Na 166 jaar heeft de verbrandingsmotor nog steeds onbenut potentieel

Een van de grootste ontdekkingen van onze tijd is de uitvinding van interne verbrandingsmotoren, die een belangrijke rol speelden in de ontwikkeling van industrialisatie en daarmee in de menselijke beschaving.

Deze motoren werden voor het eerst uitgevonden in de 19e eeuw, hoewel wetenschappers en ingenieurs al een decennium vóór het begin van deze periode aan hun ontwikkeling bijdroegen.

In 1791 werd een gasturbine ontwikkeld, en een paar jaar later werd een gasmotor gepatenteerd. Een patent voor een interne verbrandingsmotor, die tevens de eerste was die vloeibare brandstof gebruikte, werd in 1794 ingediend, en nog vóór het einde van de eeuw werd de eerste Amerikaanse ICE gebouwd.

Terwijl de eerste auto die op een ICE draaide in 1862 werd gecreëerd, kwam de eerste moderne verbrandingsmotor meer dan een decennium later, in 1876. In 1885 verbeterden Gottlieb Daimler en Wilhelm Maybach het ontwerp en uitvonden ze de eerste praktische ICE en carburateur.

Hoe werkt een verbrandingsmotor precies? Wel, om te beginnen is verbranding een chemisch proces waarbij energie vrijkomt door het ontsteken van een mengsel van brandstof en lucht. Interne verbrandingsmotoren (ICE) zetten deze energie gedeeltelijk om in mechanisch werk.

Wanneer het mengsel van brandstof en lucht wordt ontstoken, vinden duizenden kleine, gecontroleerde explosies plaats, wat verbranding of branden is.

In een ICE vinden zowel de brandstofontsteking als de verbranding plaats binnen de motor, die bestaat uit een vaste cilinder en een bewegende zuiger. De verbranding veroorzaakt de expansie van gassen en de afgifte van warmte, waardoor de zuiger op en neer wordt geduwd. Dit draait op zijn beurt de krukas via een tandwielstelsel in de aandrijflijn, waardoor de wielen van het voertuig vooruit worden gedreven.

Er zijn twee soorten interne verbrandingsmotoren: de vonkontsteking benzinemotor en de compressieontsteking dieselmotor, waarbij het verschil ligt in de manier waarop de brandstof wordt toegevoerd en ontstoken.

Verbrandingsmotoren domineren maar staan voor uitdagingen

Nu, meer dan anderhalve eeuw na hun uitvinding, draaien er wereldwijd nog steeds meer dan een miljard interne verbrandingsmotoren (ICE) op de wegen.

De wereldwijde markt voor verbrandingsmotoren wordt momenteel geschat op ongeveer $200 miljard en wordt naar verwachting nog groeien met een CAGR van 9,2% en tegen 2033 $300 miljard bereiken, gedreven door de toenemende vraag naar voertuigen in opkomende markten en technologische vooruitgang in motorontwerp.

Echter, de grootste uitdaging voor verbrandingsmotoren is de opkomst van elektrische voertuigen (EV's) en strengere emissieregels.

Maar hoewel EV's nu steeds vaker voorkomen, goed voor ongeveer 18% van alle nieuwe autoverkopen wereldwijd, een stijging ten opzichte van slechts 2% in 2018, blijven EV's een zeer klein percentage van het totale aantal verbrandingsvoertuigen op de weg. Met een geschat marktaandeel van 3-5% is van elke 100 verbrandingsvoertuigen slechts elke derde of vijfde een EV.

De groeiende EV-trend wordt gedreven door de toenemende vraag naar motoren, wat leidt tot uitputting van fossiele brandstoffen en een dramatische toename van vervuiling wereldwijd.

Aangezien benzine en diesel de meest dominante brandstoffen in de automobielsector zijn, blijft milieuvervuiling de belangrijkste zorg bij verbrandingsmotoren. De belangrijkste emissies van deze motoren zijn onverbrande koolwaterstoffen, koolmonoxide, stikstofoxiden en fijnstof.

Dit leidt tot ernstige gezondheidsrisico's en opwarming van de aarde, waardoor landen over de hele wereld strenge regelgeving zijn gaan invoeren om de emissies van de automobielsector aan te pakken. Dit heeft automobielingenieurs en onderzoekers ertoe gebracht verschillende motortechnologieën en hernieuwbare en groenere brandstoffen te onderzoeken.

Met sommige landen die zelfs een volledig verbod op interne verbrandingsmotoren overwegen, werken onderzoekers ook aan de vooruitgang van deze motoren om hun prestaties te verbeteren en hun milieu-impact te verminderen.

Verbrandingsmotoren efficiënter maken door verspilde warmte om te zetten in energie

Interne verbrandingsmotoren produceren krachtige energie, maar niet alle gecreëerde energie wordt benut. In feite wordt slechts ongeveer 25% tot 30% van de chemische energie omgezet in bruikbare kracht.

Het grootste deel wordt opgeslagen in brandstof die als warmte verloren gaat via het uitlaatsysteem en het koelsysteem van de motor. Er is echter een manier om al deze verloren energie te benutten, en wetenschappers werken aan oplossingen om ze productief te gebruiken.

Een studie gepubliceerd¹ dit jaar in ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces heeft aangetoond hoe uitlaatwarmte kan worden omgezet in elektriciteit, wat een duurzame energiebron biedt.

Met financiering van het Office of Naval Research, het Army Rapid Innovation Fund Program en de National Science Foundation Industry hebben onderzoekers van de afdeling Werktuigbouwkunde van Pennsylvania State University een prototype gepresenteerd voor een thermoelectrisch generator‑systeem.

De thermoelectrische generator (TEG) kan het brandstofverbruik en de kooldioxide (CO2)‑emissies verminderen. Brandstofinefficiëntie is een belangrijke oorzaak van broeikasgas (GHG)‑emissies en benadrukt de noodzaak van innovatieve warmteterugwinningssystemen zoals TEG.

Deze warmteterugwinnings‑TEG‑systemen gebruiken halfgeleidermaterialen om warmte om te zetten in elektriciteit.

Uitgevonden meer dan tweehonderd jaar geleden, kunnen TEG‑systemen worden gebruikt in elektronische apparaten, medische apparaten en de ruimtevaart. Deze systemen hebben geen bewegende delen of chemische bijproducten, waardoor ze stil kunnen werken en milieuvriendelijk blijven. Ze zijn bovendien duurzaam, vereisen geen onnodig onderhoud en zijn geschikt voor integratie in massieve en flexibele apparaten.

Volgens het onderzoek:

“Thermische energieopwekking voor snel bewegende objecten is bijzonder veelbelovend voor het bieden van een efficiënte en duurzame energiebron om operationele capaciteiten en uithoudingsvermogen te verbeteren.”

Thermo‑elektrische (TE) technologie werkt door temperatuurverschillen tussen een warmtebron en de omgevingstemperatuur te benutten. Hierdoor kan TE‑technologie een constante stroomvoorziening aan dergelijke systemen leveren, waardoor de afhankelijkheid van traditionele batterijen wordt verminderd en de bedrijfstijd wordt verlengd.

Hoewel veelbelovend, zijn de ontwerpen van veel huidige thermoelektrische apparaten complex en zwaar en hebben ze daardoor meer koelwater nodig om het benodigde temperatuurverschil te behouden. Het onderzoek merkt echter op dat het onderzoek naar geïntegreerde TEG‑systeemontwerpen ver achterloopt op de materiaalkunde.

Zo bouwden Penn State‑onderzoekers, onder leiding van Wenjie Li en Bed Poudel, een compact TEG‑systeem om thermische energie terug te winnen. Deze TEG‑systemen kunnen uitlaatwarmte efficiënt omzetten, niet alleen van auto’s maar ook van andere snelbewegende voertuigen zoals onbemande luchtvaartuigen (drones) en helikopters, in energie.

Deze nieuwe TEG maakt gebruik van bismut‑ telluride als halfgeleider. Bi2Te3 is een grijs poeder van bismut en telluur en heeft uitstekende thermoelektrische prestaties bij lage temperaturen.

Daarnaast gebruikte het onderzoek driehoekige plaat‑fin warmtewisselaars, vergelijkbaar met die in airconditioners, om warmte op te vangen uit uitlaatlussen van voertuigen, zoals motoruitlaatgassen.

Er is ook een heatsink geïntegreerd om de temperatuur te regelen. Dit longitudinale trapeziumvormige vin‑cilindrische onderdeel vergroot het temperatuurverschil aanzienlijk, wat een directe impact heeft op de elektrische output van het TEG‑systeem.

Deze heatsink is ontworpen om warmte te verspreiden via geforceerde convectie, maar het team optimaliseerde het ontwerp verder met behulp van eindige‑elementen‑analyse (FEA) simulaties om de temperatuurgradiënt en elektrische vermogensoutput te verhogen.

Daarmee bereikte het TEG‑prototype van het team een uitgangsvermogen van 40 Watt bij een temperatuurgradiënt van 190 graden Celsius met op bismut‑telluride gebaseerde TE‑modules. Deze hoeveelheid vermogen is voldoende om een gloeilamp te laten branden.

Opmerkelijk is dat de onderzoeksresultaten aantonen dat hoge luchtstroomcondities in uitlaatpijpen de efficiëntie verhogen en de elektrische output van het systeem vergroten.

Het team testte het TEG‑systeem in simulaties die high‑speed omgevingen nabootsten, en het toonde grote flexibiliteit. Hun warmteterugwinningssysteem produceerde tot 56 W bij uitlaatsnelheden vergelijkbaar met die van een auto, wat gelijk staat aan vijf lithium‑ion (Li) 18650‑batterijen. Deze waarden stegen tot 146 W bij uitlaatsnelheden vergelijkbaar met die van helikopters, wat gelijk staat aan 12 Li‑ion 18650‑batterijen.

Li‑ion 18650‑batterijen bieden voordelen zoals grote capaciteit, lange levensduur, hoge spanning en hoge veiligheidsprestaties. Ze worden het meest gebruikt in elektronische apparaten, EV's en energieopslagapparaten.

Volgens de onderzoekers kan het TEG‑systeem van de nieuwste studie direct in bestaande uitlaatafvoeren worden geïntegreerd en de noodzaak voor extra koelsystemen wegnemen.

De onderzoekers geloven bovendien dat dit werk de deur kan openen naar de praktische integratie van thermoelektrische apparaten in high‑speed voertuigen, temidden van de groeiende vraag naar schone energieoplossingen.

Klik hier om te leren hoe waterstofvoertuigen een comeback maken.

Verbrandingsmotoren blijven evolueren

Warmteterugwinning uit uitlaatgassen van verbrandingsmotoren krijgt steeds meer belangstelling om de efficiëntie te verhogen en het brandstofverbruik te verminderen. Deze inspanningen helpen de milieuvervuiling en de opwarming van de aarde te verminderen.

Naast TEG worden bottoming cycles, elektrische turbo‑compounding (ETC)‑apparaten, dampabsorptie, Stirlingmotor (SE) en thermo‑acoustische generatoren (TAG's) gebruikt om warmte uit auto‑ en industriële uitlaatsystemen te oogsten.

Thermo‑elektrische generatoren zijn echter het meest geadopteerd als betrouwbare, compacte en solid‑state technologie, die warmte direct kan omzetten in elektriciteit zonder mechanische beweging. Ze zijn bovendien lichtgewicht en trillingsvrij, zonder oriëntatiebeperkingen en met nul emissies.

Naast deze brandstofefficiëntiemethoden zien verbrandingsmotoren ook andere ontwikkelingen om hun prestaties, efficiëntie en milieuduurzaamheid te verbeteren.

Dit omvat directe brandstofinjectie, een technologie die brandstof rechtstreeks in de verbrandingskamer levert, waardoor nauwkeurige controle over het brandstof‑luchtmengsel mogelijk is. Turbochargers comprimeren ondertussen de inlaatlucht, waardoor kleinere motoren vermogen kunnen genereren dat vergelijkbaar is met dat van grotere tegenhangers.

Een interessante ontwikkeling is de combinatie van interne verbrandingsmotoren met elektrische motoren, wat heeft geleid tot hybride systemen. Een hybride aandrijflijn biedt de flexibiliteit om elektrische energie te gebruiken voor langzaam rijden en de verbrandingsmotor voor hogere snelheden.

Onder leiding van onder andere Honda, Hyundai, Lexus, BYD en Porsche winnen hybride voertuigen wereldwijd veel aan populariteit, maar ze blijven geconfronteerd worden met uitdagingen zoals hogere kosten en minder vermogen vergeleken met traditionele auto’s.

Een andere ontwikkeling is te zien in de brandstof die interne verbrandingsvoertuigen aandrijft. Het verkennen van alternatieve brandstoffen zoals ethanol, aardgas, propaan en biodiesel heeft als doel de milieu‑impact van verbrandingsmotoren te verminderen door de GHG‑emissies te verlagen en hun afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen.

Onder deze alternatieve brandstoffen trekt waterstof, in het bijzonder, veel aandacht van onderzoekers en bedrijven die verbrandingsmotoren willen redden.

Een van de eenvoudigste moleculen, waterstof in gasvorm, heeft een extreem lage energiedichtheid tenzij onder zeer hoge druk en/of zeer lage temperatuur, en zelfs dan is de energiedichtheid veel lager dan die van de meeste andere vloeibare brandstoffen. Dit veroorzaakt problemen met brandstofopslag. Het heeft ook hogere stikstofoxide (NOx)‑emissies.

Maar waar waterstof uitblinkt, is de verbrandingssnelheid, die zeer hoog is, veel hoger dan die van benzine. Bovendien maakt de nul‑koolstof eigenschap van waterstof, wanneer het met zuurstof wordt verbrand, het een aantrekkelijk alternatief. Daarom krijgen waterstof‑internen verbrandingsmotoren en waterstofbrandstofcelvoertuigen (FCEV's) zoveel aandacht.

Beide soorten voertuigen gebruiken waterstof. In ICEV wordt waterstof verbrand net als benzine, terwijl waterstofbrandstofcelvoertuigen (FCEV's) waterstof gebruiken in een apparaat om elektriciteit op te wekken.

Vorig jaar introduceerden onderzoekers van de Universiteit van Alberta een nieuwe aluminium‑nikkellegering om waterstofverbrandingsmotoren te revolutioneren. De legering AlCrTiVNi5 biedt hoge stabiliteit onder extreme hitte, lage thermische uitzetting en superieure duurzaamheid, waardoor hij ideaal is om de extreme temperaturen van waterstofverbranding te weerstaan.

Toyota onthulde vorig jaar ook verschillende ICE‑prototypes die op waterstof kunnen rijden naast benzine en andere brandstoffen.

Leidend in de nieuwe benaderingen van verbrandingsmotoren

Momenteel staan verbrandingsmotoren onder toenemende druk van EV's en emissieregels, maar ondanks dit blijven ze de transportsector domineren. Dit komt voornamelijk door de gevestigde infrastructuur en brede beschikbaarheid, maar dat is niet alles. Bedrijven boeken ook aanzienlijke vooruitgang bij het aanpakken van het belangrijkste probleem: emissies.

Zo investeren Cummins en Ford Motor in waterstofverbrandingsmotor technologie, terwijl ClearSign Technologies Corporation de Duplex Burner Architecture heeft ontwikkeld om de energie‑efficiëntie te verbeteren en te voldoen aan strenge emissienormen.

Laten we dus dieper kijken naar het investeringspotentieel van een innovator die nog steeds nieuwe benaderingen van de verbrandingsmotor ontwikkelt en deze helpt te floreren.

1. Westport Fuel Systems Inc. (NASDAQ: WPRT)

Een toonaangevende leverancier van geavanceerde alternatieve brandstofsystemen, Westport Fuel Systems (WPRT ) opereert via verschillende segmenten, waaronder Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM en Corporate.

Met een marktkapitalisatie van $72,5 miljoen worden Westport‑aandelen momenteel verhandeld tegen $4,70, een stijging van 27,93% YTD. De EPS (TTM) is -1,57 en de P/E (TTM) ratio is -2,91.

Het bedrijf rapporteerde een omzet van $66,2 miljoen in Q3 2024, wat een daling van 14% betekende ten opzichte van hetzelfde kwartaal vorig jaar. De omzet werd gedreven door de overgang van de Heavy‑Duty OEM‑activa naar Cespira, een joint venture tussen Volvo Group en Westport.

Met deze joint venture streven Westport Fuel Systems en Volvo Group ernaar de commercialisering van de HPDI‑technologie te ontwikkelen, promoten en versnellen. Dit zal hen helpen zich te richten op het bevorderen van betaalbare, duurzame transportoplossingen die gebruikmaken van de interne verbrandingsmotor die nu op hernieuwbare brandstoffen werkt en in de toekomst op waterstof.

In het bijzonder wordt verwacht dat de joint venture een aanzienlijke impact zal hebben op wereldwijde langeafstand‑ en off‑road zware toepassingen. HPDI‑aangedreven interne verbrandingsmotoren, zei Volvo CTO Lars Stenqvist, zouden \”een cruciale rol spelen in wereldwijde decarbonisatie‑inspanningen in commercieel transport.\”

Tijdens het derde kwartaal bedroeg het nettoverlies van het bedrijf $3,9 miljoen, en de kas en kasequivalenten aan het einde daarvan waren $33,3 miljoen.

“We blijven overtuigd van de rol die alternatieve brandstoffen zullen spelen bij het stimuleren van duurzaamheid in de toekomst van transport- en industriële toepassingsgebieden.”

– CEO Dan Sceli

Tijdens het gesprek over waterstof merkte hij een vertraging in de wereldwijde infrastructuurontwikkeling op, wat op zijn beurt de adoptie van door waterstof aangedreven auto‑ en industriële toepassingen beïnvloedde. Volgens Dan:

“Het succes van deze markt hangt af van de aanleg van infrastructuur en de productie van schone waterstof, waarvan beide traag tot stand zijn gekomen.”

Ondanks dit blijft het bedrijf geloven dat waterstof als brandstof zal zegevieren, maar verwacht het dat de wereldwijde adoptie als schone brandstof een geleidelijk proces zal zijn en niet onmiddellijk.

In de tussentijd zal Westport blijven leveren een breed scala aan betaalbare alternatieve koolstofarme brandstoffen zoals propaan, aardgas, hernieuwbaar aardgas en waterstof.

“We streven naar schonere prestaties door lagere emissieregels aan te pakken met praktische toepassingen die gebruikmaken van de vandaag beschikbare innovatie.”

– Dan

Conclusie 

Verbrandingsmotoren zijn de plek waar de mobiliteitsrevolutie begon. Echter, zo'n motor werkt slechts met een efficiëntiebereik van ongeveer 40% en heeft een aanzienlijke negatieve impact op het milieu door het gebruik van fossiele brandstoffen. De transportsector is feitelijk de op één na grootste bron van broeikasgasemissies wereldwijd.

Dit heeft de wereld ertoe gebracht over te schakelen naar groenere alternatieven zoals elektrische voertuigen. Maar dit is niet alles; zelfs verbrandingsmotoren evolueren om gelijke tred te houden met de veranderende omgeving, en tonen hun onbenutte potentieel zelfs na een eeuw.

(CMI ) (F ) (CLIR )

Doorbraken zoals thermoelectrische generatoren (TEG's) voor warmteterugwinning, hybride aandrijflijnen en alternatieve brandstoffen zoals waterstof drijven deze transformatie momenteel aan. Met voortdurende onderzoek en innovatie staan verbrandingsmotoren op het punt om efficiënter en milieuvriendelijker te worden. En naarmate de wereld schonere technologieën omarmt, zullen ze niet alleen naast EV's bestaan, maar zelfs een betekenisvolle bijdrage leveren aan een duurzamere toekomst.

Klik hier voor een lijst van de top 5 waterstofverbrandingsmotoren die de norm doorbreken.