5 vätgasförbränningsmotorer som ska bryta mönstret

Vätgasförbränning har framträtt som ett av de mest lovande bränslealternativen och erbjuder betydande miljövärde och prestanda. På designnivå går dessa motorer tillbaka mer än fyra decennier.

1970 patenterade uppfinnaren Paul Dieges en modifiering som gjorde det möjligt för gasdrivna förbränningsmotorer att köras på vätgas. Sedan dess har tekniken gjort stora framsteg i sin förmåga att driva fordon, bilar och bussar. Dess potential är så stor att framtida kommersiella flygplan också kan anta vätgas som primärt bränsle.

I vätgasförbränningsmotorer brinner antingen flytande eller gasformig vätgas i en modifierad gasturbinmotor för att generera drivkraft. Denna process speglar traditionell förbränning men med vätgas som ersätter dess fossila bränsle.

Med sin växande användning och betydelse sprids spekulationer om vilken HCE som har den mest spännande framtiden. I följande avsnitt tittar vi på fem vätgasförbränningsmotorer som alla är redo att bryta mönstret.

Cummins 15-liters vätgasmotor

Cummins 15-liters motorplattform, som vi diskuterar, är i grunden bränsleagnostisk. Den är kompatibel med vätgas, naturgas och diesel. Men när den används med vätgas kan den verkligen bryta mönstret genom att bli den bästa versionen av sitt låg‑till‑noll koldioxid‑bränslekapacitetsområde och påskynda avkarboniseringen av tunga off‑highway‑applikationer till sin optimum. 

När han talade om dess specialitet sade Antonio Leitao, vice president för Cummins globala Off‑highway Engine Business, följande:

“Cummins helt nya plattform tar förbränningsmotorn till en ny nivå, kapabel att möta framtida ultra‑låga utsläppsstandarder, såsom EPA Tier 5 och EU Stage 6, tillsammans med en låg‑till‑noll koldioxid‑bränslekapacitet för att hjälpa bygg- och gruvplatser att gå en lägre kostnadsväg mot avkarbonisering. 15-litern har en betydande ökning i effekt‑densitet med ett mer kompakt installationsutrymme som ger utrustningstillverkare möjlighet att göra mer med sina maskiner.”

Om vi diskuterar det specifika fallet med vätgasmotorn, så har den en direktinsprutning, mager förbränning med en effekt på 400‑till‑530 hk (298‑395 kW) och ett maximalt vridmoment på 2600 N·m. Den hämtar kraft från koldioxidfri grön vätgas och kan använda ett bränslelagringssystem med hög kapacitet på 700 bar för maximala driftstimmar mellan tankningar. 

Versionen förväntas vara i full produktion år 2027. Företaget kommer att producera dessa motorer med 15‑liters och 6,7‑liters förskjutningar. 

Motorn har fått validering från branschintressenter redan från de tidiga dagarna. I januari 2022 bestämde Werner Enterprises (WERN ) (Nasdaq: WERN), en ledande transport‑ och logistikleverantör, att börja validera och integrera Cummins 15‑liters vätgasförbränningsmotorer i sina fordon.

Cummins rapporterade sina resultat för fjärde kvartalet och hela år 2023 den 6 februari 2024. Fjärde kvartal 2023 hade en omsättning på 8,5 miljarder dollar, en ökning med 10 % jämfört med samma kvartal 2022, medan omsättningen för hela år 2023 var 34,1 miljarder dollar, 21 % högre än 2022.

Yamahas 5,0-liters V8 100 % vätgasdrivna motorer för Toyota

Toyota Motor Corporation (TM ) beställde Yamaha Motor att utveckla den framtida vätgasmotorn. De fem företagen — Kawasaki Heavy Industries, Subaru Corporation, Toyota Motor Corporation, Mazda Motor Corporation och Yamaha Motor — beslutade att genomföra gemensam forskning för att utforska och utöka utbudet av bränslealternativ för förbränningsmotorer som är lämpade för koldioxidneutralitet.

När han talade om utvecklingen sade Yamaha Motors president Yoshihiro Hidaka:

“Vätgasmotorer har potentialen att vara koldioxidneutrala samtidigt som vi behåller vår passion för förbränningsmotorn. Att samarbeta med företag med olika företagskulturer och expertisområden, samt att öka antalet partners vi har, är hur vi vill leda vägen in i framtiden.”

Vid lanseringsevenemanget för motorn verkade 5,0‑liters V8 vara baserad på 5,0‑litersmotorn i Lexus RC F lyxiga sportcoupé, modifierad med injektorer, cylinderhuvuden, insugningsrör och mer. Motorn kan leverera upp till 450 hk vid 6 800 rpm och ett maximalt vridmoment på 540 Nm vid 3 600 rpm. Den högpresterande 5,0‑liters 90‑gradig V8 DOHC 32‑ventils motorn konverterades av Yamaha för att använda vätgas. 

Enligt dess årsrapport för 2023 registrerade Yamaha en koncernsamlad omsättning på 451,4 miljarder yen med en kärnoperativ vinst på 45,9 miljarder yen. 

Motorn för BMW iX5 Hydrogen 

BMW har testat sitt framtida fordon sedan 2023. Från temperaturer upp till 45 °C till sand, damm, olika lutningar och varierande luftfuktighet har företaget testat allt. Företaget anser även att dess vätgasbränslecellsteknik är lämplig för daglig användning i extrema under noll grader. 

När det gäller specifikationer kan BMW iX5 Hydrogens bränslecellssystem konsekvent leverera en hög effekt på 125 kW/170 hk. 

Toyota Motor Corporation har beställts att tillverka de enskilda cellerna för BMW Group. BMW Group-anläggningen i Landshut tillverkar höljet för stacken, vilket är det andra steget i den tvåstegs tillverkningsprocessen. Det första steget innebär att stapla cellerna och montera de övriga komponenterna. 

De bränsleceller som levererar prestandan 125 kW/170 hk är en innovativ kombination som kommer från BMW Groups Gen‑5-serie av BMW eDrive‑teknologier och ett speciellt utvecklat batteri. När de kombineras kan systemet erbjuda en effekt på upp till 285 kW/401 hk. 

BMW Group har också ansvarat för att utveckla de dedikerade vätgaskomponenterna, inklusive den högupplösta kompressorn med en turbin och högspänningskylningspumpen. Den inre mekanismen i bränslecellen får vätgasen från tankarna att reagera med syre från atmosfären för att producera elektricitet som driver motorn. De två tankarna i BMW iX5 Hydrogen kan hålla totalt 6 kg av gasen och ger systemet en körsträcka på 504 km enligt WLTP‑cykeln. 

BMW anser också att iX5-motorn är framtiden för tankning eftersom vätgastankning är snabbare än att ladda en batterielektrisk bil. 

BMW:s samarbete med vätgas har varit holistiskt. Dess gruppanläggningslogistik har använt gasen sedan 2013. Det var också företaget som byggde Tysklands första inomhusvätestation vid Leipzig‑anläggningen. PaintShop på Plant Leipzig är också involverad i pilotprojekt för att använda vätgas i fordonsproduktion.

År 2023 rapporterade BMW Group en årlig omsättning på omkring 155,5 miljarder euro, en ökning med 9 % jämfört med 2022 års siffra på nära 143 miljarder euro. 

Volvos vätgasförbränningsmotorer med högtrycksdirektinsprutning (HPDI)-teknik

Volvo‑lastbilarna som kommer med en vätgasförbränningsmotor kommer att ha högtrycks‑direktinsprutning (HPDI)-teknik, vilket innebär att en liten mängd tändbränsle, injicerad med högt tryck, kan möjliggöra kompressionsantändning redan innan vätgas tillsätts. En av de många fördelarna med denna teknik är att den behåller hög energikvalitet med lägre bränsleförbrukning. Den säkerställer att motorns kraft inte komprometteras i processen. 

Volvo Group har redan undertecknat ett avtal med Westport Fuel Systems (WPRT ) för att etablera ett joint venture som utnyttjar HPDI‑teknik, vilket förväntas bli operativt under andra kvartalet 2024. 

När han utvecklade Volvos strategi med sina vätgasmotorer sade Jan Hjelmgren, chef för produktledning och kvalitet på Volvo Trucks, följande:

“Lastbilar, där den traditionella förbränningsmotorn kvarstår men körs på vätgas, kommer att ha samma prestanda och tillförlitlighet som våra diesellastbilar, men med den extra fördelen av potentiellt netto‑noll CO₂‑utsläpp från bränsle till hjul. De kommer att vara ett värdefullt komplement till våra batterielektriska lastbilar, som har funnits på marknaden i flera år.”

Kundtester med Volvo‑lastbilar som använder vätgas i förbränningsmotorer kommer att påbörjas 2026, och lastbilarna kommer att bli kommersiellt tillgängliga mot slutet av detta decennium. 

HPDI‑teknik är ett transformerande tillskott till hur våra transportsystem kommer att fungera i framtiden. Det tacklar utmaningarna att möta de regulatoriska kraven i Euro 7 och US EPA för lastbils‑ och off‑road‑utrustningstillverkare globalt.

Injektorn med en dubbelkoncentrisk nåldesign kan minska 97 % av CO₂‑utsläppen. Det är därför lastbilar som kör med denna teknik kan kategoriseras som ”Zero Emission Vehicles” enligt de nya EU‑CO₂‑utsläppsstandarderna. Motorerna kommer också att producera mycket små mängder kväveoxider och partiklar. 

År 2023 ökade Volvo Groups valutajusterade nettoförsäljning med 11 % till 552,8 miljarder SEK, och dess justerade rörelseresultat förbättrades till 77,6 miljarder SEK.

Klicka här för att lära dig vad som nyligen gjort vätgas mer attraktivt som energikälla.

Vätgasförbränningsmotor utvecklad i samarbete av Kia och Hyundai

I ett senaste drag som kan visa sig banbrytande har Kia och Hyundai, två koreanska biljättar, gått ihop för att designa en vätgasförbränningsmotor. Motorn kan vara klar för personbilar år 2025. 

Rapporter antyder att denna motor kan potentiellt lösa alla hållbarhets- och storskalighetsproblem som vätgasmotorer har mött hittills. Prototypen är en 180‑200 hästkrafts 2‑liters vätgasmotor med vridmoment‑ och effektkurvor jämförbara med motsvarande bensinmotorer i storlek. Fördelen är att vätgasmotorn presterar mycket bättre när det gäller bränsleförbrukning. Motorn kan upprätthålla hög termisk effektivitet under hela driften genom att injicera vätgas i förbränningskammaren med ett tryck på 30 bar.

För att förstärka produktionen av motorn har Hyundai och Kia också ingått partnerskap med ett par leverantörer. Till exempel har de undertecknat ett memorandum of understanding med Next Hydrogen Corporation, ett kanadensiskt företag som specialiserar sig på vattens elektrolysteknik. Utvecklingen av ett alkaliskt vattenelektrolyssystem kommer att förbättra pris­konkurrenskraften för ren vätgas för Hyundai och Kia.

Företaget har också undertecknat ett avtal med W. L. Gore & Associates (Gore) för att gemensamt utveckla avancerade polymerelektrolytmembraner (PEM) för vätgassystem. PEM underlättar överföringen av protoner mellan elektroderna i bränslecellen. Eftersom PEM hindrar den direkta kombinationen av inkommande vätgas och syre, sker selektiv protonledning, och ett elektriskt ström genereras för att driva ett fordon.

Enligt Chang Hwan Kim, chef för batteriutveckling samt vätgas‑ och bränslecellutveckling på Hyundai Motor Company och Kia Corporation:

“Vi går in i nästa kapitel av vårt partnerskap med Gore. Genom att utnyttja de 15 årens samarbete kommer vi att förvärva avancerad bränslecellsteknik och leda marknaden för bränslecells‑elektriska fordon, vilket påskyndar övergången till en hållbar framtid.”

För räkenskapsåret 2023 registrerade Hyundai en årlig omsättning på 162 664 miljarder KRW, en ökning med mer än 14 % från 2022 års omsättning på 142 152 miljarder KRW. År 2023 registrerade Kia en omsättning på 99 808 420 miljoner KRW.

Framtiden för vätgasförbränningsmotorer ser lovande ut som aldrig förr

Från personbilar till lastbilar investerar alla ledande globala biltillverkare så mycket resurser och forskning de kan för att göra vätgasförbränningsmotorer till det bästa möjliga alternativet för en koldioxidneutral, hållbar, grön framtid. 

Förutom att erbjuda oss en ren miljö är dessa motorer överlägsna på många andra sätt. Till exempel eliminerar de behovet av ett tungt batteripaket, en vanlig funktion bland elbilar. Vätgas‑till‑elektricitet‑omvandlarstacken är kompakt och lättare än ett litium‑ionbatteri med ett drivlinje med liknande räckvidd. Det tar bara 3 till 5 minuter för en vätgasförbränningsmotor att tankas, och dess energitäthet är minst tre gånger högre jämfört med batterier, medan de kan köra 2‑3 gånger längre mellan påfyllningar än de flesta elbilar.

Här har vi haft möjlighet att titta på nästan alla de stora motortyperna i kategorin som är redo att bryta mönstret. Framtiden kan mycket väl förväntas vara fylld med fler sådana banbrytande innovationer.

Klicka här för att lära dig varför vätgas fortfarande kan vara framtidens bränsle.