Hydrogenforbrenningsmotorer ser stadig mer levedyktige i en transportsektor i endring

Med reguleringer som begrenser CO2-utslipp øker globalt, har jakten på bærekraftig transport ført oss til hydrogen som et alternativt drivstoff. 

Hydrogen (H) har dukket opp som et lovende alternativ takket være sin evne til å brenne uten noen klimagassutslipp. Dette brennbare elementet er fargeløst, smakløst, luktløst, og har relativt høy energitetthet, noe som betyr at hydrogen inneholder mye energi per volum, og gjør det til en utmerket drivstoffkilde for kjøretøy. 

Dette letteste elementet har fått betydelig interesse fra transportsektoren for å drive elektriske kjøretøy via brenselceller. Imidlertid utforskes hydrogeninterne forbrenningsmotorer (HICEs) for å oppnå nullutslipp. Men hva handler dette egentlig om?

Hva er hydrogenforbrenning?

Hydrogen er et kjemisk element, og forbrenning er en kjemisk prosess som frigjør energi fra en blanding av drivstoff og luft. Forbrenning av hydrogen, enten i flytende eller gassform, genererer kraft. 

På grunn av sitt brede brennbare område er hydrogen godt egnet for forbrenning. Det gir utmerket drivstofføkonomi og har en høy selvtenningstemperatur, noe som muliggjør høyere kompresjonsforhold som reduserer energitap under forbrenning. I tillegg minimerer en lavere sluttforbrenningstemperatur mengden forurensninger som slippes ut via eksosen.

Hvordan fungerer egentlig denne renbrennende motoren i et kjøretøy? 

Hydrogen, i motsetning til flytende bensin, er en gass som krever et spesielt drivstoffleveringssystem. For dette formålet holder høytrykktanker hydrogengassen, og sikrer tilstrekkelig drivstofflagring for å møte behovet på en reise. 

En kontrollventil regulerer samtidig gassstrømmen inn i motorens inntaksmanifold, og sikrer en optimal luft‑drivstoffblanding for effektiv forbrenning. Under inntaksprosessen blandes drivstoffet med luft og introduseres i sylinderen.

For å oppnå ren og effektiv forbrenning er en riktig luft‑drivstoffblanding nødvendig. Hydrogenforbrenningsmotorer bruker sofistikerte drivstoffinnsprøytningssystemer for å minimere skadelige utslipp og optimalisere kraftutgangen.

Stemplet komprimerer den passende blandingen av drivstoff og luft, og høyenergi‑gnistplugger tenner den deretter, noe som resulterer i forbrenning. Når hydrogen brenner raskt og frigjør betydelig varme, ekspanderer forbrenningsgassene raskt.

Disse ekspanderende gassene skyver stemplet, hvis bevegelse konverteres til rotasjonskraft gjennom veivakselen. Denne kraften driver deretter hjulene, og får kjøretøyet til å bevege seg fremover. 

Denne prosessen illustrerer den renere og kraftigere kjøreopplevelsen som hydrogenforbrenningsmotorer kan tilby, og lover en mer bærekraftig transportfremtid. Imidlertid oppnås den raske hastigheten og de høye temperaturene i hydrogeninterne forbrenningsmotorer (HICEs) gjennom hydrogenvennlige materialer, avansert motordesign og innovativ drivstoffinnsprøytingsteknologi.

Hvordan er den forskjellig fra hydrogenbrenselceller? 

Hydrogen brukes i transportsektoren på to ulike måter: gjennom brenselceller og forbrenningsmotorer. Selv om begge prosessene bruker nullkarbonhydrogen, utnytter de den på forskjellige måter for å drive kjøretøy.

Som nevnt ovenfor produserer hydrogenforbrenningsmotorer kraft ved å brenne hydrogen, på samme måte som tradisjonelle motorer. Her blandes hydrogen med luft for å skape en kontrollert eksplosjon, som genererer mekanisk energi for å drive kjøretøyet. 

Brenselceller og hydrogenkjøretøy konverterer derimot hydrogen til elektrisitet gjennom en kjemisk prosess. I denne prosessen omdanner en elektro‑kjemisk enhet hydrogen og oksygen til elektrisitet, varme og vanndamp. Mer spesifikt genereres elektrisitet ved å splitte hydrogen i et proton og et elektron. Denne elektrisiteten driver deretter en elektrisk motor som driver kjøretøyet.  

Brenselcellet kjøretøy (FCEV) er mer effektive ved lavere belastning, mens hydrogenforbrenningsmotorer presterer bedre under tyngre belastning. Dette gjør HICEs til et bedre valg for tunge lastebiler som frakter store laster mesteparten av tiden. Til sammenligning kan biler, busser og tauere ha større nytte av brenselceller, da de vanligvis opererer under mye lavere belastning. 

Imidlertid, siden begge bruker hydrogen, produserer de lignende utslipp. Brenselcellet kjøretøy genererer ingen utslipp, mens hydrogenforbrenningsmotorer slipper ut nesten null spor av CO2, selv om de kan produsere NOx eller nitrogenoksider. I tillegg kan hydrogenmotorer operere med hydrogen av lavere kvalitet, noe som tillater spesifikke bruksområder.

Hydrogen interne forbrenningsmotorer har vært i bruk i flere tiår og krever ingen endring i infrastruktur. Så for kjøretøyprodusenter er overgangen til en hydrogenmotor mindre utfordrende på grunn av bruk av eksisterende teknologi. Brenselceller, derimot, er lettere, stillere og er kjent for sin høye effektivitet. De konverterer opptil 60 % av energien lagret i hydrogen til elektrisk kraft.

Fordi de opererer ved lavere temperatur enn forbrenningsmotorer, har brenselceller også lavere risiko for brann eller eksplosjon. Imidlertid, siden de er en relativt ny teknologi, er brenselceller et dyrere alternativ enn hydrogenforbrenningsmotorer.

Dette betyr ikke at de konkurrerer med hverandre, men snarere at HICEs og FCEV-er utfyller hverandre. Tross alt involverer begge den samme hydrogenproduksjon, lagring, transport og distribusjonsinfrastruktur, og er en del av å redusere transportutslipp mot null.

Vurdere fordeler og ulemper ved hydrogenforbrenning

Så har bruken av hydrogen tydelig store fordeler, men hva med hydrogenforbrenning spesielt? Vel, som vi nevnte ovenfor, er hovedfordelen miljøpåvirkningen fra HICEs. 

Disse motorene er kjent for å ha et rent biprodukt, hovedsakelig vanndamp, noe som gir en betydelig fordel over tradisjonelle bensinmotorer. I tillegg til å bidra til lavere klimagassutslipp, har hydrogenforbrenningsmotorer mye høyere termisk effektivitet på omtrent 45 % sammenlignet med dieselmotorer som har under 40 % og bensinmotorer som har under 30 %.

En annen stor fordel med HICEs er at de kan bygges ved å bruke eksisterende teknologi for interne forbrenningsmotorer, så det er ikke behov for ekstra infrastruktur eller omskolering av arbeidsstyrken. Videre kan elementet selv produseres fra ulike kilder som biomasse, vannelektrolyse og naturgass, og dermed i stand til å møte den økende etterspørselen etter ren energi. 

Argumentet for hydrogen som drivstoff er absolutt sterkt, men det betyr ikke at det ikke finnes noen problemer. Faktisk står hydrogenforbrenningsmotorer overfor flere utfordringer som må løses. 

For det første trenger vi stor lagringsplass for hydrogentanker, noe som legger til en betydelig mengde vekt på kjøretøyet.

Dette øker selvfølgelig risikoen for slitasje, og reduserer dermed kjøretøyets levetid. Drivstoffet brenner også ganske lett, noe som betyr at det er farer for motorens deler. Å utnytte hydrogen er heller ikke enkelt. Det er en tidkrevende og energikrevende prosess.

Samtidig er energitettheten lavere, noe som betyr at den genererte kraften er relativt mindre enn for konvensjonelle forbrenningsmotorer. Sammenlignet med andre drivstoff som bensin, som krever et kompresjonsforhold på 8:1, krever hydrogenforbrenningsmotorer 40:1, noe som gir en annen utfordring. For ikke å nevne at masseproduksjon av disse motorene er en kostbar oppgave.

Mens hydrogen velges for sine lavere utslipp, skaper forbrenningsmotoren fortsatt et karbonavtrykk siden den innebærer noen NOx‑utslipp, noe som motsier motorenes egentlige formål. Derfor er det viktig å håndtere varmen og eventuelle resterende utslipp gjennom etterbehandlingssystemer.

Klikk her for å lære om sikkerhetsbekymringene rundt hydrogenkjøretøy. 

Er hydrogenforbrenningsmotorer fremtiden?

Hydrogenforbrenningsmotorer (HICEs) har eksistert i flere tiår. Verdens første eksperimentelle kommersielle fly som opererte på flytende hydrogen, Tupolev Tu-155, tok til himmelen i 1988. Dette viser at HICEs ikke er så nye som mange tror. 

Til tross for at de ikke har oppnådd bred adopsjon gjennom årene, har HICEs nylig tiltrukket fornyet interesse fra store bilmerker, inkludert Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki og Volvo. Selv luftfartssektoren har utforsket hydrogenforbrenning. Airbus har for eksempel samarbeidet med partnere på tvers av industrier for sitt ZEROe‑konseptfly, som er designet for å kjøre på hydrogenforbrenning. 

Det er økende interesse for å bruke hydrogenforbrenningsmotorer i transportsektoren, men foreløpig møter de intens konkurranse fra elektriske kjøretøy (EV). 

Mens HICEs produserer nesten null utslipp, er EV-er avhengige av elektrisitet for kraft og har dermed null utslipp fra eksos. EV-er har også høyere energieffektivitet sammenlignet med HICEs, som mister noe energi under forbrenningsprosessen.

Selv om EV-er krever ny infrastruktur, øker antallet ladestasjoner raskt. Stasjoner for å fylle hydrogen er derimot relativt få, selv om påfylling av en hydrogenbil er raskere enn lading av en elbil. 

Companies like BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo, and many others have been making massive strides in the field of EVs. The electric vehicle (EV) market was vurdert til omtrent $384 milliarder i 2022, mens det globale markedet for hydrogen interne forbrenningsmotorer (HICEs) er projisert å nå $35 milliarder innen 2030.

Bilprodusenter eksperimenterer nå med hydrogenforbrenningsteknologi, men fremdriften er relativt langsom sammenlignet med fremskritt innen EV‑teknologi. Industrien må overvinne mange produksjonsbarrierer, som kostnad, noe som betyr at EV-er vil fortsette å dominere transportsektoren for øyeblikket. Imidlertid kan HICEs bli en viktig del av transportens drivstoffblanding i nær fremtid. 

Hydrogen enkelt kan ikke ignoreres som drivstoff, og HICEs har en avgjørende rolle i fremtiden for bærekraftig transport. Imidlertid, for å gjøre dette mulig, regjeringsstøtte og teknologisk fremgang er nødvendig.

Klikk her for å lære hvorfor hydrogen fortsatt kan være drivstoffet for fremtiden.

Siste utviklinger innen HICE-feltet

I løpet av det siste tiåret har avkarbonisering blitt ekstremt viktig for land og selskaper over hele verden. Transportsektoren er spesielt kritisk, ettersom den står for 10 % av verdens klimagassutslipp. 

According to the Paris (COP21) and Glasgow (COP26) agreements, transportation propulsion tech needs to rapidly reduce CO2. For this, we need an effective solution, but there isn’t one that can provide all the answers. A mix of different solutions can actually help mitigate the issues more effectively. Dette inkluderer hydrogenforbrenningsmotorer, som krever minimale endringer i den nåværende kjøretøyarkitekturen.

As a logical and highly efficient option, HICEs are seeing a lot of traction and advancement. Recently, researchers at the University of Alberta have come up with a nytt beleggmateriale som ser lovende ut for hydrogenforbrenningsmotorer. Den nye komplekse konsentrerte legeringen, AlCrTiVNi5, har overlegne termomekaniske egenskaper, inkludert lav ekspansjon, høy stabilitet, bruddtoleranse, og evnen til å tåle høye temperaturer samt høytrykksmiljøer.

Ved å sammenligne det nye belegget med eksisterende kommersielt tilgjengelige legeringer, fant forskerne at AlCrTiVNi5 overlevde “korrosive miljøer i opptil 100 timer ved 900 grader Celsius” og “overgår alt annet på markedet akkurat nå,” og åpner dermed døren for å fremme hydrogenøkonomien.

Earlier this month, Toyota also kunngjorde at den i et forsøk på å gjøre hydrogenforbrenning levedyktig, har den laget en intern forbrenningsmotor som kan kjøre på syntetisk drivstoff, biodiesel, bensin og hydrogen. For å få dette til, brukte ingeniørene en 1,6‑liters motor fra GR Corolla racerbilen, noe som hjalp selskapet med å overvinne utfordringen med å balansere termisk effektivitet. De nye motorene er 10 % til 20 % mindre, men er kraftigere.

Ifølge Toyota‑administrerende direktør Koji Sato er hydrogen fremtiden, og selskapet er:

“Utvikling av denne motoren som en del av selskapets innsats for å oppnå karbonnøytralitet og fremme bruk av hydrogen som en ren og fornybar energikilde.”

Denne utviklingen rundt hydrogen skjer over hele verden. Sent i fjor avduket Indias største bilprodusent, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), FoU-fasiliteter som inkluderer en motorprøvecelle for utvikling av HICEs samt infrastruktur for lagring og distribusjon av hydrogendrivstoff.

I år samarbeidet Tata med den amerikanske giganten Cummins om en produksjonsfasilitet i India for HICEs for både mellomstore og tunge kommersielle kjøretøy. Dette kommer etter joint venture kunngjort i fjor som ville bruke $424 millioner på fabrikken for å produsere 4 000 H2‑motorer per år og 10 000 batterisystemer.

Selskaper som utvikler hydrogenforbrenningsmotorer

La oss nå se på et par store navn i sektoren: 

#1. Honda

Denne bilprodusenten har vært aktivt engasjert i hydrogenforbrenningsmotorer via et samarbeidsprosjekt kalt HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) med Toyota, Yamaha, Kawasaki og Suzuki for å utforske potensialet til HICEs. Opprinnelig skeptisk til teknologiens gjennomførbarhet, utviklet Honda ‘HySE‑X1’, som har en 1,6‑liters fire‑sylindret hydrogen‑drevet motor. 

Honda er et selskap med en markedsverdi på $56,188 milliarder, hvis aksjer for tiden handles til $31,93, opp 3,25 % YTD. Selskapets inntekter (TTM) har vært $130 milliarder, EPS (TTM) på 7,37, P/E (TTM) på 4,33, og en utbytteavkastning på 4,19 %.

#2. Toyota

Denne japanske bilprodusenten har brukt hydrogen som drivstoff i mange tiår nå. Dens hydrogenforbrenningskjøretøy inkluderer GR Corolla H2 og GR Yaris H2. Toyota deltok også i Super Taikyu utholdenhetsløp for å akselerere kjøretøyutviklingen. Bare denne uken viste Toyota sine nye motorer som kan kjøre på ulike drivstoff, inkludert hydrogen.

Toyota er et selskap med en markedsverdi på $314 milliarder, hvis aksjer for tiden handles til $198,86, opp 8,53 % YTD. Selskapets inntekter (TTM) har vært $287 milliarder, EPS (TTM) på 24,18, P/E (TTM) på 8,22, og en utbytteavkastning på 2,45 %.

Konklusjon

Det er tydelig at hydrogenforbrenningsmotorer gir store fordeler når det gjelder redusert miljøpåvirkning, avhengighet av eksisterende infrastruktur og høy termisk effektivitet. Men selvfølgelig vil ikke HICEs alene kunne tilby bærekraftig transport. Snarere, gjennom en blanding av løsninger, kan vi oppnå et tryggere miljø. I den blandingen kan HICEs spille en avgjørende rolle og bidra til overgangen fra fossilt brensel. 

Nå, etter tiår med urealistert potensial, kan hydrogen‑drevne kjøretøy endelig være i rampelyset takket være fornyet interesse, private investeringer, regjeringsstøtte og teknologiske fremskritt. 

Klikk her for å lære hva som nylig gjorde hydrogen mer attraktivt som energikilde.