Vätgasförbränningsmotorer blir alltmer livskraftiga i en föränderlig transportsektor

Med regler som begränsar CO2-utsläpp och som skärps globalt har jakten på hållbar transport lett oss till väte som ett alternativt bränsle. 

Väte (H) har framträtt som ett lovande alternativ tack vare sin förmåga att brinna utan några växthusgasutsläpp. Detta brännbara element är färglöst, smaklöst, luktlöst och har relativt hög energitäthet, vilket betyder att väte innehåller mycket energi per volymenhet, vilket gör det till en utmärkt bränslekälla för fordon. 

Detta lättaste element har fått betydande intresse från transportsektorn för att driva elfordon via bränsleceller. Men väte‑internförbränningsmotorer (HICE) utforskas nu för att uppnå nollutsläpp. Men vad handlar det egentligen om?

Vad är väteförbränning?

Väte är ett kemiskt grundämne och förbränning är en kemisk process som frigör energi från en blandning av bränsle och luft. Förbränning av väte, oavsett om det är i flytande eller gasform, genererar kraft. 

På grund av sitt breda antändningsområde är väte väl lämpat för förbränning. Det ger utmärkt bränsleekonomi och har en hög självantändningstemperatur, vilket möjliggör högre kompressionsförhållanden som minskar energiförluster under förbränning. Dessutom minskar en lägre slutlig förbränningstemperatur antalet föroreningar som släpps ut via avgasen.

Hur fungerar egentligen denna renbrännande motor i ett fordon?

Väte, till skillnad från flytande bensin, är en gas som kräver ett speciellt bränsleleveranssystem. För detta ändamål lagrar högtryckstankar vätegasen, vilket säkerställer tillräckligt bränsle för att möta resans behov. 

En styrventil reglerar samtidigt gasflödet till motorns insugningsfördelare och säkerställer en optimal luft‑bränsleblandning för effektiv förbränning. Under insugningsprocessen blandas bränslet med luft och förs in i cylindern.

För att uppnå ren och effektiv förbränning krävs en korrekt luft‑bränsleblandning. Väteförbränningsmotorer använder sofistikerade bränsleinsprutningssystem för att minimera skadliga utsläpp och optimera effektuttaget.

Kolven komprimerar den lämpliga blandningen av bränsle och luft, och högenergisparkpluggar antänder den sedan, vilket resulterar i förbränning. Eftersom väte brinner snabbt och frigör betydande värme, expanderar förbränningsgaserna snabbt.

Dessa expanderande gaser driver kolven, vars rörelse omvandlas till rotationskraft via vevaxeln. Denna kraft driver sedan hjulen och får fordonet att röra sig framåt. 

Denna process illustrerar den renare och kraftfullare körupplevelsen som väteförbränningsmotorer kan erbjuda, vilket lovar en mer hållbar transportframtid. De snabba hastigheterna och höga temperaturerna i väte‑internförbränningsmotorer (HICE) uppnås dock genom vätevänliga material, avancerad motordesign och innovativ bränsleinsprutningsteknik.

Hur skiljer den sig från vätebränsleceller?

Väte används i transportsektorn på två olika sätt: genom bränsleceller och förbränningsmotorer. Även om båda processerna använder koldioxidfritt väte, utnyttjar de det på olika sätt för att driva fordon.

Som nämnts ovan producerar väteförbränningsmotorer kraft genom att bränna väte, på samma sätt som traditionella motorer. Här blandas väte med luft för att skapa en kontrollerad explosion, vilket genererar mekanisk energi för att driva fordonet. 

Bränsleceller och vätefordon omvandlar däremot väte till elektricitet genom en kemisk process. I denna process omvandlar en elektrokemisk enhet väte och syre till elektricitet, värme och vattenånga. Mer specifikt genereras elektricitet genom att väte delas upp i en proton och en elektron. Denna elektricitet driver sedan en elmotor som driver fordonet.  

Bränslecellfordon (FCEV) är mer effektiva vid lägre belastningar, medan väteförbränningsmotorer presterar bättre under tyngre belastningar. Detta gör HICE till ett bättre val för tunga lastbilar som transporterar stora laster större delen av tiden. Däremot kan bilar, bussar och bogserbilar ha större nytta av bränsleceller, eftersom de vanligtvis körs under mycket lägre belastningar. 

Men eftersom båda använder väte producerar de liknande utsläpp. Bränslecellfordon genererar inga utsläpp, medan väteförbränningsmotorer släpper ut nästan noll spår av CO2, även om de kan producera NOx eller kväveoxider. Dessutom kan vätemotorer fungera med väte av lägre kvalitet, vilket möjliggör specifika användningsområden.

Väte‑internförbränningsmotorer har använts i årtionden och kräver ingen förändring av infrastrukturen. Så för fordonstillverkare är övergången till en vätemotor mindre utmanande tack vare befintlig teknik. Bränsleceller, å andra sidan, är lättare, tystare och kända för sin höga effektivitet. De omvandlar upp till 60 % av den energi som lagras i väte till elektrisk kraft.

Eftersom de arbetar vid lägre temperatur än förbränningsmotorer har bränsleceller också en lägre risk för brand eller explosion. Men eftersom de är en relativt ny teknik är bränsleceller ett dyrare alternativ än väteförbränningsmotorer.

Det betyder inte att de konkurrerar med varandra, utan snarare att HICE och FCEV kompletterar varandra. Trots allt involverar båda samma väteproduktion, lagring, transport och distributionsinfrastruktur och är en del av att minska transportutsläppen mot noll.

Att väga för- och nackdelar med väteförbränning

Så, användningen av väte har tydligt stora fördelar, men vad gäller väteförbränning i synnerhet? Som vi nämnde ovan är den största fördelen den miljöpåverkan som HICE har.

Dessa motorer är kända för att ha en ren biprodukt, främst vattenånga, vilket ger en betydande fördel jämfört med traditionella bensinmotorer. Förutom att bidra till lägre växthusgasutsläpp har väteförbränningsmotorer en mycket högre termisk effektivitet på cirka 45 % jämfört med dieselmotorer som har under 40 % och bensinmotorer som har under 30 %.

En annan stor fördel med HICE är att de kan byggas med befintlig förbränningsmotorteknik, så det behövs ingen extra infrastruktur eller omskolning av arbetskraften. Dessutom kan själva elementet produceras från olika källor såsom biomassa, vattenelektrolys och naturgas, vilket gör det möjligt att möta den ökande efterfrågan på ren energi.

Argumentet för väte som bränsle är utan tvekan starkt, men det betyder inte att det inte finns några problem. Faktum är att väteförbränningsmotorer står inför flera utmaningar som måste åtgärdas.

Till att börja med krävs stora lagringsutrymmen för vätetankar, vilket lägger till en betydande mängd vikt på fordonet. Detta ökar naturligtvis risken för slitage, vilket minskar fordonets livslängd. Bränslet brinner också ganska lätt, vilket innebär faror för motordelar. Att utnyttja väte är inte heller enkelt. Det är en tidskrävande och energiintensiv process.

Samtidigt är dess energitäthet lägre, vilket betyder att den genererade kraften är relativt mindre än för konventionella förbränningsmotorer. Jämfört med andra bränslen som bensin, som kräver ett kompressionsförhållande på 8:1, kräver väteförbränningsmotorer 40:1, vilket innebär en ytterligare utmaning. Dessutom är massproduktion av dessa motorer en kostsam uppgift.

Även om väte väljs för sina lägre utsläpp skapar förbränningsmotorn fortfarande ett koldioxidavtryck eftersom den ger upphov till vissa NOx‑utsläpp, vilket motverkar motorernas egentliga syfte. Därför är det viktigt att hantera värmen och eventuella kvarvarande utsläpp genom efterbehandlingssystem.

Klicka här för att lära dig om säkerhetsfrågorna kring vätefordon.

Är väteförbränningsmotorer framtiden?

Väteförbränningsmotorer (HICE) har funnits i årtionden. Världens första experimentella kommersiella flygplan som drevs av flytande väte, Tupolev Tu‑155, tog till himlen 1988. Detta visar att HICE inte är så nya som många tror.

Trots att de inte har fått bred spridning under åren har HICE nyligen väckt förnyat intresse från stora bilmärken, inklusive Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki och Volvo. Även flygsektorn har utforskat väteförbränning. Airbus har till exempel samarbetat med partners inom olika branscher för sitt ZEROe‑konceptflygplan, som är utformat för att drivas av väteförbränning.

Det finns ett växande intresse för att använda väteförbränningsmotorer i transportsektorn, men för närvarande möter de intensiv konkurrens från elfordon (EV).

Medan HICE producerar nästan noll utsläpp, är EV beroende av elektricitet för kraft och har därför noll utsläpp från avgasröret. EV har också högre energieffektivitet jämfört med HICE, som förlorar en del energi under förbränningsprocessen.

Även om EV kräver ny infrastruktur ökar antalet laddstationer snabbt. Tankstationer för väte är däremot ganska få, även om påfyllning av en vätbil går snabbare än att ladda en elbil.

Företag som BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo och många andra har gjort stora framsteg inom EV‑området. Marknaden för elfordon (EV) var värderad till cirka 384 miljarder dollar år 2022, medan den globala marknaden för väte‑internförbränningsmotorer (HICE) är prognostiserad att nå 35 miljarder dollar år 2030.

Bilproducenter experimenterar nu med väteförbränningsteknik, men framstegen är relativt långsamma jämfört med utvecklingen inom EV‑teknik. Industrin måste övervinna många produktionshinder, såsom kostnad, vilket innebär att EV kommer att fortsätta dominera transportsektorn för närvarande. Dock kan HICE bli en viktig del av transportbränsleblandningen inom en snar framtid.

Väte helt enkelt kan inte ignoreras som bränsle, och HICE har en avgörande roll att spela i framtiden för hållbar transport. Dock, för att göra det möjligt, stöd från regeringen och teknologiska framsteg behövs.

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

Senaste utvecklingen inom HICE‑området

Under det senaste decenniet har avkarbonisering blivit extremt viktig för länder och företag världen över. Transportsektorn är särskilt kritisk, eftersom den står för 10 % av världens växthusgasutsläpp. 

Enligt Parisavtalet (COP21) och Glasgowavtalet (COP26) måste transportpropulsions‑tekniken snabbt minska CO2. För det behövs en effektiv lösning, men det finns ingen som kan ge alla svar. En blandning av olika lösningar kan faktiskt hjälpa till att mildra problemen mer effektivt. Detta inkluderar väteförbränningsmotorer, som kräver minimala förändringar av den nuvarande fordonarkitekturen.

Som ett logiskt och mycket effektivt alternativ får HICE mycket uppmärksamhet och utveckling. Nyligen har forskare vid University of Alberta tagit fram ett nytt beläggningsmaterial som ser lovande ut för väteförbränningsmotorer. Den nya komplexa koncentrerade legeringen, AlCrTiVNi5, har överlägsna termomekaniska egenskaper, inklusive låg expansion, hög stabilitet, brotttålighet och förmåga att stå emot höga temperaturer samt högtrycksmiljöer.

När den nya beläggningen jämfördes med befintliga kommersiellt tillgängliga legeringar fann forskarna att AlCrTiVNi5 överlevde ”korrosiva miljöer i upp till 100 timmar vid 900 °C” och ”presterar bättre än allt annat på marknaden just nu”, vilket öppnar dörren för att driva på vätets ekonomi.

Tidigare i månaden annonserade att för att göra väteförbränning möjlig har de skapat en förbränningsmotor som kan köras på syntetiskt bränsle, biodiesel, bensin och väte. För att åstadkomma detta använde ingenjörerna en 1,6‑liters motor från GR Corolla‑racerbilen, vilket hjälpte företaget att övervinna utmaningen med att balansera termisk effektivitet. Dess nya motorer är 10 % till 20 % mindre men är kraftfullare.

Enligt Toyota‑VD Koji Sato är väte framtiden, och företaget är:

“Utveckla denna motor som en del av våra ansträngningar för att uppnå koldioxidneutralitet och främja användningen av väte som en ren och förnybar energikälla.”

Denna utveckling kring väte sker över hela världen. Sent förra året presenterade Indiens största biltillverkare, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), FoU-anläggningar som inkluderar en motortestcell för utveckling av HICE samt infrastruktur för lagring och distribution av vätgas.

I år samarbetade Tata med den amerikanska jätten Cummins för en tillverkningsanläggning i Indien för HICE för både medel- och tunga kommersiella fordon. Detta kommer efter att joint venture‑en annonserade förra året att de skulle investera 424 miljoner dollar i fabriken för att producera 4 000 H2‑motorer per år och 10 000 batterisystem.

Företag som utvecklar väteförbränningsmotorer

Låt oss nu titta på ett par stora namn inom sektorn: 

#1. Honda

Denna biltillverkare har varit aktivt engagerad i väteförbränningsmotorer via ett samarbetsprojekt kallat HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) med Toyota, Yamaha, Kawasaki och Suzuki för att utforska potentialen för HICE. Inledningsvis skeptisk till teknikens genomförbarhet utvecklade Honda ‘HySE‑X1’, som har en 1,6‑liters fyrcylindrig väte‑driven motor. 

Honda är ett företag med ett börsvärde på 56,188 miljarder dollar vars aktier för närvarande handlas till 31,93 $, upp 3,25 % år‑till‑datum. Företagets intäkter (TTM) har varit 130 miljarder dollar, EPS (TTM) 7,37, P/E (TTM) 4,33 och en utdelningsavkastning på 4,19 %.

#2. Toyota

Denna japanska biltillverkare har använt väte som bränsle i många årtionden. Dess väteförbränningsfordon inkluderar GR Corolla H2 och GR Yaris H2. Toyota deltog också i Super Taikyu‑uthållighetslopp för att påskynda sin fordonutveckling. Redan den här veckan visade Toyota sina nya motorer som kan köras på olika bränslen, inklusive väte.

Toyota är ett företag med ett börsvärde på 314 miljarder dollar vars aktier för närvarande handlas till 198,86 $, upp 8,53 % år‑till‑datum. Företagets intäkter (TTM) har varit 287 miljarder dollar, EPS (TTM) 24,18, P/E (TTM) 8,22 och en utdelningsavkastning på 2,45 %.

Slutsats

Det är tydligt att väteförbränningsmotorer erbjuder stora fördelar när det gäller minskad miljöpåverkan, beroende på befintlig infrastruktur och hög termisk effektivitet. Men naturligtvis kan inte HICE ensamma tillhandahålla hållbar transport. Istället kan vi genom en kombination av lösningar uppnå en säkrare miljö. I den blandningen kan HICE spela en avgörande roll och hjälpa till att övergå från fossila bränslen. 

Nu, efter årtionden av outnyttjad potential, kan väte‑drivna fordon äntligen stå i rampljuset tack vare förnyat intresse, privata investeringar, stöd från regeringen och teknologiska framsteg. 

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