Schone en robuuste waterstofmotor essentieel voor behalen van emissiedoelen zwaar transport

Waterstofmotor voor klimaatdoelen zwaar transport

“Het is opmerkelijk hoe weinig aandacht de waterstofmotor krijgt, zowel bij transportondernemers als bijvoorbeeld op de bouwplaats”, zegt Xander Seykens, senior research scientist bij TNO en expert in innovatieve verbrandingsconcepten.

Hij legt uit: “Om de emissiedoelen in 2030 te halen kun je de alternatieven als volgt prioriteren: eerst elektrisch, dan waterstof, gevolgd door e-fuels. Batterij-elektrische voertuigen zijn efficiënt met weinig verliezen, dus waar het kan moet je die als eerste inzetten. Elektrische vrachtauto’s zijn er al en de ontwikkeling gaat steeds verder. Alleen, voor de volumes die we voorzien en het aantal vrachtwagens die je zou moeten elektrificeren om de emissiedoelen te halen, heb je bij lange na niet voldoende laadcapaciteit. Ook niet in 2030-2035.”

“Daarom is er een tweede alternatief nodig en dat is gezien de gestelde doelen waterstof. Vooral als je kijkt naar zware toepassingen in transport en industrie en voor lange afstanden of inzetduur. Als ook dat niet lukt, kun je e-fuels toepassen, maar die zijn op de korte termijn beperkt beschikbaar en opschaalbaar.”

Waterstof(verbrandings)motor

We gaan waterstof dus hard nodig hebben om onze logistiek CO2-neutraal te krijgen. In de bouw kan waterstof bijdragen aan CO2- en NOx-reductie, tot extreem lage niveaus. Dat kan op twee manieren. Door toepassing van waterstof in een brandstofcel, waar truckfabrikanten en scheepsbouwers volop mee innoveren. Maar een oplossing die bij transportondernemers, aannemers en overheden veel minder op het netvlies staat, is de waterstofmotor, waarbij waterstof direct als brandstof in de verbrandingsmotor wordt gebruikt.

Jack Bloem, business developer bij TNO, heeft wel een vermoeden hoe dat komt. “Door onder meer dieselgate is de verbrandingsmotor in een sterk negatief daglicht komen te staan. Ook het woord ‘verbranding’ suggereert dat er allerlei vervuilende uitstoot is. Toch is het mooie van deze technologie juist dat deze extreem schoon is. Net als de batterij-elektrische oplossing wordt de waterstofmotor door de Europese emissiewetgeving aangemerkt als zero emissie.”

Hoe werkt een waterstofmotor?

In de basis werkt een waterstofmotor vergelijkbaar met een benzine- of dieselmotor. Beide concepten zijn, in aangepaste vorm, geschikt voor toepassing van waterstof. Xander Seykens: “Bij het benzineconcept, waarbij een brandstofmengsel met een bougie wordt ontstoken, is het doel om een zo hoog mogelijk vermogen en rendement uit de waterstof te halen en de verbranding stabiel te houden. Hiermee kunnen extreem schone emissies worden bereikt. In onze testcel hebben we al condities gecreëerd waarbij de uitlaatgassen schoner waren, met minder NOx, dan de buitenlucht die de motor ingaat.”

Het benzineconcept met waterstof is robuust door de lage complexiteit, zeker als er geen uitlaatgasnabehandeling nodig is. Daarmee is het heel geschikt voor schepen. Maar bijvoorbeeld ook voor stationaire vermogensopwekking: op bouwplaatsen, festivalterreinen, walstroom, dat soort toepassingen. Daarnaast is het benzineconcept ook iets eenvoudiger te gebruiken als ombouwoplossing om een bestaande motor te verduurzamen. “Binnenvaart en kustvaartschepen gaan zo’n 30, 40 jaar mee. Met dit concept kun je ook bijvoorbeeld halverwege de technische levensduur de aandrijflijn verduurzamen waardoor kostbare vervanging niet nodig is”, legt Seykens uit.

TNO unieke researchpartner in High Pressure Direct Injection (HPDI)

Waterstof is ook toepasbaar met het dieselconcept, waarmee zelfs nog hogere rendementen en prestaties mogelijk zijn dan met de huidige dieselmotoren. “Daarmee heb je voor zwaar vrachtvervoer een heel interessant en duurzaam alternatief, zonder dat er aan de aandrijflijn van de truck ingrijpende technische wijzigingen nodig zijn”, legt Xander Seykens uit.

Omdat juist bij trucks een hoge vermogensdichtheid heel belangrijk is, werkt TNO aan hoge druk directe waterstofinjectie, oftewel High Pressure Direct Injection (HPDI). Een innovatieve technologie die nog hogere prestaties en rendementen kan leveren dan dieselmotoren.

Seykens: “TNO heeft op tijd geïnvesteerd in faciliteiten om deze nieuwe technologie te kunnen ontwikkelen, waardoor we nu één van de weinige researchpartijen wereldwijd zijn met deze expertise.”

HPDI werkt op vergelijkbare wijze als diesel, waarbij de brandstof door compressie tot zelfontbranding komt. Seykens: “Omdat waterstof iets moeilijker tot zelfontbranding komt, kun je net voordat je de waterstof inbrengt een heel klein beetje diesel injecteren: zo’n 2% van de totale hoeveelheid brandstof. Direct daarna injecteer je de waterstof, die door de opgewarmde omgeving vanzelf ontbrandt. Bij TNO zijn we ook bezig om die kleine hoeveelheid diesel helemaal achterwege te kunnen laten.”

Voordelen waterstofmotor

De waterstofmotor biedt bovendien nog andere zwaarwegende voordelen ten opzichte van de brandstofcel, legt Seykens uit. “Het is een robuuste technologie. Brandstofcellen verouderen nog en zijn erg gevoelig voor de kwaliteit van de waterstof. Dat wordt een probleem als we waterstofdistributie gaan opschalen met backbone netwerken. Er treedt vervuiling op en die zal op de pomplocatie weer verwijderd moeten worden. Daardoor is de betrouwbaarheid op de langere termijn zeker niet gewaarborgd. De waterstofmotor heeft daar geen last van, het is grotendeels een beproefde techniek. Hierdoor is stilstand, een belangrijke en extreem kostbare factor in de logistiek, een veel kleiner risico.”

Ook op kostprijs wint de waterstofmotor het van de brandstofcel. Daarnaast speelt ook het geopolitieke argument een rol. Een waterstofmotor kan volledig binnen de EU worden geproduceerd, terwijl een brandstofcel en de bijbehorende batterij voor grondstoffen afhankelijk is van grondstoffen van buiten Europa. Technologiespreiding maakt onze economie dus minder kwetsbaar en meer energiezeker.”

40 jaar ervaring onderzoek verbrandingsmotoren

TNO heeft de best mogelijke trackrecord om de ontwikkeling van de waterstofmotor te versnellen. Al 40 jaar is TNO actief met innovaties en onderzoek om verbrandingsmotoren schoner en efficiënter te maken. Jack Bloem: “Sinds vijf jaar specialiseren we ons in duurzame brandstoffen en beschikken we over testfaciliteiten met een eigen waterstofinfrastructuur. Daarmee kunnen we vrachtwagens met trailers aansluiten en waterstof in al onze testcellen gebruiken.”

In tal van projecten en innovatieprogramma’s heeft TNO haar kennis en faciliteiten ingezet om de waterstofmotor van theorie naar praktijk te brengen. Xander Seykens: “In het programma Green Transport Delta – Waterstof (GTD-H) hebben we samen met de industrie eerste prototypes gerealiseerd: voor een truck, een binnenvaartschip, en voor een genset. Daarmee hebben we aangetoond dat de waterstofmotor voor die toepassingen werkt. Bovendien hebben we met GTD-H onze toch al solide positie op het gebied van motoren verder versterkt. Binnen het nieuwe segment van duurzame aandrijflijnen kan de waterstofmotor een belangrijke bijdrage leveren aan het verdienvermogen van Nederland. Dit moet een vervolg krijgen, waarbij er naast motoren ook aandacht moet zijn voor waterstofopslag.”

Uitdagingen waterstof

Net als destijds met de benzine- en dieselmotor is er nog veel potentieel om de waterstofmotor nóg efficiënter te maken. Waterstof brengt namelijk weer nieuwe, specifieke uitdagingen met zich mee, weet Xander Seykens: “Waterstofverbranding is bij het benzineconcept moeilijker om stabiel te houden. Ook is waterstof door de lage energiedichtheid uitdagend om op te slaan. Tegelijkertijd heeft waterstof door de snelle verbranding een grotere potentie om tot een hogere efficiëntie te komen dan bij diesel. Om het optimum uit dit potentieel te halen, onderzoeken we welke hardware je nodig hebt, welke regelsystemen. We staan hier nog maar aan het begin van een lange ontwikkelingsreis met veel potentie.”

Time to market verkorten

OEM’s weten TNO inmiddels te vinden om hun kennis over waterstofmotoren te vergroten. Xander Seykens: “Sommige fabrikanten hebben helemaal geen waterstofinfrastructuur, anderen zijn specifiek geïnteresseerd in onze HPDI-innovaties. Partners benaderen ons met alle mogelijke technische vragen, zoals: ‘wat voor compressieverhouding moet je gebruiken’, ‘wat voor injectietechniek heb je nodig’, ‘hoe krijg je een homogeen mengsel’, ‘tot hoe ver kun je het rendement van een motor verhogen met HPDI’, en ‘welk concept zou het beste werken voor mijn toepassing?’”

Jack Bloem: “Partners kiezen voor TNO vanwege onze sterke reputatie in waterstofmotoren. TNO heeft de afgelopen jaren volop geïnvesteerd in deze technologie en we spreken erover op toonaangevende congressen. Bovendien weten we die theoretische kennis ook praktisch te valideren, wat heel waardevol is voor onze partners. Partners kunnen zo hun time to market enorm verkorten.”

Grootschalige toepassing vanaf 2030

Zowel OEM’s als potentiële afnemers lijken de ontwikkelingen rond waterstof af te wachten, Dat gaat naar verwachting veranderen als de Europese en Nederlandse plannen voor een stevige waterstofinfrastructuur worden uitgevoerd. Xander Seykens: “De Alternative Fuels Infrastructure Regulation (AFIR) bepaalt dat er langs alle hoofdwegen in Europa waterstoftankstations komen. In Nederland wordt hier invulling aan gegeven met de SWIM-regeling. Een goed begin, en de grote interesse vanuit het bedrijfsleven is bemoedigend. Voor waterstof is een minder fijnmazige infrastructuur nodig dan voor elektrische trucks, wat een snellere realisatie mogelijk maakt.”

Ook Jack Bloem is hoopvol: “De Nederlandse Gasunie legt hier een waterstofbackbone aan, die in 2031 gereed moet zijn. De SWIM-regeling moet zorgen voor een landelijk netwerk van 30 waterstoftankstations in 2030. Maar daarnaast moet ook de waterstofprijs dalen van nu €20 per kilo naar het omslagpunt van circa €6 om te kunnen concurreren met de huidige dieselprijs. De productie van blauwe waterstof kan in belangrijke mate bijdragen aan opschaling van de waterstofeconomie, terwijl parallel gewerkt wordt aan groene waterstofproductie. De logistiek kan daarbij als kickstarter fungeren, waarna waterstof ook in andere sectoren toegepast kan worden. Tegen die tijd verwacht ik grotere volumes in waterstoftruckproductie, waarbij de waterstofmotor een veelbelovend zero emission alternatief wordt, complementair aan de elektrificatie.”