Proefrit BMW en waterstof: deel twee

"Water. Het enige eindproduct van BMW's schone motoren is het gebruik van vloeibare waterstof in plaats van petroleumbrandstoffen, waardoor iedereen met een gerust geweten kan genieten van nieuwe technologieën."

BMW manier

Deze woorden zijn een citaat uit een reclamecampagne van een Duits bedrijf enkele jaren geleden. Lange tijd heeft niemand eraan getwijfeld dat de Beiers heel goed weten wat ze doen als het gaat om motortechnologie en een van de onbetwiste wereldleiders op dit gebied zijn. Evenmin zou men denken dat een bedrijf dat de afgelopen jaren een solide omzetgroei heeft laten zien, veel geld zou besteden aan weinig bekende advertenties voor veelbelovende technologieën met een onzekere toekomst.

Tegelijkertijd maken de geciteerde woorden echter deel uit van een campagne om een ​​nogal exotische 745-uurs waterstofversie van het vlaggenschip van de Beierse autofabrikant te promoten. Exotisch, want volgens BMW vereist de overgang naar alternatieven voor koolwaterstofbrandstoffen, die de auto-industrie vanaf het begin voedt, een verandering van de hele productie-infrastructuur. Dat laatste is nodig omdat de Beieren een veelbelovend ontwikkelingspad zien, niet in de veel geadverteerde brandstofcellen, maar in het ombouwen van verbrandingsmotoren naar waterstof. BMW is van mening dat de upgrade een oplosbaar probleem is en heeft al aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het oplossen van het belangrijkste probleem van het bereiken van betrouwbare motorprestaties en het elimineren van de neiging tot ongecontroleerde verbrandingsprocessen met behulp van pure waterstof. Het succes in deze richting is te danken aan de competentie op het gebied van elektronische besturing van motorprocessen en de mogelijkheid om de door BMW gepatenteerde flexibele gasdistributiesystemen Valvetronic en Vanos te gebruiken, zonder welke het onmogelijk zou zijn om de normale werking van "waterstofmotoren" te garanderen. . De eerste stappen in deze richting dateren echter uit 1820, toen de ontwerper William Cecil een waterstofmotor creëerde die werkte volgens het zogenaamde "vacuümprincipe" - een schema dat heel anders is dan dat van de later uitgevonden motor 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 herontdekt door de ruimtevaartindustrie, die al snel ontdekte dat waterstof de beste energie/massa-verhouding had van alle brandstoffen die de mensheid kent.

In juli 1998 heeft de European Association of the Automotive Industry (ACEA) zich bij de Europese Unie verplicht de CO2008-uitstoot van nieuw geregistreerde voertuigen in de Unie met gemiddeld 2 gram per kilometer te verminderen. In de praktijk betekende dit een emissiereductie van 140% ten opzichte van 25 en het gemiddelde brandstofverbruik van de nieuwe vloot bedroeg ongeveer 1995 l / 6,0 km. In de nabije toekomst zullen naar verwachting aanvullende maatregelen de uitstoot van kooldioxide tegen 100 met 14% verminderen. 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 duikt waterstof weer op in de auto-arena in al zijn glorie.

Het Beierse bedrijf werd de eerste autofabrikant die voertuigen op waterstof in massa produceerde. De optimistische en zelfverzekerde beweringen van professor Burkhard Geschel, BMW-bestuurslid verantwoordelijk voor nieuwe ontwikkelingen, dat "het bedrijf waterstofauto's zal verkopen voordat de huidige 7 Serie afloopt" zijn uitgekomen. Met zijn nieuwste versie, de Hydrogen 7, de zevende serie, geïntroduceerd in 2006, met een 12 pk sterke 260-cilindermotor. deze boodschap is al werkelijkheid geworden. De bedoeling leek behoorlijk ambitieus, maar niet zonder reden. BMW experimenteert al sinds 1978 met verbrandingsmotoren op waterstof en gaf op 11 mei 2000 een unieke demonstratie van de mogelijkheden van dit alternatief. Een indrukwekkende vloot van 15 750 hl-voertuigen van de vorige generatie van de week, aangedreven door twaalfcilindermotoren op waterstof, voltooide de marathon van 170 km en onderstreepte het succes van het bedrijf en de belofte van nieuwe technologie. In 000 en 2001 bleven een aantal van deze voertuigen deelnemen aan verschillende demonstraties ter ondersteuning van het waterstofidee. Toen was het tijd voor een nieuwe ontwikkeling, gebaseerd op de volgende 2002 Serie, met een moderne 7-liter V-4,4-motor die een topsnelheid van 212 km / u haalt, gevolgd door de laatste ontwikkeling met een 12-cilinder V-XNUMX. Volgens de officiële mening van het bedrijf zijn de redenen waarom BMW deze technologie verkoos boven brandstofcellen zowel commercieel als psychologisch. Ten eerste vereist deze methode aanzienlijk minder investeringen als de productie-infrastructuur verandert. Ten tweede, omdat mensen gewend zijn aan de goede oude verbrandingsmotor, vinden ze het leuk en zal het moeilijk zijn om er afstand van te doen. En ten derde bleek ondertussen dat deze technologie zich sneller ontwikkelt dan brandstofceltechnologie.

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

In dit stadium concentreerden de ontwerpers van het bedrijf uit München zich op indirecte brandstofinjectie en de kwaliteit van het mengsel hangt af van de bedrijfsmodus van de motor. In de deellastmodus draait de motor op arme mengsels, vergelijkbaar met dieselbrandstof - de verandering wordt alleen aangebracht in de hoeveelheid brandstof die wordt ingespoten. Dit is de zogenaamde "kwaliteitscontrole" van het mengsel, waarbij de motor met overtollige lucht draait, maar door de lage belasting de vorming van stikstofemissies wordt geminimaliseerd. Wanneer er een aanzienlijk vermogen nodig is, begint de motor te werken als een benzinemotor en gaat over naar de zogenaamde "kwantitatieve controle" van het mengsel en normale (niet arme) mengsels. Deze veranderingen zijn enerzijds mogelijk door de snelheid van elektronische besturing van processen in de motor, en anderzijds door de flexibele werking van gasdistributiecontrolesystemen - "dubbele" Vanos, die samenwerken met de 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 in de toekomst motoren zullen overschakelen op directe waterstofinjectie in cilinders en turbolader. Deze technieken zullen naar verwachting leiden tot een betere voertuigdynamiek dan een vergelijkbare benzinemotor en een verhoging van het algehele rendement van de verbrandingsmotor met meer dan 50%. Hier hebben we bewust afgezien van het aanraken van het onderwerp "brandstofcellen", aangezien deze kwestie de laatste tijd behoorlijk actief is gebruikt. Tegelijkertijd moeten we ze echter noemen in de context van BMW's waterstoftechnologie, aangezien de ontwerpers in München besloten om juist dergelijke apparaten te gebruiken om het boordnet in auto's van stroom te voorzien, waardoor conventionele batterijstroom volledig werd geëlimineerd. Deze stap maakt extra brandstofbesparing mogelijk, aangezien de waterstofmotor de dynamo niet hoeft aan te drijven, en het elektrische systeem aan boord volledig autonoom en onafhankelijk van het rijpad wordt - het kan elektriciteit opwekken, zelfs als de motor niet draait, en produceren en energie verbruiken leent zich voor volledige optimalisatie. Het feit dat er nu slechts zoveel elektriciteit kan worden geproduceerd als nodig is om de waterpomp, oliepompen, rembekrachtiger en bekabelde systemen aan te drijven, vertaalt zich ook in extra besparingen. Parallel aan al deze innovaties onderging het brandstofinjectiesysteem (benzine) praktisch geen dure ontwerpwijzigingen. Om waterstoftechnologieën te promoten hebben BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde en Opel MAN in juni 2002 het CleanEnergy-partnerschapsprogramma opgezet, dat begon met de ontwikkeling van tankstations met vloeibare en gecomprimeerde waterstof.

BMW is de initiatiefnemer van een aantal andere gezamenlijke projecten, onder meer met oliemaatschappijen, waaronder de meest actieve deelnemers Aral, BP, Shell, Total. De belangstelling voor dit veelbelovende gebied groeit exponentieel - in de komende tien jaar zal alleen de EU directe financiële bijdragen leveren aan fondsen om de ontwikkeling en implementatie van waterstoftechnologieën te financieren voor een bedrag van 2,8 miljard euro. Het volume van investeringen door particuliere bedrijven in de ontwikkeling van "waterstof" in deze periode is moeilijk te voorspellen, maar het is duidelijk dat het de inhoudingen van non-profitorganisaties vele malen zal overschrijden.

Waterstof in verbrandingsmotoren

Het is interessant om op te merken dat het vanwege de fysische en chemische eigenschappen van waterstof 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 zeer arme mengsels gemakkelijk worden gebruikt in waterstofmotoren - 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 zijn de zelfontbrandingstemperatuur en de snelheid van verbrandingsprocessen veel hoger dan die van benzine. Waterstof heeft een lage dichtheid en een sterke diffusie (de mogelijkheid dat deeltjes een ander gas binnendringen - in dit geval lucht).

De lage activeringsenergie die nodig is voor zelfontbranding is een van de grootste uitdagingen bij het beheersen van verbrandingsprocessen in waterstofmotoren, omdat het mengsel gemakkelijk spontaan kan ontbranden door contact met hetere gebieden in de verbrandingskamer en weerstand tegen het volgen van een reeks volledig ongecontroleerde processen. Het vermijden van dit risico is een van de grootste uitdagingen bij het ontwikkelen van waterstofmotoren, maar het is niet eenvoudig om de gevolgen uit te sluiten van het feit dat een zeer diffuus brandend mengsel zeer dicht bij de cilinderwanden komt en extreem nauwe openingen kan binnendringen. zoals bijvoorbeeld gesloten kleppen... Met dit alles moet rekening worden gehouden bij het ontwerpen van deze motoren.

Een hoge zelfontbrandingstemperatuur en een hoog octaangetal (ongeveer 130) maken een verhoging van de compressieverhouding van de motor mogelijk en daarmee zijn efficiëntie, maar wederom bestaat het gevaar van zelfontbranding van waterstof door 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 motoren op waterstof minder vermogen hebben. Een puur digitale illustratie van verhoudingen en volumes is behoorlijk welsprekend - de dichtheid van waterstof die klaar is voor verbranding is 56 keer minder dan die van benzinedamp .... Er moet echter worden opgemerkt dat waterstofmotoren in principe ook kunnen werken met lucht-waterstofmengsels tot 180:1 (dus zeer "arme" mengsels), wat betekent dat de motor kan worden gebruikt. zonder gasklep en gebruik het principe van dieselmotoren. Er moet ook worden opgemerkt dat waterstof de onbetwiste leider is in de vergelijking van waterstof en benzine als energiebronnen in termen van massa - een kilo waterstof is bijna drie keer zo energie-intensief als een kilo benzine.

Net als bij benzinemotoren kan vloeibare waterstof direct vóór 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 verplaatst zoals bij een benzine- of dieselmotor, waardoor alleen lucht (aanzienlijk meer dan normaal) de verbrandingskamer kan vullen. Ook hebben waterstofmotoren, in tegenstelling tot benzinemotoren, geen structurele werveling nodig omdat waterstof zonder deze maatregel goed genoeg met lucht diffundeert. Vanwege de verschillende verbrandingssnelheden in verschillende delen van de cilinder, is het beter om twee bougies te plaatsen, en in waterstofmotoren is het gebruik van platina-elektroden onpraktisch, omdat platina een katalysator wordt die leidt tot brandstofoxidatie bij lage temperaturen.

H2R

De H2R is een werkend supersport-prototype gebouwd door BMW-ingenieurs en aangedreven door een twaalfcilindermotor die een maximaal vermogen van 285 pk bereikt wanneer hij wordt aangedreven door 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. maanden ontwikkelen. Om zelfontbranding te voorkomen, hebben de Beierse specialisten een speciale stroomcyclus en injectiestrategie in de verbrandingskamer ontwikkeld, gebruikmakend van de mogelijkheden van variabele kleptimingsystemen 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.

Bevindingen

De financiële analyse van de transitie naar schone waterstofenergie is nog niet erg optimistisch. De productie, opslag, transport en levering van licht gas zijn nog steeds behoorlijk energie-intensieve processen, en in het huidige technologische stadium van menselijke ontwikkeling kan een dergelijk plan niet effectief zijn. Dit betekent echter niet dat het onderzoek en het zoeken naar oplossingen niet doorgaan. Voorstellen om waterstof op te wekken uit water met elektriciteit van zonnepanelen en dit op te slaan in grote tanks klinken optimistisch. Aan de andere kant klinkt het proces van het opwekken van elektriciteit en waterstof in de gasfase in de Sahara-woestijn, het per pijpleiding naar de Middellandse Zee vervoeren, het vloeibaar maken en vervoeren met cryogene tankers, het lossen in havens en uiteindelijk per vrachtwagen vervoeren, klinkt op dit moment een beetje belachelijk ...

Een interessant idee werd onlangs gepresenteerd door de Noorse oliemaatschappij Norsk Hydro, die voorstelde om waterstof te produceren uit aardgas op productielocaties in de Noordzee, en het resterende koolmonoxide werd opgeslagen in uitgeputte velden onder de zeebodem. De waarheid ligt ergens in het midden, en alleen de tijd zal uitwijzen waar de ontwikkeling van de waterstofindustrie naartoe zal gaan.

Mazda-variant

Het Japanse bedrijf Mazda toont ook zijn versie van de waterstofmotor - in de vorm van een roterende sportwagen RX-8. Dat is niet verwonderlijk, want de ontwerpkenmerken van de Wankelmotor zijn uitermate geschikt om waterstof als brandstof te gebruiken. Het gas wordt onder hoge druk opgeslagen in een speciale tank en de brandstof wordt rechtstreeks in de verbrandingskamers gespoten. Doordat bij rotatiemotoren de gebieden waarin injectie en verbranding plaatsvinden gescheiden zijn en de temperatuur in het aanzuiggedeelte lager is, wordt het probleem van de mogelijkheid van ongecontroleerde ontsteking aanzienlijk verminderd. De Wankelmotor biedt ook voldoende ruimte voor twee injectoren, wat enorm belangrijk is voor het injecteren van de optimale hoeveelheid waterstof.