Steeds meer autofabrikanten onderzoeken de haalbaarheid van een verbrandingsmotor op waterstof. Ook Porsche is er mee bezig. Hun 4,4 liter V8 halen ze 440 kW (600 pk) waarmee ze in 8 minuten en 20 seconden een rondje Nordschleife kunnen doen. Helaas voor de liefhebber: het is slechts een geslaagde simulatie.
De aanpak van Porsche
Wereldwijd wordt gewerkt aan verbrandingsmotoren op waterstof die vooral worden ingezet voor bedrijfsvoertuigen. Daar leveren ze een vermogen van ongeveer 50 kW per liter slagvolume. "Dat is niet genoeg voor de personenwagensector. Daarom hebben we als studie een waterstofverbrandingsmotor ontwikkeld, die vermogen en koppel moet bieden op het niveau van de huidige krachtige benzinemotoren. Tegelijkertijd was ons doel om een laag brandstofverbruik te bereiken en de emissies op het niveau van de omgevingslucht te houden”, zegt Vincenzo Bevilacqua, motorsimulatiespecialist bij Porsche Engineering.
"Uitgangspunt voor ons onderzoek was een bestaande 4,4-liter achtcilinder benzinemotor - of beter gezegd: de digitale dataset, omdat we het hele onderzoek virtueel met simulaties hebben uitgevoerd."
Vincenzo Bevilacaqua, motorsimulatiespecialist bij Porsche engineering
De wijzigingen aan het motormodel omvatten onder meer een hogere compressie en aangepaste verbranding, maar vooral een nieuw turbosysteem. “Om waterstof schoon te laten branden, moeten de turbocompressoren ongeveer twee keer zoveel luchtmassa leveren als in benzinemotoren. Anderzijds is er door de lagere uitlaatgastemperaturen een gebrek aan energie om ze aan de uitlaatzijde aan te drijven”, legt Bevilacqua uit. Deze tegenstelling kan niet worden opgelost met conventionele turboladers. Porsche Engineering heeft daarom vier alternatieve, bijzonder krachtige laadconcepten onderzocht, waarvan enkele uit de autosport.
Alle systemen bestaan uit meerdere elektrisch ondersteunde turbocompressoren, soms gecombineerd met extra regelkleppen in het luchtsysteem of mechanische compressoren. “In de benchmarktests vertoonde elk laadsysteem specifieke voor- en nadelen. De keuze voor het juiste concept hangt dus sterk af van het eisenprofiel van de betreffende waterstofmotor”, zegt Bevilacqua. Voor de huidige motorstudie heeft het ontwikkelteam gekozen voor een turbosysteem met zogenaamde back-to-back compressoren. Het bijzondere ontwerpkenmerk is de coaxiale opstelling van twee compressortrappen, die via een gemeenschappelijke as worden aangedreven door de turbine of de ondersteunende elektromotor. De proceslucht stroomt door de eerste compressor, wordt intergekoeld in de intercooler en vervolgens nagecomprimeerd in de tweede trap.
Uitstoot minimaal
Naast de nauwelijks meetbare emissies biedt de waterstofmotor dankzij de arme verbranding een hoog rendement in de WLTP-meetcyclus en in klantrelevante verbruikscycli. "We hebben daarmee het projectdoel dat we onszelf hebben gesteld, de ontwikkeling van een schone, zuinige en sportieve waterstofmotor, volledig bereikt", vat Bevilacqua samen. De kosten voor een waterstofaandrijving in serieproductie kunnen vergelijkbaar zijn met die van een benzinemotor. Hoewel het turbocompressorsysteem en sommige mechanische componenten van de waterstofmotor complexer en dus duurder zijn, wordt de uitlaatgasnabehandeling die nodig is voor Euro 7-benzinemotoren bespaard.
Het team van Porsche Engineering kon alle tests puur virtueel en dus uiterst efficiënt uitvoeren. De basis was de gevestigde, end-to-end simulatieprocesketen, plus uitgebreide ervaring in modellering en calculatie. "Het kostte ons slechts zes maanden van het eerste idee tot de afronding van de studie", zegt Bevilacqua. "Daar hoorde ook fundamenteel werk bij, zoals het maken van nieuwe rekenmodellen die rekening houden met de verschillende chemische en fysische eigenschappen van waterstof in vergelijking met benzine."
Verbruiksvoordelen tot vijf procent
De waterstofmotor zal in zijn huidige vorm waarschijnlijk niet in serieproductie gaan, maar dat was ook helemaal niet het doel van het project. Veeleer lag de focus op het onderzoeken van de technische mogelijkheden van de alternatieve aandrijving en de uitbreiding van bestaande engineering tools. "De studie heeft ons waardevolle inzichten gegeven in de ontwikkeling van krachtige waterstofmotoren en we hebben modellen en methoden specifiek voor waterstof toegevoegd aan onze virtuele ontwikkelingsketen", legt Bevilacqua uit. "Met deze knowhow zijn we klaar om toekomstige klantprojecten efficiënt te verwerken."
