BMW en waterstof: de verbrandingsmotor
Artikelen

BMW en waterstof: de verbrandingsmotor

De projecten van het bedrijf begonnen 40 jaar geleden met de waterstofversie van de 5-serie

BMW gelooft al lang in elektrische mobiliteit. Vandaag de dag mag Tesla op dit gebied als de maatstaf worden beschouwd, maar tien jaar geleden, toen het Amerikaanse bedrijf het concept demonstreerde van een op maat gemaakt aluminium platform, dat vervolgens werd gerealiseerd in de vorm van de Tesla Model S, was BMW actief bezig met de Megacity Voertuig project. 2013 wordt op de markt gebracht als de BMW i3. De avant-gardistische Duitse auto maakt niet alleen gebruik van een aluminium draagconstructie met geïntegreerde batterijen, maar ook van een carrosserie van met koolstof versterkte polymeren. Wat Tesla echter onmiskenbaar voorloopt op zijn concurrenten, is zijn uitzonderlijke methodologie, vooral op de schaal van het ontwikkelen van batterijen voor elektrische voertuigen - van relaties met fabrikanten van lithium-ioncellen tot het bouwen van enorme batterijfabrieken, ook die met niet-elektrische toepassingen. mobiliteit.

Maar laten we teruggaan naar BMW, want in tegenstelling tot Tesla en veel van zijn concurrenten gelooft het Duitse bedrijf nog steeds in de mobiliteit van waterstof. Onlangs onthulde een team onder leiding van de vice-president van waterstofbrandstofcellen van het bedrijf, dr. Jürgen Gouldner, de I-Hydrogen Next-brandstofcel, een zelfrijdende generatorset die wordt aangedreven door een chemische reactie bij lage temperatuur. Dit moment markeert de 10e verjaardag van de lancering van BMW's ontwikkeling van brandstofcelvoertuigen en de 7e verjaardag van de samenwerking met Toyota op het gebied van brandstofcellen. BMW's afhankelijkheid van waterstof gaat echter 40 jaar terug en is een veel meer "hete temperatuur".

Dit is meer dan een kwart eeuw aan ontwikkelingen van het bedrijf, waarbij waterstof wordt gebruikt als brandstof voor verbrandingsmotoren. Gedurende een groot deel van die periode geloofde het bedrijf dat een waterstofaangedreven verbrandingsmotor dichter bij de consument stond dan een brandstofcel. Met een rendement van ongeveer 60% en een combinatie van een elektromotor met een rendement van meer dan 90% is een brandstofcelmotor veel zuiniger dan een verbrandingsmotor op waterstof. Zoals we in de volgende regels zullen zien, zullen de verkleinde motoren van vandaag, met hun directe injectie en turbocompressor, uitermate geschikt zijn voor het leveren van waterstof, op voorwaarde dat de juiste injectie- en verbrandingscontrolesystemen aanwezig zijn. Maar hoewel interne verbrandingsmotoren op waterstof doorgaans veel goedkoper zijn dan een brandstofcel in combinatie met een lithium-ionbatterij, staan ​​ze niet langer op de agenda. Bovendien reiken de problemen van waterstofmobiliteit in beide gevallen veel verder dan het aandrijfsysteem.

En toch waarom waterstof?

Waterstof is een belangrijk element in de zoektocht van de mensheid om steeds meer alternatieve energiebronnen te gebruiken, zoals een brug om energie van zon, wind, water en biomassa op te slaan door deze om te zetten in chemische energie. Simpel gezegd betekent dit dat de elektriciteit die door deze natuurlijke bronnen wordt opgewekt, niet in grote hoeveelheden kan worden opgeslagen, maar kan worden gebruikt om waterstof te produceren door water te ontbinden tot zuurstof en waterstof.

Waterstof kan natuurlijk ook worden gewonnen uit niet-hernieuwbare koolwaterstofbronnen, maar dat is lang onaanvaardbaar geweest als het gaat om het gebruik ervan als energiebron. Het is een onmiskenbaar feit dat de technologische problemen van productie, opslag en transport van waterstof oplosbaar zijn - in de praktijk worden zelfs nu nog enorme hoeveelheden van dit gas geproduceerd en gebruikt als grondstof in de chemische en petrochemische industrie. In deze gevallen zijn de hoge kosten van waterstof echter niet dodelijk, aangezien het "smelt" ten koste van de hoge kosten van de producten waarin het betrokken is.

Het probleem van het gebruik van licht gas als energiebron en in grote hoeveelheden is echter iets ingewikkelder. Wetenschappers schudden al lang hun hoofd op zoek naar een mogelijk strategisch alternatief voor stookolie, en de toename van elektrische mobiliteit en waterstof kunnen in nauwe symbiose gaan. De kern van dit alles is een eenvoudig maar zeer belangrijk feit: de winning en het gebruik van waterstof draait om de natuurlijke cyclus van het combineren en ontbinden van water … Als de mensheid productiemethoden verbetert en uitbreidt met behulp van natuurlijke bronnen zoals zonne-energie, wind en water, waterstof kan in onbeperkte hoeveelheden worden geproduceerd en gebruikt zonder schadelijke emissies uit te stoten.
productie

Momenteel wordt in de wereld meer dan 70 miljoen ton pure waterstof geproduceerd. De belangrijkste grondstof voor de productie ervan is aardgas, dat wordt verwerkt in een proces dat bekend staat als "reforming" (de helft van het totaal). Kleinere hoeveelheden waterstof worden geproduceerd door andere processen, zoals de elektrolyse van chloorverbindingen, gedeeltelijke oxidatie van zware olie, vergassing van steenkool, pyrolyse van steenkool om cokes te produceren en reformeren van benzine. Ongeveer de helft van de waterstofproductie in de wereld wordt gebruikt voor de synthese van ammoniak (dat wordt gebruikt als grondstof bij de productie van meststoffen), bij olieraffinage en bij de synthese van methanol.

Deze productieschema's belasten het milieu in verschillende mate en helaas biedt geen van hen een zinvol alternatief voor de huidige energiestatus-quo - ten eerste omdat ze niet-hernieuwbare bronnen gebruiken en ten tweede omdat bij de productie ongewenste stoffen zoals kooldioxide worden uitgestoten. De meest veelbelovende methode voor de productie van waterstof in de toekomst blijft de afbraak van water met behulp van elektriciteit, bekend op de basisschool. Het sluiten van de kringloop van schone energie is momenteel echter alleen mogelijk door natuurlijke en vooral zonne- en windenergie te gebruiken om de elektriciteit op te wekken die nodig is om water af te breken. Volgens Dr. Gouldner zijn moderne technologieën die "verbonden" zijn met wind- en zonnesystemen, waaronder kleine waterstofstations, waar de laatste ter plaatse worden geproduceerd, een grote nieuwe stap in deze richting.
Opslaglocatie

Waterstof kan in grote hoeveelheden worden opgeslagen in zowel gasvormige als vloeibare fasen. De grootste van dergelijke reservoirs, waarin waterstof op een relatief lage druk wordt gehouden, worden "gasmeters" genoemd. Middelgrote en kleinere tanks zijn aangepast om waterstof op te slaan bij een druk van 30 bar, terwijl de kleinste speciale tanks (dure apparaten van speciaal staal of koolstofvezelversterkte composieten) een constante druk van 400 bar behouden.
Waterstof kan ook worden opgeslagen in een vloeibare fase bij -253 °C per volume-eenheid en bevat 1,78 keer meer energie dan bij opslag bij 700 bar. Om de equivalente hoeveelheid energie in vloeibare waterstof per volume-eenheid te bereiken, moet het gas worden gecomprimeerd tot 1250 bar. Vanwege de hogere energie-efficiëntie van gekoelde waterstof werkt BMW samen met de Duitse koelgroep Linde voor zijn eerste systemen, die ultramoderne cryogene apparaten hebben ontwikkeld om waterstof vloeibaar te maken en op te slaan. Wetenschappers bieden ook andere, maar op dit moment minder toepasbare alternatieven voor de opslag van waterstof, bijvoorbeeld opslag onder druk in speciaal metaalmeel, in de vorm van metaalhydriden, en andere.

Waterstoftransportnetwerken bestaan ​​al in gebieden met een hoge concentratie aan chemische fabrieken en olieraffinaderijen. Over het algemeen is de techniek vergelijkbaar met die voor het transport van aardgas, maar het gebruik van dit laatste voor de behoefte aan waterstof is niet altijd mogelijk. Maar zelfs in de vorige eeuw werden veel huizen in Europese steden verlicht door lichtgas uit pijpleidingen, dat tot 50% waterstof bevat en dat wordt gebruikt als brandstof voor de eerste stationaire verbrandingsmotoren. Het huidige technologieniveau maakt al transcontinentaal transport van vloeibaar gemaakte waterstof door bestaande cryogene tankers mogelijk, vergelijkbaar met die voor aardgas.

BMW en de verbrandingsmotor

"Water. Het enige eindproduct van schone BMW-motoren dat vloeibare waterstof gebruikt in plaats van petroleumbrandstof en waarmee iedereen met een gerust geweten kan genieten van nieuwe technologieën.”

Deze woorden zijn een citaat uit een reclamecampagne voor een Duits bedrijf aan het begin van de 745e eeuw. Het zou de nogal exotische XNUMX uur durende waterstofversie van het vlaggenschip van de Beierse autofabrikant moeten promoten. Exotisch, want volgens BMW zal de transitie naar alternatieven voor koolwaterstofbrandstof waar de auto-industrie vanaf het begin mee bezig is, een verandering in de gehele industriële infrastructuur vereisen. In die tijd vonden de Beieren een veelbelovend ontwikkelingstraject niet in de veel geadverteerde brandstofcellen, maar in de ombouw van verbrandingsmotoren naar waterstof. BMW is van mening dat de overwogen retrofit een oplosbaar probleem is en boekt al aanzienlijke vooruitgang in de richting van de belangrijkste doelstelling om betrouwbare motorprestaties te garanderen en de neiging tot ongecontroleerde verbranding met zuivere waterstof te elimineren. Het succes in deze richting is te danken aan de competentie op het gebied van elektronische besturing van motorprocessen en de mogelijkheid om de gepatenteerde door BMW gepatenteerde Valvetronic- en Vanos-systemen te gebruiken voor flexibele gasdistributie, zonder welke het onmogelijk is om de normale werking van "waterstofmotoren" te garanderen.

De eerste stappen in deze richting dateren echter uit 1820, toen ontwerper William Cecil een motor op waterstof creëerde die werkte volgens het zogenaamde "vacuümprincipe" - een schema dat totaal verschilt van het schema dat later werd uitgevonden met een interne motor. brandend. Bij zijn eerste ontwikkeling van verbrandingsmotoren, 60 jaar later, gebruikte de pionier Otto het reeds genoemde en van steenkool afgeleide synthetische gas met een waterstofgehalte van ongeveer 50%. Met de uitvinding van de carburateur is het gebruik van benzine echter veel praktischer en veiliger geworden en heeft vloeibare brandstof alle andere alternatieven die tot nu toe bestonden vervangen. De eigenschappen van waterstof als brandstof werden vele jaren later ontdekt door de ruimtevaartindustrie, die al snel ontdekte dat waterstof de beste energie/massaverhouding had van alle brandstoffen die de mensheid kent.

In juli 1998 heeft de European Association of the Automotive Industry (ACEA) zich ertoe verbonden de CO2-uitstoot van nieuw geregistreerde voertuigen in de Unie tegen 140 terug te brengen tot gemiddeld 2008 gram per kilometer. In de praktijk betekent dit een emissiereductie van 25% ten opzichte van 1995 en komt overeen met een gemiddeld brandstofverbruik in de nieuwe vloot van ongeveer 6,0 l / 100 km. Dit maakt de taak voor autobedrijven buitengewoon moeilijk en kan volgens BMW-experts worden opgelost door koolstofarme brandstoffen te gebruiken of door koolstof volledig uit de brandstofsamenstelling te verwijderen. Volgens deze theorie verschijnt waterstof in al zijn glorie op de autoscene.
Het Beierse bedrijf wordt de eerste autofabrikant die met de massaproductie van waterstofvoertuigen begint. De vrolijke en zelfverzekerde beweringen van de Raad van Bestuur van BMW Burkhard Göschel, BMW Board Member verantwoordelijk voor nieuwe ontwikkelingen, dat "het bedrijf waterstofauto's zal verkopen voordat de 7 Serie afloopt", komt uit. Met Hydrogen 7 werd in 2006 een versie van de zevende serie geïntroduceerd en deze heeft een 12-cilinder motor van 260 pk. deze boodschap wordt werkelijkheid.

De bedoeling lijkt vrij ambitieus, maar niet zonder reden. BMW experimenteert al sinds 1978 met waterstofverbrandingsmotoren, met de 5-serie (E12), de 1984-uursversie van de E 745 werd in 23 geïntroduceerd en op 11 mei 2000 demonstreerde het de unieke mogelijkheden van dit alternatief. Een indrukwekkende vloot van 15 pk. De E 750 "van de week" met 38-cilinder waterstof-aangedreven motoren liep een marathon van 12 km, waarmee hij het succes van het bedrijf en de belofte van nieuwe technologie onderstreepte. In 170 en 000 bleven enkele van deze voertuigen deelnemen aan verschillende demonstraties om het waterstofidee te promoten. Dit wordt gevolgd door een nieuwe ontwikkeling op basis van de volgende 2001-serie, met een moderne 2002-liter V-7-motor en een topsnelheid van 4,4 km / u, gevolgd door de nieuwste ontwikkeling met een 212-cilinder V-12-motor.

Volgens de officiële mening van het bedrijf waren de redenen waarom BMW destijds de voorkeur gaf aan deze technologie boven brandstofcellen zowel commercieel als psychologisch. Ten eerste vereist deze methode aanzienlijk minder investeringen in geval van industriële infrastructuurveranderingen. Ten tweede, omdat mensen gewend zijn aan de goede oude verbrandingsmotor, houden ze ervan en zal het moeilijk zijn om er afstand van te doen. En ten derde omdat deze technologie zich tegelijkertijd sneller ontwikkelt dan brandstofceltechnologie.

In BMW-auto's wordt waterstof opgeslagen in een overgeïsoleerd cryogeen vat, een soort hightech thermosfles ontwikkeld door het Duitse koelconcern Linde. Bij lage opslagtemperaturen bevindt de brandstof zich in de vloeibare fase en komt als normale brandstof de motor binnen.

De ontwerpers van het bedrijf uit München gebruiken brandstofinjectie in de inlaatspruitstukken en de kwaliteit van het mengsel hangt af van de bedrijfsmodus van de motor. In deellastmodus draait de motor op arme mengsels, vergelijkbaar met diesel - alleen de hoeveelheid ingespoten brandstof wordt gewijzigd. Dit is de zogenaamde “kwaliteitscontrole” van het mengsel, waarbij de motor met een teveel aan lucht draait, maar door de lage belasting de vorming van stikstofemissies wordt geminimaliseerd. Wanneer er behoefte is aan aanzienlijk vermogen, begint de motor te werken als een benzinemotor, waarbij hij overgaat op de zogenaamde "kwantitatieve regeling" van het mengsel en op normale (niet magere) mengsels. Deze veranderingen zijn enerzijds mogelijk dankzij de snelheid van de elektronische procesregeling in de motor en anderzijds dankzij de flexibele werking van de gasdistributiecontrolesystemen - de "dubbele" Vanos, die samenwerken met het Valvetronic-inlaatcontrolesysteem zonder gashendel. Houd er rekening mee dat, volgens BMW-ingenieurs, het werkschema van deze ontwikkeling slechts een tussenfase is in de ontwikkeling van technologie en dat motoren in de toekomst zullen moeten overstappen op directe waterstofinjectie in de cilinders en turbocompressor. De verwachting is dat de toepassing van deze methoden zal leiden tot een verbetering van de dynamische prestaties van de auto in vergelijking met een vergelijkbare benzinemotor en tot een toename van het algehele rendement van de verbrandingsmotor met meer dan 50%.

Een interessant ontwikkelingsfeit is dat met de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van "waterstof" interne verbrandingsmotoren, de ontwerpers in München het gebied van brandstofcellen betreden. Ze gebruiken dergelijke apparaten om het elektrische netwerk aan boord van auto's van stroom te voorzien, waardoor de conventionele batterij volledig wordt geëlimineerd. Dankzij deze stap is extra brandstofbesparing mogelijk, aangezien de waterstofmotor de dynamo niet hoeft aan te drijven en het elektrische systeem aan boord volledig autonoom wordt en onafhankelijk van het rijpad - het kan zelfs elektriciteit opwekken als de motor niet draait, en productie- en verbruiksenergie volledig kunnen worden geoptimaliseerd. Het feit dat nu zoveel elektriciteit kan worden opgewekt als nodig is om de waterpomp, oliepompen, rembekrachtiger en bedradingssystemen aan te drijven, vertaalt zich ook in verdere besparingen. Parallel aan al deze innovaties heeft het brandstofinjectiesysteem (benzine) echter praktisch geen kostbare ontwerpwijzigingen ondergaan.

Om waterstoftechnologieën te promoten hebben BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel en MAN in juni 2002 het CleanEnergy-partnerschapsprogramma opgezet, dat zijn activiteit begon met de ontwikkeling van LPG-tankstations. en gecomprimeerde waterstof. Daarin wordt een deel van de waterstof ter plaatse geproduceerd met behulp van zonne-elektriciteit en vervolgens gecomprimeerd, grote vloeibare hoeveelheden komen van speciale productiestations en alle dampen uit de vloeibare fase worden automatisch overgebracht naar het gasreservoir.
BMW heeft een aantal andere gezamenlijke projecten geïnitieerd, onder meer met oliemaatschappijen, waaronder de meest actieve deelnemers Aral, BP, Shell, Total.
Maar waarom BMW deze technologische oplossingen verlaat en zich nog steeds focust op brandstofcellen, vertellen we je in een ander artikel in deze serie.

Waterstof in verbrandingsmotoren

Het is interessant om op te merken dat vanwege de fysische en chemische eigenschappen van waterstof het veel ontvlambaarder is dan benzine. In de praktijk betekent dit dat er veel minder initiële energie nodig is om het verbrandingsproces in waterstof op gang te brengen. Aan de andere kant kunnen waterstofmotoren gemakkelijk zeer "slechte" mengsels gebruiken - iets dat moderne benzinemotoren bereiken door middel van complexe en dure technologieën.

De warmte tussen de deeltjes van het waterstof-luchtmengsel wordt minder gedissipeerd en tegelijkertijd is de zelfontbrandingstemperatuur veel hoger, evenals de snelheid van verbrandingsprocessen in vergelijking met benzine. Waterstof heeft een lage dichtheid en een sterke diffusie (de mogelijkheid dat deeltjes een ander gas binnendringen - in dit geval lucht).

Het is de lage activeringsenergie die nodig is voor zelfontbranding die een van de grootste uitdagingen is bij het beheersen van de verbranding in waterstofmotoren, omdat het mengsel gemakkelijk spontaan kan ontbranden door contact met warmere gebieden in de verbrandingskamer en door weerstand na een reeks volledig ongecontroleerde processen. Het vermijden van dit risico is een van de grootste uitdagingen bij het ontwerpen van waterstofmotoren, maar het is niet eenvoudig om de gevolgen te elimineren van het feit dat het sterk verspreide verbrandingsmengsel zeer dicht langs de cilinderwanden reist en extreem nauwe openingen kan binnendringen. bijvoorbeeld langs gesloten kleppen ... Dit alles moet in overweging worden genomen bij het ontwerpen van deze motoren.

De hoge zelfontbrandingstemperatuur en het hoge octaangetal (ongeveer 130) zorgen voor een toename van de compressieverhouding van de motor en dus van zijn efficiëntie, maar wederom bestaat het gevaar van zelfontbranding van waterstof bij contact met het warmere deel. in de cilinder. Het voordeel van de hoge diffusiecapaciteit van waterstof is de mogelijkheid tot gemakkelijke menging met lucht, wat bij tankpech een snelle en veilige verspreiding van de brandstof garandeert.

Het ideale lucht-waterstofmengsel voor verbranding heeft een verhouding van ongeveer 34:1 (voor benzine is deze verhouding 14,7:1). Dit betekent dat bij het combineren van dezelfde massa waterstof en benzine in het eerste geval meer dan twee keer zoveel lucht nodig is. Tegelijkertijd neemt het waterstof-luchtmengsel aanzienlijk meer ruimte in beslag, wat verklaart waarom waterstofmotoren minder vermogen hebben. Een puur digitale illustratie van verhoudingen en volumes is vrij welsprekend - de dichtheid van waterstof die klaar is voor verbranding is 56 keer minder dan de dichtheid van benzinedamp ... Er moet echter worden opgemerkt dat waterstofmotoren in het algemeen op luchtmengsels kunnen werken . waterstof in verhoudingen tot 180:1 (d.w.z. met zeer "slechte" mengsels), wat weer betekent dat de motor zonder gas kan draaien en het principe van dieselmotoren gebruikt. Er moet ook worden vermeld dat waterstof de onbetwiste leider is in de vergelijking tussen waterstof en benzine als massa-energiebron - een kilo waterstof heeft bijna drie keer meer energie per kilo benzine.

Net als bij benzinemotoren kan vloeibare waterstof direct voor de kleppen in de spruitstukken worden geïnjecteerd, maar de beste oplossing is injectie direct tijdens de compressieslag - in dit geval kan het vermogen dat van een vergelijkbare benzinemotor met 25% overtreffen. Dit komt omdat de brandstof (waterstof) geen lucht verdringt zoals bij een benzine- of dieselmotor, waardoor de verbrandingskamer zich alleen met (aanzienlijk meer dan normaal) lucht kan vullen. Bovendien heeft waterstof, in tegenstelling tot benzinemotoren, geen structurele werveling nodig, aangezien waterstof zonder deze maatregel vrij goed diffundeert met lucht. Vanwege de verschillende verbrandingssnelheden in verschillende delen van de cilinder, is het beter om twee bougies te installeren, en in waterstofmotoren is het gebruik van platina-elektroden niet geschikt, omdat platina een katalysator wordt die zelfs bij lage temperaturen tot brandstofoxidatie leidt .

Mazda optie

Ook het Japanse bedrijf Mazda pronkt met zijn versie van de waterstofmotor, in de vorm van een draaiblok in de RX-8 sportwagen. Dit is niet verwonderlijk, aangezien de ontwerpkenmerken van de Wankelmotor uitermate geschikt zijn om waterstof als brandstof te gebruiken.
Het gas wordt onder hoge druk opgeslagen in een speciale tank en de brandstof wordt direct in de verbrandingskamers gespoten. Doordat bij rotatiemotoren de zones waarin de injectie en verbranding plaatsvinden gescheiden zijn en de temperatuur in het inlaatdeel lager is, wordt het probleem met de mogelijkheid van ongecontroleerde ontsteking aanzienlijk verminderd. De wankelmotor biedt ook voldoende ruimte voor twee injectoren, wat cruciaal is om de optimale hoeveelheid waterstof te injecteren.

H2R

De H2R is een werkend supersport-prototype, gebouwd door BMW-ingenieurs en aangedreven door een 12-cilindermotor met een maximaal vermogen van 285 pk. bij het werken met waterstof. Dankzij hen accelereert het experimentele model in zes seconden van 0 naar 100 km/u en bereikt het een topsnelheid van 300 km/u. .


Om zelfontbranding te voorkomen, hebben de Beierse specialisten een speciale strategie ontwikkeld voor de stroom- en injectiecycli in de verbrandingskamer, gebruikmakend van de mogelijkheden van het variabele kleptimingsysteem van de motor. Voordat het mengsel de cilinders binnenkomt, worden deze gekoeld door lucht en vindt de ontsteking alleen plaats in het bovenste dode punt - vanwege de hoge verbrandingssnelheid met waterstofbrandstof is ontstekingsvervroeging niet vereist.

Voeg een reactie