De innovatie van waterstofmotoren ligt op schema.
Het functioneren van een dieselmotor op gas
Het door de overheid gesubsidieerde initiatief heeft als doel een traditionele dieselmotor geschikt te maken voor waterstofverbranding. NPS Driven leidt dit werkpakket dat deel uitmaakt van het GTD-H-project. Het creëren van de optimale verhouding tussen zuurstof en brandstof vereist meer dan conventionele mechanische technologie. Dieselinjectie en injectortechnologie, die hoge druk in de verbrandingskamer creëert door compressie, is bekend bij automobilisten en autotechnici. De kleppen van de aangepaste motor werken zoals gewoonlijk om lucht binnen te laten door te openen en te sluiten. Na de toevoer van brandstof start een vonk de verbranding.
InjDurationCyl1
Figuur 1:
De injectieduur van een waterstofverbrandingsmotor tijdens drie tijdelijke belastingstappen. Vanwege de lage dichtheid van waterstof moet er een groter volume brandstof worden geïnjecteerd. Dit vereist een langere injectieperiode.
Om waterstof in een motor te laten verbranden, moet de juiste dosis waterstof in gasvorm worden toegediend. Computer technologie is essentieel voor de vereiste precisie. Gelukkig heeft aardgas (CNG) dit al bereikt, dus waterstof is een logische kandidaat voor de volgende stap. Technisch gezien is de overgang van CNG naar waterstof niet eenvoudig omdat de twee brandstoffen verschillende verbrandingseigenschappen hebben en unieke uitdagingen met zich meebrengen.
SparkMap:
Figuur 2:
Het ontstekings kenveld van een waterstofverbrandingsmotor. Dit kenveld bepaalt de krukaspositie waarop het waterstof/luchtmengsel ontstoken wordt. De positie is afhankelijk van het motortoerental en de brandstofstroom.
LPG en CNG als basis voor waterstof
NPS Driven, Lumipol en TNO werken al lange tijd aan het verminderen van uitlaatgasemissies. In een andere rol hebben medewerkers van NPS Driven bijgedragen aan het gebruik van LPG en CNG als brandstof voor dieselmotoren. Dit succesvolle project heeft niet alleen inzichten opgeleverd, maar ook verschillende patenten die nu zorgen voor een vliegende start in de ontwikkeling van een waterstofverbrandingsmotor. Experimenten met waterstofinjectie die destijds werden uitgevoerd, leverden spannende resultaten op. Er was echter nog steeds behoefte aan het gebruik van waterstof en de beschikbaarheid van deze brandstof was onzeker. De ervaringen en inzichten van toen geven NPS Driven nu een voorsprong nu TNO werkt aan een zware verbrandingsmotor op waterstof. Waterstof kan de emissies van fossiele brandstoffen verminderen tot het nu vereiste niveau.
Essentiële stappen naar efficiënte verbranding
Het geschikt maken van een dieselmotor voor waterstof vereist meer ruimte in de verbrandingskamer. Om dit te bereiken, verlagen we de compressieverhouding in de experimentele configuratie door een deel van de zuiger af te slijpen. De vorm van de zuiger wordt ook geoptimaliseerd voor waterstofverbranding. Om efficiënte verbranding mogelijk te maken, moeten we het kleppendeksel aanpassen, bobines toevoegen en een brandstofrail toevoegen. Al deze stappen zijn essentieel om optimale verbranding te bevorderen. Het eindproduct zal een kant-en-klaar conversiesysteem zijn.
Waterstof heeft verschillende voordelen ten opzichte van LPG en CNG. Waterstof heeft een breed ontvlambaarheidsbereik, wat betekent dat de motor zeer arm of zeer rijk kan draaien en daarom speciale aandacht vereist. Gelukkig maakt waterstof een nauwkeurigere bepaling van de juiste brandstof-luchtmengverhouding mogelijk. Het kan ook dienovereenkomstig worden aangepast in de motor. Bij het starten van de motor is er een groot ontstekingsvenster; waterstof kan zelfs ontbranden met weinig brandstof en veel lucht, waardoor de motor start. Andere voordelen zijn:
- Hoge vlam snelheid..
Dit stelt waterstofmotoren in staat om dichter bij de thermodynamisch ideale motortoestand te komen en daardoor efficiënter te draaien. - <strongHoge diffusiviteit, wat betekent dat het vermogen om zich in lucht te verspreiden veel groter is dan dat van benzine of diesel. Dit zorgt voor een meer homogeen mengsel van brandstof en lucht en het is veiliger omdat het zich snel verspreidt bij een waterstoflekkage.
Lambda_AF:
Figuur 3:
De lucht-brandstofverhouding van een waterstofverbrandingsmotor tijdens twee tijdelijke belastingstappen. De stochiometrische lucht-brandstofverhouding is 34. Vanwege de brede ontvlambaarheidsgrenzen (4% - 74%) is het mogelijk om de motor zeer arm of zeer rijk te laten draaien.
Ondanks al deze voordelen verschilt de energiecurve van waterstof aanzienlijk van die van fossiele brandstoffen. Het systeem is operationeel in de testomgevingen. We kennen de krachten die vrijkomen wanneer waterstof ontbrandt.
Waterstof in de tank of on-demand productie
NPS Driven en TNO testen motoren met pure waterstof. Waterstof moet veilig worden opgeslagen onder hoge druk. Het is niet wenselijk dat elke klant rondrijdt met een dergelijke brandstof. NPS Driven heeft DENS bij dit project betrokken om te werken aan opslag met minder veeleisende specificaties. Het gesubsidieerde ontwikkelingsprogramma verloopt in twee fasen. Eerst wordt waterstof, geproduceerd met zonne-energie of windkracht, omgezet in hydrozine, beter bekend als mierenzuur, met toegevoegd CO2. Het kan worden opgeslagen en vervoerd als vloeistof bij normale temperaturen, wat veel gemakkelijker is dan werken met waterstof. Vervolgens zet een reformer/reactor bij de bestemming de hydrozine terug om in waterstof via een chemisch proces. Voor toepassingen in motoren kan hydrozine in een tank worden toegevoegd, en het gewenste vermogen van de motor bepaalt hoeveel waterstof direct moet worden geproduceerd. Vervolgens wordt het eerder toegevoegde CO2 opnieuw vrijgegeven als een emissie. DENS en NPS Driven spreken desondanks van een emissieneutraal systeem omdat de vrijgekomen CO2 gelijk is aan de eerder opgenomen CO2 voor de productie van de hydrozine.
Op een vergelijkbare manier is de waterstof van DENS ook bedoeld voor specifieke elektrische brandstofcellen in combinatie met een batterijpakket.
Introductie van de H2-motor in 2024
De eerste waterstofverbrandingsmotoren draaien in het laboratorium als vervanging voor de dieselmotor van generatoren. NPS Driven verwacht ze in 2024 op de markt te brengen als de eerste optie om waterstof te gebruiken als alternatief voor diesel. Deze toepassing is snel haalbaar omdat generatoren opereren binnen een beperkt energiebereik: de snelheid en belasting kennen slechts beperkte pieken en dalen.
Voor zware aandrijfmotoren is het bredere energiebereik de eerste uitdaging: het overwinnen van hellingen en variërende snelheden moet net zo flexibel werken als chauffeurs gewend zijn.
Het transport van de brandstof is de tweede taak. Het meebrengen van voldoende waterstof naar het volgende tankstation in cilinders bij 350-700 bar is veel complexer dan een traditionele dieseltank. De andere oplossing is het toevoegen van apparatuur aan de vrachtwagen/schip om hydrozine op te slaan en onderweg om te zetten naar waterstof. Dit soort aanpassingen voor de nieuwe brandstof betekent een rigoureuze ingreep in het ontwerp van vrachtwagens.
Deze innovaties staan wereldwijd in de schijnwerpers, en NPS Driven is vastbesloten om stevig voorop te blijven lopen.
Meer weten over de waterstof motor? Klik hier om de flyer te lezen.
H2 ICE is geen project. Het is een missie
“We lenen de aarde van onze kinderen, dus het is onze taak om oplossingen te bedenken voor duurzaamheidsvraagstukken”, zegt Peter van der Heijden. “NPS Driven staat bekend om de distributie van dieselmotoren en het ontwikkelen en bouwen van emissiereducerende katalysatoren. Samen met collega's van TNO en DAF en onze eigen H2-specialisten werken we aan de realisatie van een schoon alternatief voor de traditionele verbrandingsmotor.”
Renewable fuels contact
Neem contact op met een van onze kantoren of vul ons contactformulier in.
