We rijden tegenwoordig bijna allemaal op brandstof en accu’s in Nederland. Meer dan 95% van de Nederlanders rijdt op benzine of diesel en minder dan 5% rijdt elektrisch. Het zou zomaar eens kunnen dat een andere vorm van brandstof ook een stuk van deze taart pakt, namelijk het rijden op waterstof. Als er over rijden op waterstof gesproken wordt, zal het bijna altijd gaan over het rijden op waterstofgas aan de hand van een brandstofcel. Maar het kan ook anders, rijden op waterstof in een verbrandingsmotor zoals wij deze kennen is ook op de opkomst.
In dit artikel gaan we kijken hoe een waterstof verbrandingsmotor werkt, wat de voor- en nadelen ervan zijn en welke merken of bedrijven voorop lopen in deze ontwikkelingen. Daarnaast zullen we in de diepte gaan omtrent de eigenschappen van waterstof verbrandingsmotoren vergeleken met traditionele verbrandingsmotoren.
Hoe werkt een waterstof verbrandingsmotor?
Standaard waterstof auto’s zoals de Toyota Mirai of Hyundai Nexo rijden op brandstofcellen. In deze brandstofcel komen waterstofgas en zuurstof bij elkaar, deze reageren vervolgens met elkaar en zo ontstaat er elektriciteit dat via de accu van de waterstof auto ervoor zorgt dat je kunt rijden. Een waterstof verbrandingsmotor werkt anders, hier zit namelijk geen brandstofcel in maar een verbrandingsmotor zoals wij hem kennen.
Een waterstofmotor is een aangepaste versie van de traditionele brandstofmotor die we kennen van diesel- en benzineauto’s. Veel componenten blijven hetzelfde, zo heeft een waterstofmotor net als een brandstofmotor ook een motorblok, krukas, cilinderkoppen en een ontstekingssysteem.
In grote vormen blijft het verbrandingsproces dus hetzelfde wanneer je dit vergelijkt met een brandstofmotor. Het waterstofgas wordt via een waterstoftank (waarin het met 700 par wordt samengedrukt) naar de waterstofmotor gestuurd. Hierin vormt zich een chemische reactie aan de hand van waterstofgas (H2) en zuurstof (O). Tijdens dit proces komt er energie vrij dat zorgt voor een op-en-neergaande beweging van de cilinders. Dit wordt via de krukas en aandrijflijn overgebracht naar de wielen van het voertuig waardoor de auto, bus of vrachtwagen kunt rijden.
Eigenschappen van een waterstofmotor
Om de werkende principes van een waterstofmotor beter te begrijpen, zullen we kijken naar de eigenschappen ervan. We gaan in de diepte kijken hoe de lucht/ brandstof verhouding in elkaar ziet en hoe het ontstekingsproces werkt. Daarnaast bekijken we de dichtheid van het brandstof en de uitstoot die veroorzaakt wordt door een waterstofmotor.
Lucht/brandstof verhouding
De lucht/brandstof verhouding doelt op het ratio van zuurstof en de brandstof die in de cilinders tot ‘ontbranding’ komt. Dit is een interessante specificatie aangezien dit veel invloed heeft in hoe makkelijk je het voertuig kunt starten. Bij benzinevoertuigen is het ratio 14,7 op 1, bij een waterstofverbrandingsmotor is dat 34 op 1 maar het gas kan nog steeds tot ontbranding komen bij 180 op 1.
Er zijn hier een aantal voor- en nadelen aan verbonden. Zo zorgt de verbranding van een arm mengsel van 180 op 1 ervoor dat je de auto makkelijker kunt opstarten. Je hebt dus minder brandstof nodig om een koude motor op gang te laten komen. De keerzijde is dat een waterstofmotor minder hard op kunt trekken en over het algemeen een lagere topsnelheid heeft.
Ontsteking
De ontsteking in brandstofmotoren van alle soorten en maten komt tot gang door een vonk. Zonder vonk kun je geen enkele brandstofmotor aanzetten. Maar hoe groot of krachtig moet de vonk in de bougie zijn in een waterstofmotor vergeleken met een traditionele motor?
Benzinemotoren hebben een vonk van 0,24mJ nodig om te zorgen voor ontsteking in de motor, bij waterstofmotoren is dit 0,02mJ. Je hebt dus een 12x krachtigere vonk nodig om een benzinemotor tot ontbranding te laten komen. Goed nieuws, toch? Nou dat is nog maar de vraag. De snelle ontbranding zorgt er ook voor dat wanneer de motor plotseling erg warm is, er zomaar een ontsteking plaats kan vinden.
Dichtheid
Hoe zit het met de dichtheid van het waterstofgas in een waterstofmotor? Een van de eigenschappen van waterstof is dat het een erg licht gas is wat niet in zijn voordeel werkt. In een waterstof verbrandingsmotor is er sprake van een lucht/gas verhouding van 2,4 op 1. In een waterstofmotor zit er dus een verhouding van 29,4% waterstofgas en 70,6% voor zuurstof. Vergeleken met een benzinemotor waarbij slechts 2% van de ruimte wordt ingenomen door benzine, is dit zeer nadelig.
Het betekent namelijk dat je veel meer waterstofgas mee moet nemen in de waterstof tank dan je benzine mee moet nemen in een brandstoftank. Dit maakt het opslaan van waterstof ook minder makkelijk aangezien een kleine lekkage (die je op eerste oog niet ziet) er al voor kan zorgen dat de gehele tank leegloopt.
Uitstoot (van stikstof)
Een ander belangrijk eigenschap die we nog niet behandelt hebben is de uitstoot. Maar hoe zit dat eigenlijk in elkaar, want waterstof is toch een gas die geen CO2 uitstoot veroorzaakt? Waterstofgas zal in een waterstofmotor inderdaad geen koolstofmonoxide uitstoten, wat ze wel uitstoten is stikstof.
De verbranding van waterstof vindt plaats in een atmosfeer waar stikstof en zuurstof is, deze produceren samen stikstofoxiden en uiteindelijk komt er stikstof vrij in de atmosfeer. Gelukkig is de hoeveelheid stikstof wat vrijkomt in een waterstof verbrandingsmotor 90% minder dan bij een traditionele benzinemotor. Een waterstofmotor is dus omtrent CO2-uitstoot en stikstof een veel beter alternatief dan benzinemotoren
Onderzoek naar een verbrandingsmotor op waterstof
In deze sectie zullen we kijken naar de automerken of bedrijven die het verst zijn in de ontwikkeling van verbrandingsmotoren in waterstof. Op dit moment is de Duitse partij Keyou en het Japanse automerk Toyota het verst in de ontwikkeling van deze motor.
Waterstof verbrandingsmotor van Keyou
Keyou is een waterstof scale-up die zich in de laatste jaren heeft gestort op de ontwikkeling van waterstof verbrandingsmotoren. Het is één van de weinige partijen die vanaf het begin geloofde in dit concept en lopen daarom ook voor in de ontwikkeling ervan. Keyou heeft de meest efficiënte waterstofmotor ontwikkeld en zelfs recentelijk een 18 tons vrachtwagen geleverd aan het Duitse transportbedrijf Rheinkraft international.
De vrachtwagen die Keyou heeft geleverd beschikt over een waterstofmotor met een vermogen van 210 kW en verbruikt ongeveer 7,5 kg waterstof per 100 kilometer. Aangezien de prijs van waterstof in de afgelopen jaren steeds blijft stijgen, is dit geen financieel verantwoorde keuze. Wel is het gebruik van waterstofmotoren een stuk beter voor het milieu.
Waterstof verbrandingsmotor van Toyota
Toyota zette als eerste gevestigd automerk in op de waterstofmotor. Vanaf het eind van het tweede decennium is de ontwikkeling begonnen en in 2021 racede ze met de Toyota Corolla over de circuits van Japan. Deze Toyota Corolla rijdt op een waterstof verbrandingsmotor en stoot hiermee geen CO2 uit. Misschien is dat wel het begin van de toekomst van autosport zonder fossiele brandstoffen.
Toyota zet met de Corolla vol in op race- en autoliefhebbers die het gevoel willen hebben van een benzineauto, zonder deze te rijden. De Toyota Corolla klinkt en voelt als een benzineauto wat de eventuele nadelen van een elektrische auto wegneemt volgens sommigen. Zo geeft de Corolla een mechanisch gevoel met een versnellingspook zodat race-fans ook kunnen genieten van autorijden zonder het uitstoten van CO2.
Hoe ver is Toyota met het op de markt brengen van de eerste waterstof auto met een waterstofmotor? Nou, best ver eigenlijk. Naar eigen zeggen zitten ze op 40% van de commercialisering en kan de Corolla voor de consument al in 2025 op de markt komen.
Voor- en nadelen van een waterstofmotor
We hebben tot nu toe al een aantal eigenschappen besproken, eveneens als de werking van waterstofmotoren. Maar om een compleet beeld te krijgen van deze motor, zullen we ook de voor- en nadelen op een rijtje zetten. In sommige aspecten zijn de voor- en nadelen van een auto met een waterstof verbrandingsmotor hetzelfde als die van waterstof auto’s met een brandstofcel, maar er zijn ook een aantal belangrijke verschillen.
| Voordelen waterstofmotor | Nadelen waterstofmotor |
|---|---|
| Een waterstofmotor stoot 90% minder stikstof uit dan benzineauto’s en geen CO2 | Waterstofgas stoot wel CO2 uit wanneer er gebruik wordt gemaakt van grijze waterstof (95% is momenteel grijs) |
| Met een waterstofmotor heb je dezelfde rij-eigenschappen als een benzineauto | Door de snelle ontbranding van waterstofgas zou de auto plots kunnen starten bij hoge temperaturen |
| Een waterstofmotor stoot 90% minder stikstof uit dan benzineauto’s en geen CO2 | De prijs van waterstof voor de consument is een stuk hoger per kilometer dan bij benzine of diesel |
| Je hebt geen brandstofcel, elektromotor en accu nodig waardoor het voertuig relatief licht is | Er moet veel waterstofgas aan boord om een grote afstand te overbruggen |
| Een auto met een waterstofmotor start makkelijker op dan een benzine- of dieselauto |
Hebben waterstof verbrandingsmotoren de toekomst?
Als je de bovenstaande voor- en nadelen in overweging neemt, is het nog steeds lastig om een oordeel te vellen over of de waterstof verbrandingsmotor echt populair wordt. Er zijn grote voordelen zoals de vermindering in uitstoot en rij-eigenschappen, maar de prijs van waterstof en het gebruik van grijze waterstof vormen een bedreiging.
De Duitse fabrikant Keyou vindt dat hun waterstofmotor beter is dan een brandstofmotor op het gebied van robuustheid, levensduur en zelfs productiekosten. Maar dit is ook logisch aangezien zij de waterstofmotor willen commercialiseren. We zouden toch echt moeten wachten op de eerste auto met een waterstofmotor die voor consumenten beschikbaar is voordat we een goed oordeel kunnen vellen. Voorlopig is de hoop hiervoor gevestigd op Toyota met hun Corolla Cross auto.
Gedurende 150 jaar heeft de verbrandingsmotor een belangrijke rol gespeeld in het bevorderen van onze welvaart. Door het gebruik van hernieuwbare brandstoffen krijgt deze technologie een nieuwe kans en draagt het bij aan het versnellen van de overgang naar duurzame energie in sectoren waar momenteel nog weinig milieuvriendelijke alternatieven beschikbaar zijn.