5 waterstofverbrandingsmotoren die de norm doorbreken

Waterstofverbranding is uitgegroeid tot een van de meest veelbelovende brandstofopties, met aanzienlijke milieuvoordelen en prestaties. Op ontwerpniveau gaan deze motoren meer dan vier decennia terug.

In 1970 patenteerde uitvinder Paul Dieges een aanpassing die gas‑aangedreven verbrandingsmotoren in staat stelde op waterstof te draaien. Sindsdien heeft deze technologie zich sterk ontwikkeld in haar vermogen om voertuigen, auto’s en bussen aan te drijven. Het potentieel is zo groot dat toekomstige commerciële vliegtuigen mogelijk ook waterstof als primaire brandstof zullen gebruiken.

In waterstofverbrandingsmotoren wordt vloeibare of gasvormige waterstof verbrand in een aangepaste gasturbine om stuwkracht te genereren. Dit proces weerspiegelt traditionele verbranding, maar met waterstof in plaats van de fossiele brandstof.

Met het toenemende gebruik en belang gaan er veel speculaties rond welke HCE de meest veelbelovende toekomst heeft. In de volgende segmenten bekijken we vijf waterstofverbrandingsmotoren die de norm gaan doorbreken.

Cummins 15‑liter waterstofmotor

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

Tijdens een gesprek over de specialiteit, zei Antonio Leitao, Vice President van Cummins’ Global Off‑highway Engine Business, het volgende:

“Het gloednieuwe platform van Cummins tilt interne verbranding naar een nieuw niveau, in staat om te voldoen aan toekomstige ultralage emissienormen, zoals EPA Tier 5 en EU Stage 6, samen met een laag‑tot‑nul koolstof brandstofcapaciteit om bouw‑ en steengroeve‑locaties op een kostenefficiëntere route naar decarbonisatie te brengen. De 15‑liter heeft een aanzienlijke toename in vermogensdichtheid met een compacter installatie‑envelop, waardoor apparatuurfabrikanten meer kunnen doen met hun machines.”

Als we de specifieke case van de waterstofmotor bespreken, beschikt deze over directe injectie, lean‑burn verbranding met vermogens van 400 tot 530 pk (298‑395 kW) en een piek‑koppel van 2600 N·m. Met energie uit koolstofvrije groene waterstof kan hij een brandstofopslagsysteem van 700 bar druk en hoge capaciteit gebruiken voor maximale bedrijfsuren tussen tankbeurten. 

De versie zal naar verwachting in 2027 volledig in productie zijn. Het bedrijf zal deze motoren produceren met 15‑liter en 6,7‑liter cilinderinhoud. 

De motor krijgt al vanaf de vroege fase validatie van belanghebbenden uit de industrie. In januari 2022 besloot Werner Enterprises (WERN ) (Nasdaq: WERN), een toonaangevende transport‑ en logistieke aanbieder, te beginnen met het valideren en integreren van Cummins’ 15‑liter waterstof‑interne verbrandingsmotoren in haar voertuigen.

Cummins rapporteerde haar vierde kwartaal‑ en volledige jaarresultaten 2023 op 6 februari 2024. De omzet van het vierde kwartaal 2023 bedroeg $8,5 billion, een stijging van 10 % ten opzichte van hetzelfde kwartaal in 2022, terwijl de omzet voor het volledige jaar 2023 $34,1 billion was, 21 % hoger dan in 2022.

Yamaha’s 5,0‑liter V8 100% waterstofaangedreven motoren voor Toyota

Toyota Motor Corporation (TM ) gaf Yamaha Motor de 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 gezamenlijk onderzoek te doen naar het verkennen en uitbreiden van het scala aan brandstofopties voor interne verbrandingsmotoren die geschikt zijn voor koolstofneutraliteit.

Tijdens een gesprek over de ontwikkeling zei Yamaha Motor‑president Yoshihiro Hidaka:

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

Tijdens de onthullingsbijeenkomst leek de 5,0‑liter V8 gebaseerd te zijn op de 5,0‑liter motor in de Lexus RC F luxe sportcoupé, aangepast met injectoren, cilinderkoppen, inlaatluchtinlaat en meer. De motor kan tot 450 pk leveren bij 6.800 tpm en een maximum van 540 Nm koppel bij 3.600 tpm. De high‑performance 5,0‑liter 90‑graden V8 DOHC 32‑kleppen motor werd door Yamaha omgebouwd om waterstof te gebruiken. 

Volgens het jaarverslag voor 2023 noteerde Yamaha een groepsconsolideerde omzet van 451,4 billion Yen met een operationele kernwinst van 45,9 billion Yen.

De motor voor BMW iX5 Hydrogen 

BMW test het toekomstige voertuig sinds 2023. Van temperaturen tot 45 °C tot zand, stof, verschillende hellingen en wisselende luchtvochtigheid, het bedrijf heeft alles getest. Het bedrijf vindt ook dat haar waterstofbrandstofceltechnologie geschikt is voor dagelijks gebruik bij extreme onder nul temperaturen. 

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

Toyota Motor Corporation is aangesteld om de individuele cellen voor de BMW Group te vervaardigen. De BMW Group‑fabriek in Landshut maakt de behuizing voor de stack, die de tweede stap is in het twee‑stappen productieproces. De eerste stap omvat het stapelen van de cellen en het monteren van de overige componenten. 

De brandstofcellen die een prestatie van 125 kW/170 pk leveren, vormen een innovatieve combinatie van de Gen‑5 reeks van BMW eDrive‑technologieën en een speciaal ontwikkelde batterij. Wanneer gecombineerd, kan de opstelling een vermogen van tot 285 kW/401 pk leveren. 

BMW Group is ook verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de speciale waterstofcomponenten, waaronder de high‑resolution compressor met een turbine en de hoogspannings‑koelpomp. Het interne mechanisme van de brandstofcel laat de waterstof uit de tanks reageren met zuurstof uit de atmosfeer om elektriciteit te produceren die de motor aandrijft. De twee tanks in de BMW iX5 Hydrogen kunnen in totaal 6 kg gas bevatten en geven het systeem een actieradius van 504 km volgens de WLTP‑cyclus. 

BMW beschouwt de iX5‑motor ook als de toekomst van tanken, omdat waterstoftanken sneller is dan het opladen van een batterij‑elektrische auto. 

De samenwerking van BMW met waterstof is holistisch. De logistiek van haar groepsfabriek gebruikt het gas sinds 2013. Het was ook het bedrijf dat de eerste indoor waterstofstation van Duitsland bouwde op de Leipzig‑fabriek. De PaintShop op Plant Leipzig is ook betrokken bij het pilotproject voor het gebruik van waterstof in de voertuigproductie.

In 2023 rapporteerde de BMW Group een jaarlijkse omzet van ongeveer 155,5 billion Euros, een stijging van 9 % ten opzichte van de 2022‑cijfers van bijna 143 million Euros. 

Volvo’s waterstofverbrandingsmotoren met High‑Pressure Direct Injection (HPDI) technologie

De Volvo‑vrachtwagens die met een waterstofverbrandingsmotor komen, zullen High‑Pressure Direct Injection (HPDI) technologie hebben, wat betekent dat een kleine hoeveelheid ontstekingsbrandstof, onder hoge druk geïnjecteerd, compressie‑ontsteking kan mogelijk maken nog voordat waterstof wordt toegevoegd. Een van de vele voordelen van deze technologie is dat hij een hoog energierendement behoudt met een lager brandstofverbruik. Het zorgt ervoor dat het motorvermogen tijdens het proces niet wordt aangetast. 

De Volvo Group heeft al een overeenkomst ondertekend met Westport Fuel Systems (WPRT ) om een joint venture op te zetten die HPDI‑technologie gebruikt, die naar verwachting operationeel wordt in het tweede kwartaal van 2024. 

Tijdens het toelichten van Volvo’s strategie met haar waterstofmotoren, zei Jan Hjelmgren, Head of Product Management and Quality bij Volvo Trucks, het volgende:  

“Vrachtwagens, waar de traditionele interne verbrandingsmotor behouden blijft maar op waterstof draait, zullen dezelfde prestaties en betrouwbaarheid hebben als onze dieselvrachtwagens, maar met het extra voordeel van potentieel netto‑nul CO₂‑emissies van bron tot wiel. Ze zullen een waardevolle aanvulling zijn op onze batterij‑elektrische vrachtwagens, die al enkele jaren op de markt zijn.”

Klanttests met Volvo‑vrachtwagens die waterstof in verbrandingsmotoren gebruiken, beginnen in 2026, en de vrachtwagens zullen commercieel beschikbaar worden tegen het einde van dit decennium. 

HPDI‑technologie is een transformatieve toevoeging aan hoe onze transportsystemen in de toekomst zullen werken. Het adresseert de uitdagingen van het voldoen aan de regelgevende eisen van Euro 7 en de US EPA voor vrachtwagens en off‑road apparatuurfabrikanten wereldwijd. 

De injector met een duale concentrische naaldontwerp kan 97 % van de CO₂‑emissies verminderen. Daarom kunnen vrachtwagens die op deze technologie rijden worden geclassificeerd als “Zero Emission Vehicles” volgens de afgesproken nieuwe EU‑CO₂‑emissienormen. De motoren zullen ook zeer kleine hoeveelheden stikstofoxiden en deeltjes produceren. 

In 2023 groeiden de valuta‑gecorrigeerde netto‑omzet van Volvo Group met 11 % tot SEK 552,8 billion, en verbeterde de aangepaste operationele winst tot SEK 77,6 billion.

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

Waterstofverbrandingsmotor ontwikkeld in samenwerking door Kia en Hyundai

In een recente stap die baanbrekend kan blijken, hebben Kia en Hyundai, twee Koreaanse automobielreuzen, de krachten gebundeld om een waterstofverbrandingsmotor te ontwerpen. De motor kan tegen 2025 klaar zijn voor personenauto’s. 

Rapporten suggereren dat deze motor mogelijk alle problemen van duurzaamheid en grootschalige levensvatbaarheid die waterstofmotoren tot nu toe hebben ondervonden, kan oplossen. Het prototype betreft een 180‑200 pk 2‑liter waterstofmotor met koppel‑ en vermogenscurves vergelijkbaar met de equivalente benzinemotoren van dezelfde grootte. Het voordeel is dat de waterstofmotor veel beter presteert op het gebied van brandstofverbruik. De motor kan een hoge thermische efficiëntie behouden gedurende de werking door waterstof onder een druk van 30 bar in de verbrandingskamer te injecteren.

Om de productie van de motor te versterken, hebben Hyundai en Kia ook partnerschappen gesloten met een paar leveranciers. Zo hebben ze een memorandum of understanding ondertekend met Next Hydrogen Corporation, een Canadees bedrijf dat gespecialiseerd is in waterelektrolysetechnologie. De ontwikkeling van een alkalisch waterelektrolysesysteem zal de prijsconcurrentie van schone waterstof voor Hyundai en Kia verbeteren.

Het bedrijf heeft ook een overeenkomst ondertekend met W. L. Gore & Associates (Gore) om gezamenlijk een geavanceerd polymer elektrolyt membraan (PEM) voor waterstofbrandstofcelsystemen te ontwikkelen. Het PEM vergemakkelijkt de overdracht van protonen tussen elektroden in de brandstofcel. Omdat het PEM de directe combinatie van binnenkomende waterstof en zuurstof blokkeert, vindt er selectieve geleiding van protonen plaats, en wordt er een elektrische stroom opgewekt om een voertuig aan te drijven.

Volgens Chang Hwan Kim, Head of Battery Development and Hydrogen and Fuel Cell Development bij Hyundai Motor Company en Kia Corporation:

“We betreden het volgende hoofdstuk van onze samenwerking met Gore. Door gebruik te maken van de 15 jaar samenwerking, zullen we geavanceerde brandstofceltechnologie verwerven en de markt voor brandstofcel‑elektrische voertuigen leiden, waardoor de beweging naar een duurzame toekomst wordt versneld.”

Voor het boekjaar 2023 registreerde Hyundai een jaarlijkse omzet van 162.664 billion KRW, een stijging van meer dan 14 % ten opzichte van de omzet van 142.152 billion KRW in 2022. In 2023 registreerde Kia een omzet van 99.808.420 million KRW.

De toekomst van waterstofverbrandingsmotoren ziet er rooskleuriger uit dan ooit

Van personenauto’s tot vrachtwagens investeren alle toonaangevende wereldwijde autofabrikanten zoveel mogelijk middelen en onderzoek om waterstofverbrandingsmotoren de best mogelijke optie te maken voor een koolstofneutrale, duurzame, groene toekomst. 

Naast het bieden van een schone omgeving zijn deze motoren in veel andere opzichten superieur. Ze elimineren bijvoorbeeld de noodzaak van een zwaar batterijpakket, een veelvoorkomend kenmerk bij EV’s. De waterstof‑naar‑elektriciteit converterstack is compact en lichter dan een lithium‑ionbatterij 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 drie keer hoger dan die van batterijen, terwijl ze met één tankbeurt 2‑3 keer langer kunnen rijden dan de meeste EV’s.

Hier hebben we de kans gehad om bijna alle belangrijkste motortypen in de categorie te bekijken die de norm gaan doorbreken. De toekomst kan naar verwachting vol zitten met meer van dit soort baanbrekende innovaties.

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