De zoektocht naar alternatieve brandstoffen voor de verbrandingsmotor is al decennia aan de gang. Diesel, lpg en aardgas zijn bekende voorbeelden, maar er is ook volop geëxperimenteerd met waterstof als brandstof. In de huidige energietransitie, waarbij we overstappen van fossiele naar duurzame energiebronnen, is waterstof een veelbelovende optie.
Afbeelding van een waterstofauto.
Waterstof in plaats van benzine en diesel
Hoe zou de Nederlandse autowereld eruitzien als alle auto’s op waterstof zouden rijden? De luchtkwaliteit zal er in ieder geval erg op vooruit gaan. Bij een auto die op waterstof rijdt, komt er namelijk alleen maar water uit de uitlaat.
Hoe werkt het?
Waterstofauto’s zijn auto’s met een elektromotor die een speciale brandstofcel heeft. Hierin wordt de waterstof met behulp van zuurstof uit de lucht omgezet in water. Bij dit proces komt elektriciteit vrij en hiermee wordt de elektromotor van de auto aangedreven zodat de auto vooruit komt. Andere waterstofauto’s hebben een verbrandingsmotor die waterstof rechtstreeks gebruikt als brandstof.
Is het echt milieuvriendelijk?
Van de waterstof die nu op de markt is, wordt het grootste gedeelte nog gemaakt uit fossiele bronnen zoals aardgas en water. Waterstof kan pas echt duurzaam genoemd worden als het met behulp van zonne-, water- of windenergie gewonnen wordt uit de grondstof water. Het grote voordeel van een waterstofauto is wel dat er geen accu in zit, wat een milieuprobleem kan vormen.
Lees ook: Fietsen met verbrandingsmotor versus elektrische fietsen: Een vergelijking
De Brandstofcel: Een Efficiënte Energieomzetter
Om te begrijpen hoe een waterstofauto werkt, is het goed om te weten wat waterstof eigenlijk ís. Het is een zeer vluchtig gas, dat van nature niet op aarde voorkomt. Je zult het dus moeten produceren. Dat kan bijvoorbeeld door water (H2O) te splitsen in zuurstof (O2) en waterstofgas (H2).
Schema van de werking van een brandstofcel.
Onder de motorkap ligt een zogenaamde brandstofcel. Deze laat waterstof uit de opslagtanks onder de auto gecontroleerd reageren met zuurstof uit de buitenlucht. Er vindt dan een omgekeerd proces plaats: de zuurstof en het waterstof vormen weer water. Waterstof kun je dus zien als energiedrager: het kost energie om het te maken, maar die energie kun je er voor een deel weer uit halen.
In brandstofcellen zijn hogere rendementen mogelijk dan in gewone verbrandingsmotoren of stoommachines doordat de energieomzetting niet verloopt volgens de Carnotcyclus. Bij de laatste stap treden als gevolg van de tweede hoofdwet van de thermodynamica noodzakelijkerwijs grote verliezen op, doordat altijd maar een deel van de warmte in arbeid kan worden omgezet. Bij brandstofcellen is dit niet het geval.
Waterstofauto's in Nederland
In Nederland zijn de Hyundai Nexo en de Toyota Mirai te koop, met prijskaartjes van rond de €70.000. Toyota wil wel op korte termijn komen met een goedkopere waterstofauto van rond de €40.000.
Lees ook: Prototypes: Tesla en verbrandingsmotoren
Anno 2018 zetten autofabrikanten nog niet massaal in op de productie van waterstofauto’s. Hierdoor is er maar een beperkt aantal waterstofauto’s beschikbaar die bovendien erg duur zijn. Dat is de reden waarom deze auto’s nu nog buiten het bereik liggen van de gewone consument. De voortrekkers zijn Audi, Hyundai, Mercedes, Kia en Toyota die allemaal waterstofauto’s ontwikkelen. De verwachting is dat andere autofabrikanten vroeg of laat zullen volgen.
Auto & tankstation - De kip & het ei
Een waterstofauto kan niet rijden zonder waterstof, maar tankstations bieden geen waterstof aan als er niemand komt tanken. Op dit moment zijn er slechts 3 tankstations die waterstof als brandstof aanbieden, maar het is de bedoeling dat dat aantal de komende jaren gaat stijgen. Je kunt namelijk net zo snel waterstof tanken als benzine of diesel en je bent niet afhankelijk van de beschikbaarheid van een laadpaal.
Wat kost het om op waterstof te rijden?
De prijs van waterstof ligt nu rond de €12,50/kg. In een tank van een waterstofauto kan ongeveer 5 á 6 kg waterstof. Hiermee kun je dan zo’n 600 km rijden en dat is best een aardige actieradius. De prijs per kilometer komt hiermee op 12,5 eurocent. Erg goedkoop is rijden op waterstof dus nog niet.
Nederland vol waterstofauto’s(?)
In de ideale waterstof-toekomst zul je bij elk Nederlands tankstation waterstof kunnen tanken. Vanwege de hoge druk en de ontvlambaarheid van waterstof zijn veiligheidsmaatregelen wel op zijn plaats. Geluidswallen langs de snelweg zullen waarschijnlijk niet meer nodig zijn want waterstofauto’s, -bussen en -vrachtwagens zijn veel stiller dan de exemplaren die op brandstof rijden.
Gaat heel Nederland aan de waterstofauto?
Waterstof heeft ontzettend veel potentieel om een populaire duurzame autobrandstof te worden. Het is (mits duurzaam geproduceerd) duurzamer dan benzine of diesel en het werkt bijna hetzelfde als gewoon tanken. In hoeverre alle Nederlanders straks massaal zullen overschakelen op waterstofauto’s zal afhangen van de volgende voorwaarden:
Lees ook: De oorsprong van de auto
- Stijging van het aantal tankstations waar waterstof getankt kan worden
- Prijsdaling van waterstof aan de pomp
- Duurzame waterstofproductie en opslag
Waterinjectie: Een Extra Boost voor de Verbrandingsmotor
Wist u dat zelfs de meest geavanceerde benzinemotoren ongeveer 20 procent brandstof verspillen? Met zijn nieuwe waterinjectiesysteem toont Bosch dat het anders kan. Wanneer men snel accelereert of op de snelweg rijdt, kan door de injectie van extra water tot 13 procent brandstof worden bespaard.
“Met onze waterinjectie hebben we aangetoond dat de verbrandingsmotor nog een en ander achter de hand heeft”, aldus Dr. Rolf Bulander, voorzitter van de bedrijfssector Bosch Mobility Solutions en lid van de Raad van Bestuur van Robert Bosch GmbH.
De innovatie van Bosch heeft niet alleen gevolgen voor het brandstofverbruik. Het systeem kan auto’s ook een stuk krachtiger maken. “Waterinjectie kan voor een extra energiestoot zorgen in elke turbomotor”, zegt Stefan Seiberth, directeur van de divisie Gasoline Systems bij Bosch.
Voor de brandstof ontsteekt, wordt er een fijne waternevel in de inlaat gespoten. Aangezien water veel warmte nodig heeft om te kunnen verdampen, wordt de motor doeltreffend gekoeld. Daarom is er ook maar een kleine hoeveelheid extra water nodig. Voor elke honderd kilometer volstaan enkele honderden milliliters water.
Voordelen van waterinjectie
- Brandstofbesparing tot 13% bij snelle acceleratie of op snelwegen
- Extra vermogen voor de motor
- Efficiëntere koeling van de motor
De BMW M4 GTS is de eerste productiewagen die is uitgerust met een innovatief en revolutionair waterinjectiesysteem. Bosch levert de waterinjectiecomponenten voor de BMW M4 GTS.
Volgens de toekomstige testmethode voor brandstofverbruik (WLTC) kan men dankzij waterinjectie tot 4 procent brandstof besparen. Onder reële rijomstandigheden kan dat percentage nog hoger zijn. Zo kan het brandstofverbruik tot 13 procent dalen bij snelle acceleratie of op snelwegen.
Waterinjectie vereist slechts een kleine hoeveelheid water. Gemiddeld moet de tank pas elke 3000 kilometer opnieuw worden gevuld. In de aparte watertank hoort gedestilleerd water.
Bosch gebruikt een poortinjectiesysteem omdat dit aanzienlijke technische voordelen biedt en goedkoper is. Dankzij dit systeem is waterinjectie geschikt voor grootschalige productie en voor verschillende voertuigtypes.
Waterinjectie: Werking en Toepassing
De benzinebrandstof in een benzinemotor zorgt ook voor koeling. Bij hogere motorbelasting wordt het mengsel verrijkt. Er is dan een overmaat aan brandstof, wat er onder anderen voor zorgt dat de verbrandingsruimte (de cilinder) van binnenuit af gekoeld wordt.
Het injecteren van water in de cilinder zorgt ook voor het koelen van de onderdelen in de verbrandingsruimte. Het water bij waterinjectie wordt dus niet gebruikt als brandstof, zoals bij waterstof wel het geval is.
Werking waterinjectie
De waterinjector kan in de cilinderkop of in het inlaatspruitstuk van een benzinemotor gemonteerd zijn. De waterinjector dient zich zo dicht mogelijk bij de inlaatklep te bevinden.
Wanneer extra koeling in de verbrandingsruimte gewenst is, wordt de waterinjector door de ECU aangestuurd. Dit zal gebeuren wanneer er vermogen gevraagd wordt (zoals bij het accelereren of het rijden van hoge snelheden) en er gevaar voor pingelen aanwezig is. Daarom wordt waterinjectie ook wel de “antidetonatieinjectie” genoemd.
Een externe waterpomp zorgt voor de waterdruk in de leiding van de injector. Op het moment dat de injector door de ECU aangestuurd wordt, zal deze openen en zal er een waternevel ingespoten worden. De kleine waterdruppeltjes verdampen direct en nemen een deel van de warmte op die in de verbrandingsruimte aanwezig is.
Omdat de hoeveelheid ingespoten water minimaal is, zijn er ook geen gevaren voor roest of oxidatie van de motoronderdelen. Het motorvermogen neemt ook toe bij het gebruik van waterinjectie.
Het vermogen van bijvoorbeeld de BMW M4 GTS neemt met waterinjectie met maarliefst 37kW toe. Dat is een vermogenswinst van ongeveer 10% ten opzichte van de “standaard M4”. Dit is gepaard met een brandstofbesparing tot 13% in de situatie waar een rijk mengsel gewenst is; bij het accelereren en het rijden met hoge snelheden.
De motor kan ook probleemloos zonder waterinjectie draaien. Echter, de maximale prestaties kunnen niet worden behaald omdat er dan een gebrek aan koeling is.
Waterstof Verbrandingsmotor: Toyota's Experiment
Hoewel waterstof een lekker explosief goedje is, kiezen de meeste autofabrikanten (oké, welgeteld twee) ervoor om brandstofceltechniek te gebruiken voor hun waterstofauto’s. Er is nog een andere manier om waterstof te gebruiken, namelijk in een verbrandingsmotor. Je zag dat autofabrikanten een paar jaar geleden veel aan het experimenteren waren met de verbrandingsmotor op waterstof, maar de laatste tijd ligt de focus vooral op de FCEV. Toyota stoft de techniek nu af om ermee te gaan racen.
Image of a hydrogen engine
Het grote voordeel is dat waterstof schoon verbrandt; er komt letterlijk water uit de uitlaat. De productie van het spul is momenteel veelal nog niet helemaal groen, maar dat is een kwestie voor een andere keer. De ontbrandingssnelheid van waterstof is acht keer hoger dan die van benzine. Er is dus een snellere respons en meer koppel.
Waterstof verbranden is inefficiënter dan het in een brandstofcel gebruiken. Er moet dus een flinke voorraad van het spul aan boord zijn om een nuttige actieradius te bewerkstelligen. Een andere uitdaging is de temperatuur. Door de explosieve verbranding lopen de motoren al snel te warm.
In de Toyota Corolla ligt de 4WD-aandrijflijn van de Toyota GR Yaris. In de normale configuratie produceert de 1,6-liter driecilinder met turbo 261 pk. Wat het vermogen is van de Corolla op waterstof is niet bekend. Ook zijn er nog geen productieplannen voor deze waterstofverbrandingsmotor.
Koelsysteem van een Verbrandingsmotor
Verbrandingsmotoren genereren tijdens de werking niet alleen energie in de vorm van aandrijfenergie, maar ook veel warmte. Deze moet door koeling worden afgevoerd, zodat de motoronderdelen niet door oververhitting worden beschadigd. Bovendien zorgt het koelsysteem ervoor dat de motor in het optimale temperatuurbereik werkt, zodat de uitstoot laag blijft.
Voor een doeltreffende koeling is elke moderne verbrandingsmotor uitgerust met een koelsysteem voor de motor. Dit is bijna altijd een waterkoelsysteem. Koelwater wordt via fijne kanalen door het motorblok en de cilinderkop geleid om de warmte van de motor af te voeren en de temperatuur van de motor te verlagen.
Het koelsysteem in de auto werkt verschillend afhankelijk van de rijsituatie en past het koelvermogen daarop aan. Hierdoor kan de motor altijd op de optimale bedrijfstemperatuur draaien. Bij hard rijden op landwegen of op de snelweg komt er veel lucht in de radiateur aan de voorzijde van de auto. Als de auto daarentegen vaststaat in een file of in stilstaand verkeer, zorgt een extra ventilator ervoor dat er voldoende lucht door de radiateur kan stromen.
Als de motor onverwacht oververhit raakt, kan het nuttig zijn de verwarming in de auto in te schakelen en de ramen te openen.
Naast motorkoeling door middel van een koelcircuit kan koeling ook worden gerealiseerd door middel van lucht. Waarschijnlijk de bekendste auto met luchtkoeling is de Volkswagen Kever. Ook Porsche heeft dit type motorkoeling lange tijd toegepast bij het model 911.
Bij voertuigen met luchtkoeling wordt de omgevingslucht aangezogen door een mechanisch aangedreven koelventilator en over de te koelen motoronderdelen geleid. Essentiële onderdelen van het waterkoelsysteem zoals de radiator, de waterpomp en de radiatorslangen ontbreken bij luchtgekoelde motoren.
Belangrijkste onderdelen van een waterkoelsysteem
- Radiator: Bevindt zich meestal aan de voorkant van het voertuig en bevat kleine pijpjes waardoor de koelvloeistof stroomt.
- Waterpomp: Zorgt ervoor dat het koelwater continu in het koelcircuit circuleert.
- Thermostaat: Regelt de koeling van de motor en opent pas als de motor de optimale bedrijfstemperatuur heeft bereikt.
- Warmtewisselaar: Zorgt ervoor dat het interieur van het voertuig in de winter altijd een aangename temperatuur heeft.
- Radiatorventilator: Zorgt voor een grotere luchtstroom door de radiator, ook zonder rijwind.
- Expansievat: Fungeert als expansievat in het gesloten koelsysteem.
- Koelvloeistof: Zorgt voor een snelle afvoer van de warmte die tijdens de werking van de motor ontstaat.
Bij problemen met de motorkoeling zijn defecte onderdelen bijna altijd de oorzaak. Vaak is er een lek in het koelsysteem waaruit koelvloeistof ontsnapt. Als de koelwatertemperatuur sterk stijgt, zijn een defecte thermostaat of een kapotte radiatorventilator mogelijke oorzaken. Als de motor traag op bedrijfstemperatuur komt, kan de thermostaat vastzitten.
Tips voor het onderhoud van het koelsysteem
- Controleer het koelsysteem regelmatig op lekkages.
- Gebruik geschikte koelvloeistof.
- Controleer het antivriesmiddel, vooral na het toevoegen van water.
- Stel reparaties niet uit.
- Laat de motor regelmatig onderhouden door een professional.
Buitenboordmotoren en hun Koelsysteem
Een buitenboordmotor van een boot heeft een open koelsysteem. Dat wil zeggen dat er buitenwater wordt opgezogen in de staart, dit buitenwater door de motor stroomt, waarna het de motor weer verlaat. Het koelsysteem begint in het staartstuk. Daar zitten aanzuigpunten die tijdens de vaart altijd onder water blijven.
Een pomp onderin het staartstuk, in dit geval een rubberen impellor, duwt dit water vervolgens naar boven in de motor, naar het motorblok. Daar gaat het water door het gehele blok heen. Als de motor koud is blijven de thermostaten dicht en blijft het water daar circuleren. Dit reguleert de temperatuur van de motor.
Wanneer de motor op bedrijfstemperatuur is gaan de thermostaten (gedeeltelijk) open, en wordt het water afgevoerd. Buitenboordmotoren gebruiken een uitlaat die onder water zit. Het middelste gedeelte van de schroef, is tevens de uitlaat. Hier worden de uitlaatgassen en het koelwater afgevoerd.
Om te controleren of het koelsysteem goed werkt, zijn buitenboordmotoren uitgerust met een indicatiestraal. Dit is een straaltje water aan de zij of achterkant van de motor. Controleer dit regelmatig tijdens het varen, maar altijd direct na het starten. De straal moet redelijk krachtig en constant zijn.
De impellor is een slijtage onderdeel en dient op gezette intervallen vervangen worden. Door te weinig koeling zal de motor te warm worden. Dit zal resulteren in extreme slijtage en uiteindelijk een vastloper. Lig je op het water en moet je de motor afzetten door een tekort aan koelwater?
| Type Koelsysteem | Toepassing | Voordelen | Nadelen |
|---|---|---|---|
| Waterkoeling | Moderne verbrandingsmotoren | Effectieve koeling, stabiele temperatuur | Complexer, kans op lekkage |
| Luchtkoeling | Volkswagen Kever, Porsche 911 (oudere modellen) | Simpeler, minder onderdelen die kunnen defect raken | Minder effectief, temperatuur kan meer variëren |
| Open koelsysteem (Buitenboordmotor) | Buitenboordmotoren | Gebruikt buitenwater, eenvoudig | Kan vervuild water aanzuigen, impellor slijtage |