Verbrandingsmotor op waterstof – heeft dat toekomst?

Toyota Celica Waterstof - bron: Best Car Web

De laatste tijd duiken er berichten op over verbrandingsmotoren op waterstof. Toyota racet met een Corolla die wordt aangedreven door een verbrandingsmotor op waterstof. En onlangs meldde de Japanse site Best Car Web de terugkomst van de Celica met een waterstof verbrandingsmotor. Hoe zit dat, een verbrandinsgmotor op waterstof? Wat zijn de plussen en de minnen? H2 Rijders vergelijkt de verbrandingsmotor op benzine en waterstof met elkaar.

Verbrandingsproces

Bij een waterstofmotor komt geen CO2 vrij, maar als gevolg van de hoge temperatuur wel NOx. Dat is schoner dan een benzinemotor, maar minder schoon dan full electric (BEV of FCEV).

Lucht/brandstof verhouding

Om een brandstof te kunnen verbranden heb je zuurstof nodig. Om dat proces gecontroleerd en zo optimaal mogelijk te doen, heb je een bepaalde verhouding nodig. Je wil namelijk én alle brandstof én alle lucht in de cilinder verbranden. Doe je dat niet, dan is er sprake van een verspilling.

Bij benzine is dat 14,7 op 1. Bij waterstof ligt dat optimum (de stoïchiometrische verhouding) op 34 op 1. De waterstof blijft echter ontsteken tot een verhouding van 180 op 1. In dat laatste is sprake van een uiterst ‘arm’ mengsel. Het voordeel hiervan is dat je de motor makkelijk kunt starten. Bij een koude motor spuit je meer benzine in de motor in de hoop dat er voldoende verdampt om te kunnen ontbranden. Bij een waterstofmotor komt die verbranding heel makkelijk op gang.

Een arm mengsel heeft ook als voordeel dat je minder NOx produceert. Het nadeel daarvan is echter dat je minder vermogen hebt.

Ontsteking

Om een gasmengsel aan te steken heb je een vonk nodig. Die wordt geleverd door de bougie. Hoe krachtig moet die vonk zijn?

Voor een waterstofmotor is ongeveer 0,02 mJ (milli Joule) nodig. Voor een benzinemotor 0,24 mJ.

Waterstof is dus makkelijker te ontsteken. Dat is een voordeel wat betreft benodigd vermogen voor de bougies, maar het is ook een nadeel: als er een ‘hot spot’ in de motor is, een (te) heet onderdeel, dan kan al verbrandingplaats vinden.

Verbrandingssnelheid

Hoe snel verbrand de brandstof in de verbrandingskamer? Dat gaat met waterstof sneller dan benzine. Dat betekent dat je een optimale verbranding hebt, precies op het hoogste punt van de zuiger. Daardoor wordt deze met maximale kracht omlaag gedrukt.

Een hogere verbrandingssnelheid betekent meer vermogen, hoger rendement en de mogelijkheid voor hogere toerentallen.

Je wilt echter een zo arm mogelijk mengsel om zo min mogelijk NOx te produceren. Dat gaat helaas gepaard met een lagere vlamsnelheid.

Zelfontstekingstemperatuur

Stel dat je het optimale lucht/brandstofmengsel op een temperatuur brengt dat het spontaan ontbrandt (het principe van een diesel). Dan heb je geen bougie nodig en is de temperatuur voldoende om tot een ontsteking te leiden.

Hoe hoger die temperatuur, hoe beter. Bij waterstof ligt die grens op 500o Celsius, bij een benzinemotor op 230 tot 280o. Je kunt je dat voorstellen als een ‘octaan-getal’: dat van waterstof is dan 120. Bij de benzinepomp tank je benzine met een octaangetal van 95 (normale benzine) of 98 (“superbenzine”).

Dit betekent dat je het lucht/brandstofmengsel meer kunt comprimeren in de verbrandingskamer. Hoe hoger de compressie, hoe meer vermogen en hoe efficiënter de verbranding.

Let wel op dat als er een ‘hot spot’ in de verbrandingskamer is (bijvoorbeeld een klep of zuigerkop) dan kan het mengsel alsnog op een verkeerd tijdstip spontaan ontbranden.

Diffusiteit

Als je het brandstofmengsel in de verbrandingskamer spuit, hoe snel verspreidt het zich dan? Hoe sneller het zich gelijkmatig verspreidt, hoe beter de verbranding. Waterstof wint het hier dik van benzine. Het maakt ook hogere toerentallen mogelijk.

Doofafstand

Hoe dichtbij kan een vlam bij een wand komen voordat ie dooft? Bij waterstof is dat 0,6 mm tegenover 2,0 mm bij benzine.

Dat levert ook gevaar op. Stel dat er tussen klep en klepzitting een spleet van 2 mm is. Een benzinemengsel gaat daar niet tussen door. Een waterstofmengsel wel. Je hebt dus eerder kans op een ontsteking buiten de verbrandingskamer, de gevreesde ‘back fire’.

Dichtheid

Waterstof heeft een lage dichtheid en dat is een nadeel. Bij een gewoon ingespoten (poortinjectie) brandstofmengsel is sprake van een lucht/brandstof verhouding qua volume van 2,4 op 1. Dat betekent dat 30% van het volume in de verbrandingskamer is gevuld met waterstof en dat slechts 70% overblijft voor zuurstof.

Bij een benzinemotor wordt slechts 1 of 2% van de ruimte ingenomen door benzine, zodat er veel meer ruimte is voor zuurstof. Doordat je meer zuurstof hebt, kun je meer brandstof verbranden. Dat betekent dat die motor een hoger vermogen kan leveren.

Nu kun je met een hogedruk injectie wel meer waterstof inspuiten, maar dan blijft er nog minder over voor zuurstof.

Conclusie

Waterstof heeft als voordeel dat je heel veel energie per gewicht kunt meenemen. Het nadeel is dat je relatief veel ruimte nodig hebt om het te bewaren. Benzine is wat dat betreft een stuk praktischer. Het bouwen van een verbrandingsmotor. Een verbrandingsmotor heeft so wie so een slecht rendement: tussen de 25 en 35%.

Een nadeel van verbrandingsmotoren an sich is dat er een transmissie (versnellingsbak, differentieel) nodig is. De mechanische verliezen brengen het rendement verder omlaag tot ongeveer 25%.

Bij een FCEV zit op dit moment het grootste verlies in de brandstofcel. In combinatie met andere verliezen hou je een rendement van 50% over. Heel praktisch betekent dit dat je voor een ICE op waterstof twee keer zo veel ruimte kwijt bent aan tanks en twee keer zulke hoge energiekosten per kilometer hebt dan een FCEV met de zelfde range.

Een mooi overzicht op auto's met een verbrandingsmotor op waterstof vind je op Wikipedia.

Foto header: bron Best Car Web

Over de auteur

Arjan is hoofdredacteur van H2 Rijders.nl en verantwoordelijk voor de inhoud.

Heb jij een goed verhaal over waterstof en mobiliteit? Arjan hoort het graag! arjan@h2rijders.nl.