal van 2024.

Terwijl hij Volvo’s strategie met zijn waterstofmotoren uitlegde, zei Jan Hjelmgren, hoofd Product Management en Kwaliteit bij Volvo Trucks:

“Trucks, waar de traditionele interne verbrandingsmotor blijft maar op waterstof loopt, zullen dezelfde prestaties en betrouwbaarheid hebben als onze dieseltrucks, maar met het extra voordeel van potentieel nul CO2-emissies van de bron tot de wielen. Ze zullen een waardevolle aanvulling zijn op onze batterij-elektrische trucks, die al enkele jaren op de markt zijn.”

Klantentests met Volvo trucks die waterstof in verbrandingsmotoren gebruiken, zullen in 2026 beginnen, en de trucks zullen tegen het einde van dit decennium commercieel beschikbaar zijn.

HPDI technologie is een transformatieve toevoeging aan hoe ons transportsysteem in de toekomst zal werken. Het adresseert de uitdagingen van het voldoen aan de regelgevingsvereisten van Euro 7 en de US EPA voor trucking en off-road apparatuur fabrikanten wereldwijd.

De injector met een dubbele concentrische naaldontwerp kan 97% van de CO2-emissies reduceren. Het is waarom trucks die op deze technologie draaien, kunnen worden gecategoriseerd als “Zero Emission Vehicles” onder de overeengekomen nieuwe EU CO2-emissienormen. De motoren zullen ook zeer kleine hoeveelheden stikstofoxiden en deeltjes produceren.

In 2023 groeide de valuta-aangepaste netto-omzet van de Volvo Group met 11% tot 552,8 miljard SEK, en het aangepaste operationele inkomen verbeterde tot 77,6 miljard SEK.

Klik hier om te leren wat waterstof nog aantrekkelijker maakte als een energiebron.

Waterstofverbrandingsmotor Ontwikkeld in Samenwerking door Kia en Hyundai

In een recente stap die baanbrekend kan zijn, hebben Kia en Hyundai, twee Koreaanse automobielgiganten, samengewerkt om een waterstofverbrandingsmotor te ontwerpen. De motor kan klaar zijn voor personenauto’s in 2025.

Rapporten suggereren dat deze motor potentieel alle problemen van duurzaamheid en grote-schaal levensvatbaarheid die waterstofmotoren tot nu toe hebben ondervonden, kan oplossen. De proefversie is die van een 180-200 pk 2-liter waterstofmotor met koppel- en vermogenscurves die vergelijkbaar zijn met de equivalente benzinemotoren in grootte. Het voordeel is dat de waterstofmotor veel beter presteert als het gaat om brandstofverbruik. De motor kan een hoge thermische efficiëntie behouden tijdens zijn werking door waterstof in de verbrandingskamer te injecteren bij een druk van 30 bar.

Om de productie van de motor te vergroten, hebben Hyundai en Kia ook partnerships gesloten met een paar leveranciers. Zo hebben ze een memorandum van overeenstemming getekend met Next Hydrogen Corporation, een Canadees bedrijf dat gespecialiseerd is in water elektrolyse technologie. De ontwikkeling van een alkalische water elektrolyse systeem zal de prijsconcurrentie van schone waterstof voor Hyundai en Kia verbeteren.

Het bedrijf heeft ook een overeenkomst gesloten met W. L. Gore & Associates (Gore) om samen te werken aan de ontwikkeling van geavanceerde polymeren elektrolyt membraan (PEM) voor waterstof brandstofcelsystemen. De PEM faciliteert de overdracht van protonen tussen elektroden in de brandstofcel. Aangezien de PEM de directe combinatie van inkomende waterstof en zuurstof blokkeert, vindt selectieve geleiding van protonen plaats, en wordt een elektrische stroom gegenereerd om een voertuig aan te drijven.

Volgens Chang Hwan Kim, hoofd Batterijontwikkeling en Waterstof en Brandstofcelontwikkeling bij Hyundai Motor Company en Kia Corporation:

“We gaan de volgende stap in onze samenwerking met Gore. Door de 15 jaar van samenwerking te benutten, zullen we geavanceerde brandstofceltechnologie verwerven en de brandstofcel-elektrische voertuigmarkt leiden, waardoor we de beweging naar een duurzame toekomst versnellen.”

Voor het boekjaar 2023 registreerde Hyundai een jaaromzet van 162.664 miljard KRW, een stijging van meer dan 14% ten opzichte van zijn 2022 omzet van 142.152 miljard KRW.In 2023 registreerde Kia een omzet van 99.808.420 miljoen KRW.

De Toekomst van Waterstofverbrandingsmotoren Ziet Er Promissorischer Uit Dan Ooit

Van personenauto’s tot trucks, alle toonaangevende wereldwijde automobielfabrikanten investeren zoveel mogelijk middelen en onderzoek om Waterstofverbrandingsmotoren de beste optie te maken voor een koolstofneutrale, duurzame, groene toekomst.

Naast het bieden van een schone omgeving, zijn deze motoren superieur op veel andere manieren. Zo doen ze de noodzaak voor een zware batterijpakket weg, een gebruikelijk kenmerk onder EV’s. De waterstof-naar-elektriciteit converter stack is compact en lichter dan een lithium-ion batterij met een aandrijflijn met een vergelijkbaar bereik. Het duurt slechts 3 tot 5 minuten om een waterstofverbrandingsmotor bij te tanken, en de energiedichtheid is minstens 3 keer groter in vergelijking met batterijen, terwijl ze tussen een tankbeurt 2-3 keer langer kunnen rijden dan de meeste EV’s.

Hier hebben we de kans gehad om bijna alle belangrijke motortypen in de categorie te bekijken die het huidige model gaan doorbreken. De toekomst kan goed verwacht worden om vol te zijn met nog meer van dergelijke baanbrekende innovaties.

Klik hier om te leren waarom waterstof nog steeds de brandstof van de toekomst kan zijn.