Nieuwe waterstofmotor evenaart koppel van dieselmotor

Het Southwest Research Institute (SwRI) in de Verenigde Staten heeft een nieuwe waterstofmotor gebouwd die zich gedraagt als een dieselmotor, maar dan zonder de bijbehorende CO2-uitstoot. De motor is een gewone verbrandingsmotor: hij verbrandt waterstofgas met behulp van een bougie in de cilinders en drijft daarmee zuigers aan, precies zoals een benzine- of dieselmotor dat doet met fossiele brandstof. Dat is een wezenlijk andere aanpak dan een brandstofcel, waarbij waterstof chemisch wordt omgezet in elektriciteit zonder verbranding.

Waarom verbranding in plaats van een brandstofcel

Het grote voordeel van deze aanpak is dat fabrikanten grotendeels kunnen voortbouwen op bestaande technologie. Motorblokken, versnellingsbakken, productielijnen en onderhoudskennis blijven bruikbaar, omdat het principe niet fundamenteel verschilt van een klassieke verbrandingsmotor. Alleen de brandstof verandert: in plaats van diesel of benzine stroomt er waterstof de cilinders in. Omdat waterstof geen koolstof bevat, ontstaat bij verbranding vooral waterdamp in plaats van CO2.

Diesel-achtig koppel dankzij turbo en herontworpen cilinders

Onderzoeksleider Qilong Lu en zijn team begonnen met experimenten op een enkele cilinder, gericht op de verbranding en de brandstofinjectie. Daarna bouwden ze een volledige motor met meerdere cilinders. Een belangrijke uitdaging was het koppel: de kracht die nodig is om zware, beladen vrachtwagens vanuit stilstand op gang te krijgen. Diesel staat erom bekend dat het al bij lage toerentallen veel koppel levert. Om dat met waterstof te evenaren, gebruikten de onderzoekers een turbocompressor die extra lucht de motor in perst, waardoor er meer waterstof verbrand kan worden. Ook paste het team de vorm van de inlaatkanalen aan, omdat waterstof veel sneller verbrandt dan benzine en dus een andere luchtstroming in de cilinder vereist. Grotere inlaatkleppen, op waterstof afgestemde injectoren en aangepaste besturingssoftware voor ontsteking, turbodruk en de verhouding tussen lucht en brandstof maken het geheel compleet.

Bijna, maar niet helemaal, emissievrij

SwRI noemt de uitstoot van de motor "bijna nul CO2 uit de uitlaat". Dat klopt voor de motor zelf, maar niet automatisch voor de hele keten: als de waterstof wordt gemaakt uit aardgas in plaats van met groene stroom, blijft de totale CO2-uitstoot alsnog aanzienlijk. Bovendien is de motor niet volledig schoon. Bij de hoge temperaturen tijdens verbranding reageren stikstof en zuurstof uit de lucht met elkaar, waardoor stikstofoxiden (NOx) ontstaan. Die stof is schadelijk voor de luchtkwaliteit en vraagt om nauwkeurige verbrandingscontrole en nabehandeling van de uitlaatgassen. Ook moesten de onderzoekers voorkomen dat hete motoronderdelen of restgassen de waterstof al laten ontbranden vóór de bougie vonkt, wat tot schokkende verbranding, vermogensverlies of motorschade kan leiden. Volgens Chris Bitsis van SwRI werkt het instituut dagelijks verder aan de technologie om die als serieus alternatief voor diesel in de vrachtwagensector neer te zetten.