Waterstofverbrandingsmotoren lijken steeds haalbaarder nu de transportsector in beweging is

Met wereldwijd steeds strengere regelgeving die CO2-uitstoot beperkt, heeft de zoektocht naar duurzaam transport ons naar waterstof als alternatief brandstof geleid. 

Waterstof (H) is naar voren gekomen als een veelbelovende optie dankzij het vermogen om te verbranden zonder enige broeikasgasuitstoot. Dit brandbare element is kleurloos, smaakloos, geurloos en heeft een relatief hoge energiedichtheid, wat betekent dat waterstof veel energie per volume‑eenheid bevat, waardoor het een uitstekende brandstofbron voor voertuigen is. 

Dit lichtste element heeft aanzienlijke interesse gekregen van de transportsector voor het aandrijven van elektrische voertuigen via brandstofcellen. wordt nu onderzocht om nuluitstoot te bereiken. Maar waar gaat het precies om?

Wat is waterstofverbranding?

Waterstof is een chemisch element, en verbranding is een chemisch proces dat energie vrijmaakt uit een brandstof- en luchtmengsel. De verbranding van waterstof, zowel in vloeibare als gasvorm, genereert kracht. 

Door zijn brede brandbaarheidsbereik is waterstof zeer geschikt voor verbranding. Het biedt uitstekende brandstofefficiëntie en heeft een hoge zelfontbrandingstemperatuur, waardoor hogere compressieverhoudingen mogelijk zijn die energieverlies tijdens de verbranding verminderen. Bovendien minimaliseert een lagere eindverbrandingstemperatuur het aantal verontreinigende stoffen dat via de uitlaat wordt uitgestoten.

Hoe werkt deze schoon brandende motor eigenlijk in een voertuig? 

Waterstof, in tegenstelling tot vloeibare benzine, is een gas dat een speciaal brandstofleveringssysteem vereist. Hiervoor houden hogedruktanks het waterstofgas, waardoor voldoende brandstofopslag beschikbaar is voor de eisen van een reis. 

Een regelklep regelt ondertussen de gasstroom naar het inlaatspruitstuk van de motor, waardoor een optimale lucht‑brandstofverhouding voor efficiënte verbranding wordt gegarandeerd. Tijdens het inlaapproces wordt de brandstof gemengd met lucht en in de cilinder gebracht.

Voor een schone en efficiënte verbranding is een juiste lucht‑brandstofverhouding nodig. Waterstofverbrandingsmotoren gebruiken geavanceerde brandstofinspuitsystemen om schadelijke emissies te minimaliseren en het vermogensoutput te optimaliseren.

De zuiger comprimeert de juiste mengeling van brandstof en lucht, en hoogenergetische bougies ontsteken deze vervolgens, wat leidt tot verbranding. Omdat waterstof snel brandt en veel warmte vrijgeeft, zetten de verbrandingsgassen zich snel uit.

Deze uitzettende gassen duwen de zuiger, waarvan de beweging wordt omgezet in roterende kracht via de krukas. Deze kracht drijft vervolgens de wielen aan, waardoor het voertuig vooruit beweegt. 

Dit proces illustreert de schonere en krachtigere rijervaring die waterstofverbrandingsmotoren kunnen bieden, en belooft een duurzamere transporttoekomst. Echter, de snelle snelheid en hoge temperaturen in waterstof interne verbrandingsmotoren (HICE’s) worden bereikt door waterstofvriendelijke materialen, geavanceerd motorontwerp en innovatieve brandstofinspuittechnologie.

Hoe verschilt het van waterstofbrandstofcellen? 

Waterstof wordt gebruikt in de transportsector op twee verschillende manieren: via brandstofcellen en verbrandingsmotoren. Hoewel beide processen waterstof als koolstofvrije brandstof gebruiken, benutten ze het op verschillende manieren om voertuigen aan te drijven.

Zoals hierboven vermeld, produceren waterstofverbrandingsmotoren vermogen door waterstof te verbranden, net als traditionele motoren. Hier wordt waterstof gemengd met lucht om een gecontroleerde explosie te creëren, waardoor mechanische energie wordt opgewekt om het voertuig voort te bewegen. 

Brandstofcellen en waterstofvoertuigen daarentegen zetten waterstof om in elektriciteit via een chemisch proces. In dit proces zet een elektrochemisch apparaat waterstof en zuurstof om in elektriciteit, warmte en waterdamp. Meer specifiek genereert het elektriciteit door waterstof te splitsen in een proton en een elektron. Deze elektriciteit voedt vervolgens een elektromotor die het voertuig aandrijft.  

Brandstofcelvoertuigen (FCEV’s) zijn efficiënter bij lagere belastingen, terwijl waterstofverbrandingsmotoren beter presteren onder zwaardere belastingen. Dit maakt HICE’s een betere keuze voor zware vrachtwagens die meestal grote ladingen vervoeren. Daarentegen kunnen auto’s, bussen en sleepwagens meer profiteren van brandstofcellen, omdat ze meestal onder veel lagere belastingen opereren. 

Echter, aangezien beide waterstof gebruiken, produceren ze vergelijkbare emissies. Brandstofcelvoertuigen genereren geen emissies, terwijl waterstofverbrandingsmotoren bijna nul sporen van CO2 uitstoten, hoewel ze NOx of stikstofoxiden kunnen produceren. Bovendien kunnen waterstofmotoren werken met waterstof van lagere kwaliteit, wat specifieke toepassingsgevallen mogelijk maakt.

Waterstof interne verbrandingsmotoren worden al decennialang gebruikt en vereisen geen verandering in infrastructuur. Voor autofabrikanten is de overstap naar een waterstofmotor dus minder uitdagend dankzij het gebruik van bestaande technologie. Brandstofcellen daarentegen zijn lichter, stiller en staan bekend om hun hoge efficiëntie. Ze zetten tot 60% van de energie opgeslagen in waterstof om in elektrische energie.

Omdat ze op een lagere temperatuur werken dan verbrandingsmotoren, hebben brandstofcellen ook een lager risico op brand of explosie. Echter, aangezien ze een relatief nieuwe technologie zijn, zijn brandstofcellen een duurdere optie dan waterstofverbrandingsmotoren.

Dit betekent niet dat ze met elkaar concurreren, maar eerder dat HICE’s en FCEV’s elkaar aanvullen. Uiteindelijk maken beide gebruik van dezelfde waterstofproductie-, opslag-, transport- en distributie-infrastructuur en dragen ze bij aan het verminderen van transportemissies tot nul.

De voor- en nadelen van waterstofverbranding afwegen

Dus, het gebruik van waterstof heeft duidelijk aanzienlijke voordelen, maar wat betreft waterstofverbranding specifiek? Zoals eerder vermeld, is het belangrijkste voordeel de milieu‑impact van HICE’s. 

Deze motoren staan bekend om hun schone bijproduct, voornamelijk waterdamp, wat een aanzienlijk voordeel biedt ten opzichte van traditionele benzinemotoren. Naast het bijdragen aan lagere broeikasgasemissies, hebben waterstofverbrandingsmotoren een veel hogere thermische efficiëntie van ongeveer 45% vergeleken met dieselmotoren (onder 40%) en benzinemotoren (onder 30%).

Een ander groot voordeel van HICE’s is dat ze kunnen worden gebouwd met behulp van bestaande interne verbrandingsmotorentechnologie, waardoor er geen extra infrastructuur of omscholing van het personeel nodig is. Bovendien kan het element zelf worden geproduceerd uit verschillende bronnen zoals biomassa, waterelektrolyse en aardgas, waardoor het in staat is om te voldoen aan de groeiende vraag naar schone energie. 

Het argument voor waterstof als brandstof is zeker sterk, maar dat betekent niet dat er geen problemen zijn. In feite staan waterstofverbrandingsmotoren voor verschillende uitdagingen die moeten worden aangepakt. 

Allereerst hebben we grote opslagruimte nodig voor waterstoftanks, wat een aanzienlijke hoeveelheid gewicht aan het voertuig toevoegt. Dit verhoogt uiteraard het risico op slijtage, waardoor de levensduur van het voertuig wordt verkort. De brandstof brandt bovendien vrij gemakkelijk, wat betekent dat er gevaren voor motoronderdelen zijn. Het benutten van waterstof is ook niet eenvoudig. Het is een tijdrovend en energie‑intensief proces.

Ondertussen is de energiedichtheid lager, wat betekent dat het gegenereerde vermogen relatief minder is dan dat van conventionele verbrandingsmotoren. Vergeleken met andere brandstoffen zoals benzine, die een compressieverhouding van 8:1 nodig hebben, vereisen waterstofverbrandingsmotoren 40:1, wat een ander probleem oplevert. Bovendien is het massaproductie van deze motoren een dure taak.

Hoewel waterstof wordt gekozen omdat het lagere emissies heeft, creëert de verbrandingsmotor toch een koolstofvoetafdruk omdat er enige NOx‑emissies zijn, wat het doel van deze motoren ondermijnt. Daarom is het belangrijk om de warmte en eventuele resterende emissies te beheersen via nabehandelingssystemen.

Klik hier om de veiligheidszorgen rond waterstofvoertuigen te leren. 

Zijn waterstofverbrandingsmotoren de toekomst?

Waterstofverbrandingsmotoren (HICE’s) bestaan al decennialang. Het eerste experimentele commerciële vliegtuig dat op vloeibare waterstof opereerde, de Tupolev Tu-155, steeg in 1988 de lucht in. Dit toont aan dat HICE’s niet zo nieuw zijn als velen denken. 

Ondanks dat ze door de jaren heen geen brede adoptie hebben gekregen, hebben HICE’s recent opnieuw de belangstelling getrokken van grote automerken, waaronder Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki en Volvo. Zelfs de luchtvaartsector onderzoekt waterstofverbranding. Airbus werkt bijvoorbeeld samen met partners uit verschillende industrieën voor hun ZEROe‑conceptvliegtuig, dat is ontworpen om op waterstofverbranding te draaien. 

Er is een groeiende interesse in het gebruik van waterstofverbrandingsmotoren in de transportsector, maar momenteel staan ze onder intense concurrentie van elektrische voertuigen (EV’s). 

Hoewel HICE’s bijna nul emissies produceren, zijn EV’s afhankelijk van elektriciteit voor hun vermogen en hebben ze daardoor geen uitlaatgassen. EV’s hebben ook een hogere energie‑efficiëntie vergeleken met HICE’s, die een deel van de energie verliezen tijdens het verbrandingsproces.

Hoewel EV’s een nieuwe infrastructuur vereisen, groeit het aantal laadstations snel. Waterstoftankstations zijn daarentegen vrij schaars, hoewel het tanken van een waterstofauto sneller is dan het opladen van een elektrische auto. 

Bedrijven zoals BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo en vele anderen hebben enorme stappen gezet op het gebied van EV’s. De elektrische voertuigmarkt (EV) was naar ongeveer $384 miljard gewaardeerd in 2022, terwijl de wereldwijde markt voor waterstof interne verbrandingsmotoren (HICE’s) is geprojecteerd om $35 miljard te bereiken tegen 2030.

Autofabrikanten experimenteren nu met waterstofverbrandingstechnologie, maar de vooruitgang is relatief traag vergeleken met de ontwikkelingen in EV‑technologie. De industrie moet veel productieobstakels overwinnen, zoals kosten, waardoor EV’s voorlopig de transportsector zullen blijven domineren. Echter, HICE’s kunnen in de nabije toekomst een belangrijke rol spelen in de brandstofmix voor transport. 

Waterstof kan simpelweg niet worden genegeerd als brandstof, en HICE’s hebben een cruciale rol te spelen in de toekomst van duurzaam transport. Echter, om dat mogelijk te maken, overheidssteun en technologische vooruitgang zijn nodig.

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

Recente ontwikkelingen op het gebied van HICE’s

In het afgelopen decennium is decarbonisatie uiterst belangrijk geworden voor landen en bedrijven wereldwijd. De transportsector is bijzonder cruciaal, aangezien deze 10% van de wereldwijde broeikasgasemissies produceert. 

Volgens de Parijs (COP21) en Glasgow (COP26) akkoorden moet de voortstuwings technologie in de transportsector snel CO2 verminderen. Daarvoor hebben we een effectieve oplossing nodig, maar er is geen enkele die alle antwoorden biedt. Een mix van verschillende oplossingen kan de problemen effectiever helpen mitigeren. Dit omvat waterstofverbrandingsmotoren, die minimale aanpassingen aan de huidige voertuigarchitectuur vereisen.

Als een logische en zeer efficiënte optie krijgen HICE’s veel aandacht en vooruitgang. Recent hebben onderzoekers van de Universiteit van Alberta een nieuw coatingmateriaal ontwikkeld dat veelbelovend lijkt voor waterstofverbrandingsmotoren. Het nieuwe complexe geconcentreerde legering, AlCrTiVNi5, heeft superieure thermomechanische eigenschappen, waaronder lage uitzetting, hoge stabiliteit, breuktolerantie en het vermogen om hoge temperaturen en hoge drukomgevingen te weerstaan.

Bij vergelijking van de nieuwe coating met bestaande commercieel verkrijgbare legeringen ontdekten onderzoekers dat AlCrTiVNi5 ‘corrosieve omgevingen tot 100 uur bij 900 graden Celsius’ overleeft en ‘alles op de markt momenteel overtreft’, waardoor de deur wordt geopend voor de vooruitgang van de waterstofeconomie.

Eerder deze maand heeft Toyota ook aangekondigd dat in een poging om waterstofverbranding haalbaar te maken, ze een interne verbrandingsmotor hebben gecreëerd die kan draaien op synthetische brandstof, biodiesel, benzine en waterstof. Om dit te realiseren, gebruikten ingenieurs een 1,6‑liter motor van de GR Corolla raceauto, wat het bedrijf hielp de uitdaging van het balanceren van thermische efficiëntie te overwinnen. Hun nieuwe motoren zijn 10% tot 20% kleiner maar krachtiger.

Volgens Toyota‑CEO Koji Sato is waterstof de toekomst, en het bedrijf is:

“Het ontwikkelen van deze motor als onderdeel van haar inspanningen om koolstofneutraliteit te bereiken en het gebruik van waterstof als schone en hernieuwbare energiebron te bevorderen.”

Deze ontwikkeling rond waterstof gebeurt wereldwijd. Eind vorig jaar onthulde India’s grootste automobielbedrijf, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), R&D‑faciliteiten die een motor‑testcel omvatten voor de ontwikkeling van HICE’s evenals de infrastructuur voor opslag en distributie van waterstofbrandstof.

Dit jaar werkte Tata samen met de Amerikaanse gigant Cummins aan een productievestiging in India voor HICE’s voor zowel middelzware als zware bedrijfsvoertuigen. Dit komt na de joint venture die vorig jaar werd aangekondigd en die $424 miljoen zou investeren in de fabriek om jaarlijks 4.000 H2‑motoren en 10.000 batterijsystemen te produceren.

Bedrijven die waterstofverbrandingsmotoren ontwikkelen

Laten we nu een paar grote namen in de sector bekijken: 

#1. Honda

Deze autofabrikant is actief betrokken bij waterstofverbrandingsmotoren via een samenwerkingsproject genaamd HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) met Toyota, Yamaha, Kawasaki en Suzuki om het potentieel van HICE’s te verkennen. Aanvankelijk sceptisch over de haalbaarheid van de technologie, ontwikkelde Honda de ‘HySE‑X1’, die een 1,6‑liter viercilinder waterstofmotor bevat. 

Honda is een bedrijf met een marktkapitalisatie van $56,188 miljard waarvan de aandelen momenteel handelen tegen $31,93, een stijging van 3,25% YTD. De omzet (TTM) van het bedrijf bedraagt $130 miljard, EPS (TTM) van 7,37, P/E (TTM) van 4,33 en een dividendrendement van 4,19%.

#2. Toyota

Deze in Japan gevestigde autofabrikant gebruikt al tientallen jaren waterstof als brandstof. Zijn waterstofverbrandingsvoertuigen omvatten de GR Corolla H2 en de GR Yaris H2. Toyota nam ook deel aan de Super Taikyu endurance races om de ontwikkeling van zijn voertuigen te versnellen. Deze week toonde Toyota haar nieuwe motoren die op verschillende brandstoffen kunnen draaien, waaronder waterstof.

Toyota is een bedrijf met een marktkapitalisatie van $314 miljard waarvan de aandelen momenteel handelen tegen $198,86, een stijging van 8,53% YTD. De omzet (TTM) van het bedrijf bedraagt $287 miljard, EPS (TTM) van 24,18, P/E (TTM) van 8,22 en een dividendrendement van 2,45%.

Conclusie

Het is duidelijk dat waterstofverbrandingsmotoren grote voordelen bieden op het gebied van verminderde milieu‑impact, gebruik van bestaande infrastructuur en hoge thermische efficiëntie. Maar uiteraard zullen HICE’s alleen geen duurzame transportoplossing bieden. Door een mix van oplossingen kunnen we een veiligere omgeving bereiken. In die mix kunnen HICE’s echter een cruciale rol spelen en helpen de overgang van fossiele brandstoffen te versnellen. 

Nu, na decennialang onbenut potentieel, kunnen waterstof‑aangedreven voertuigen eindelijk in de schijnwerpers komen dankzij hernieuwde interesse, particuliere investeringen, overheidssteun en technologische vooruitgang. 

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