Die Innovation des Wasserstoffmotors ist auf Kurs.
Betrieb eines Dieselmotors mit Gas
Die von der Regierung geförderte Initiative zielt darauf ab, einen herkömmlichen Dieselmotor für die Verbrennung von Wasserstoff geeignet zu machen. NPS Driven leitet dieses Arbeitspaket, das Teil des GTD-H-Projekts ist. Um das optimale Verhältnis von Sauerstoff und Kraftstoff herzustellen, bedarf es mehr als herkömmlicher mechanischer Technik. Die Diesel-Einspritztechnik, bei der durch Kompression ein hoher Druck im Brennraum erzeugt wird, ist Autofahrern und Kfz-Mechanikern bekannt. Die Ventile des modifizierten Motors arbeiten wie gewohnt, um durch Öffnen und Schließen Luft anzusaugen. Nach dem Einfüllen des Kraftstoffs löst ein Funke die Verbrennung aus.
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Abbildung 1:
Die Einspritzdauer eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors bei drei instationären Lastschritten. Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff muss ein größeres Volumen an Kraftstoff eingespritzt werden. Dies erfordert ein längeres Einspritzfenster.
Damit der Wasserstoff in einem Motor verbrannt werden kann, muss er in der richtigen Dosierung gasförmig zugeführt werden. Für die erforderliche Präzision ist die Computertechnik unerlässlich. Glücklicherweise hat CNG dies bereits erreicht, so dass Wasserstoff ein offensichtlicher Anwärter für den nächsten Fortschritt ist. Technisch gesehen ist der Übergang von CNG zu Wasserstoff nicht einfach, da die beiden Kraftstoffe unterschiedliche Verbrennungseigenschaften haben und einzigartige Schwierigkeiten mit sich bringen.
SparkMap:
Abbildung 2:
Das Funkenbild eines Wasserstoffverbrennungsmotors. Die SparkMap definiert den Kurbelwinkel, bei dem das Wasserstoff-Luft-Gemisch gezündet wird. Der Winkel ist abhängig von der Motordrehzahl und dem Kraftstofffluss.
LPG- und CNG-Erfahrungen als Basis für Wasserstoff
NPS Driven, Lumipol und TNO arbeiten seit langem an der Reduzierung von Abgasemissionen. In einer anderen Rolle haben Mitarbeiter von NPS Driven dazu beigetragen, LPG und CNG als Kraftstoff für Dieselmotoren zu verwenden. Dieses erfolgreiche Projekt führte nicht nur zu Erkenntnissen, sondern auch zu verschiedenen Patenten, die nun für einen fliegenden Start bei der Entwicklung eines Wasserstoffverbrennungsmotors sorgen. Die damals durchgeführten Experimente mit der Wasserstoffeinspritzung lieferten spannende Ergebnisse. Allerdings fehlte es noch an der Notwendigkeit, Wasserstoff zu verwenden, und die Verfügbarkeit dieses Kraftstoffs war ungewiss. Die Erfahrungen und Erkenntnisse aus dieser Zeit verschaffen NPS Driven jetzt einen Vorsprung, da TNO an einem schweren Verbrennungsmotor mit Wasserstoff arbeitet. Wasserstoff kann die Emissionen aus fossilen Brennstoffen auf das jetzt erforderliche Maß reduzieren.
Wesentliche Schritte zu einer effizienten Verbrennung
Um einen Dieselmotor wasserstofftauglich zu machen, ist mehr Platz im Brennraum erforderlich. Um dies zu erreichen, verringern wir das Verdichtungsverhältnis in der Versuchskonfiguration, indem wir einen Teil des Kolbens abschleifen. Auch die Form des Kolbens wird für die Wasserstoffverbrennung optimiert. Um eine effiziente Verbrennung zu ermöglichen, müssen wir den Ventildeckel anpassen, Zündspulen hinzufügen und eine Kraftstoffleitung einbauen. All diese Schritte sind wichtig, um eine optimale Verbrennung zu ermöglichen. Das Endprodukt wird ein fertiges Umrüstsystem sein.
Wasserstoff hat gegenüber LPG und CNG mehrere Vorteile. Wasserstoff hat eine breite Entflammbarkeitsgrenze, was bedeutet, dass der Motor sehr mager oder sehr fett laufen kann und daher besondere Aufmerksamkeit erfordert. Mit Wasserstoff lässt sich das geeignete Kraftstoff-Luft-Verhältnis präziser bestimmen. Es kann auch im Motor entsprechend eingestellt werden. Beim Anlassen des Motors gibt es ein großes Zündfenster; Wasserstoff kann auch mit wenig Kraftstoff und viel Luft zünden und den Motor starten. Weitere Vorteile sind:
- Hohe Flammengeschwindigkeit..
Dadurch können sich Wasserstoffmotoren dem thermodynamisch idealen Motorzyklus annähern und somit effizienter arbeiten. - Hohe Diffusionsfähigkeit, d. h. die Fähigkeit, sich in der Luft zu verteilen, ist viel größer als bei Benzin oder Diesel. Dies führt zu einem homogeneren Gemisch aus Kraftstoff und Luft und ist sicherer, da sich der Wasserstoff im Falle eines Lecks schnell auflöst.
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Abbildung 3::
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors bei zwei instationären Lastschritten. Das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis beträgt 34. Aufgrund der weiten Entflammbarkeitsgrenzen (4 % - 74 %) ist es möglich, den Motor sehr mager oder sehr fett zu betreiben.
Trotz all dieser Vorteile unterscheidet sich die Energiekurve von Wasserstoff deutlich von der fossiler Brennstoffe. Das System ist in den Testumgebungen einsatzfähig. Wir kennen die Kräfte, die eingestellt werden müssen, und die Kräfte, die freigesetzt werden, wenn sich Wasserstoff entzündet.
Wasserstoff im Tank oder Produktion auf Abruf
NPS Driven und TNO testen Motoren mit reinem Wasserstoff Wasserstoff muss unter hohem Druck sicher gespeichert werden. Es ist nicht für jeden Kunden wünschenswert, mit einem solchen Kraftstoff herumzufahren. NPS Driven hat DENS in dieses Projekt einbezogen, um an der Speicherung mit weniger anspruchsvollen Spezifikationen zu arbeiten. Das subventionierte Entwicklungsprogramm läuft in zwei Phasen ab. Zunächst wird Wasserstoff, der mit Sonnen- oder Windenergie erzeugt wird, unter Zugabe von CO2 in Hydrozin, besser bekannt als Ameisensäure, umgewandelt. Diese kann als Flüssigkeit bei normalen Temperaturen gelagert und transportiert werden, was wesentlich einfacher ist als die Arbeit mit Wasserstoff. Am Bestimmungsort wandelt dann ein Reformer/Reaktor das Hydrozin durch einen chemischen Prozess wieder in Wasserstoff um. Für Anwendungen in Motoren kann Hydrozin in den Tank gegeben werden, und die gewünschte Leistung des Motors bestimmt, wie viel Wasserstoff sofort erzeugt werden muss. Das zuvor zugegebene CO2 wird dann als Emission wieder freigesetzt. DENS und NPS Driven sprechen dennoch von einem emissionsneutralen System, da das freigesetzte CO2 dem zuvor aufgenommenen CO2 zur Herstellung des Hydrozins entspricht.
In ähnlicher Weise ist der Wasserstoff von DENS auch für bestimmte elektrische Brennstoffzellen in Kombination mit einem Batteriepack vorgesehen.
Einführung des H2-Motors im Jahr 2024
Die ersten Wasserstoff-Verbrennungsmotoren laufen im Labor als Ersatz für den Dieselmotor für Generatoren. NPS Driven rechnet damit, sie im Jahr 2024 auf den Markt zu bringen, als erste Möglichkeit, Wasserstoff als Alternative zum Diesel zu nutzen. Diese Anwendung ist schnell realisierbar, da Generatoren in einem begrenzten Energiespektrum arbeiten: Die Drehzahl und die Last erfahren nur begrenzte Spitzen und Täler.
Für schwere Traktionsmotoren ist das breitere Energiespektrum die erste Herausforderung: Die Bewältigung von Steigungen und wechselnden Geschwindigkeiten muss so flexibel funktionieren, wie es die Fahrer gewohnt sind.
Der Transport des Kraftstoffs ist die zweite Aufgabe. Den Wasserstoff in Flaschen mit 350-700 bar in ausreichender Menge zur nächsten Tankstelle zu bringen, ist wesentlich komplexer als ein herkömmlicher Dieseltank. Die andere Lösung besteht darin, den Lkw/Schiff mit einer Ausrüstung auszustatten, die während der Fahrt die Speicherung und Umwandlung von Hydrosin in Wasserstoff ermöglicht. Diese Anpassungen an den neuen Kraftstoff erfordern einen rigorosen Eingriff in die Konstruktion der Lkw.
Diese Innovationen stehen weltweit im Mittelpunkt des Interesses, und NPS Driven ist fest entschlossen, an der Spitze zu bleiben.
Möchten Sie mehr über unseren H2-Motor erfahren? Klicken Sie hier um den Flyer zu lesen.
H2 ICE ist kein Projekt. Es ist eine Mission
„Wir leihen uns die Erde von unseren Kindern, deshalb ist es unsere Aufgabe, Lösungen für Nachhaltigkeitsprobleme zu finden“, sagt Peter van der Heijden. „NPS Driven ist für den Vertrieb von Dieselmotoren sowie die Entwicklung und den Bau emissionsmindernder Katalysatoren bekannt. Gemeinsam mit Kollegen von TNO und DAF und unseren eigenen H2-Spezialisten arbeiten wir an der Realisierung einer sauberen Alternative zum herkömmlichen Verbrennungsmotor.“
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