Techniek Kawasaki waterstofmotor: toekomstbeeld of stuiptrekking?

Eind vorig jaar presenteerde Kawasaki naast een elektrische motor en een motorfiets met hybride aandrijving ook een motorfiets op waterstof. Heeft dat echt toekomst, of is de waterstof-ICE een laatste stuiptrekking van achterhaalde technologie?

Beeld: Peter Aansorgh

Een glazen bol heeft niemand. Niemand weet hoe de toekomst van mobiliteit er echt uitziet. We kunnen nu stellen dat de Europese overheid sterk inzet op elektrische mobiliteit, maar dat er hier en daar nog een deur openblijft naar alternatieven. Zoals bekend mogen er vanaf 2035, zoals het er nu uitziet, in Europa alleen nog maar elektrische auto’s worden verkocht. Als dat zo blijft, want het moet nog haalbaar blijken. Er moeten genoeg laadmogelijkheden zijn. De elektrische infrastructuur moet verbeterd. Ook moet er emissievrije elektriciteit komen, anders verplaats je het broeikasgasprobleem alleen maar naar de gas- en kolencentrales. Elke kW-elektriciteit uit het Nederlandse net levert nu immers nog 475 g CO₂ op (bron: Electricitymaps). Dat moet dus anders, maar daar is een overheid met visie voor nodig. Ook moeten er nog genoeg grondstoffen voor batterijen en elektromotoren zijn en beschikbaar blijven. Er hoeft maar een gefrustreerd onderdeurtje met een Napoleoncomplex een ander land binnen te vallen en heel Europa zit zonder gas. Dat kan ook gebeuren met lithium en kobalt voor batterijen of voor magnetisch materiaal. Het afschieten van de proefballonnetjes van China kan al leiden tot het afknijpen van die markt. Zimbabwe, een van de landen dat veel lithium heeft, heeft de export ervan verboden. Aan de andere kant zijn er ontwikkelingen zoals kobaltvrije batterijen en natriumbatterijen, waar geen lithium in zit. Toshiba ontwikkelt magneten zonder zeldzame aardmetalen. Er wordt misschien van alles mogelijk. Of onmogelijk. Niks is zeker.

Wat is emissievrij?

Mobiliteit bestaat uit meer dan auto’s. Er zijn (brom) fietsen, motorfietsen, trucks, vliegtuigen, rolschaatsen, steps en longboards. En zelfs die longboards zijn verkrijgbaar met elektrische aandrijving. Om ons even te beperken tot bromfietsen, motorfietsen en trucks: daarvoor heeft de EU nog geen verbod op verbrandingsmotoren uitgesproken, wel heeft de politiek bepaald dat alle motorfietsen na 2030 ‘emissievrij’ moeten zijn. Daarmee bedoelen ze elektrisch, maar dat zeggen ze niet letterlijk. En dus zien motorfabrikanten nog mazen in het net. Vorig jaar presenteerden de motofietsfabrikanten, verenigd in de ACEM, hun ‘Vision 2030’, waarin nog alternatieven in leven worden gehouden. De motorindustrie gaat er namelijk vanuit dat een motorfiets met verbrandingsmotor, die op waterstof of een e-fuel draait, ook emissievrij is. Een waterstofmotor omdat waterstof verbrandt tot water, een e-fuel omdat die brandstof is gemaakt door met behulp van zonne- en windenergie water en CO₂ uit de lucht om te zetten in een koolwaterstof. Het verbranden ervan geeft dus wel CO₂, maar dat is eerst uit de lucht gehaald en geeft netto geen CO₂-emissie.

Techniek duurzame brandstoffen: redt maïs na 2035 de verbrandingsmotor?

Lekker compact

Waarom willen motorfietsfabrikanten zo graag met de verbrandingsmotor blijven werken? Er zijn een aantal redenen. De eerste is dat batterijen duur zijn en elektrische motorfietsen dus duurder zijn om te maken. En de eerste les economie op de middelbare school leert dat de vraag naar luxeartikelen daalt als de prijs stijgt. Een dalende omzet is een angstscenario voor motorfabrikanten. Dus liever niet. Een ander probleem is dat motorfietsen relatief klein zijn en er dus weinig ruimte voor batterijen is. Weinig actieradius dus. Voor kleine motorfietsen die als mobiliteitsoplossing worden ingezet is dat geen probleem: een merk als KTM gaat alles wat tot op heden 250 cc of minder was op termijn vervangen door elektrische motoren. Daarboven wordt het anders. Met de huidige batterijtechniek is geen hoge actieradius mogelijk binnen de gewenste, compacte vormgeving. De laadtijden zijn te lang om een klein actieradius acceptabel te maken. Een grotere actieradius is wel mogelijk met grotere batterijen, maar dan worden motoren breed en zwaar, wat nadelige gevolgen voor het rijgedrag heeft. Voorlopig is een verbrandingsmotor met een netto nul-emissie dus de beste oplossing, volgens de motorfabrikanten. Voor grotere afstanden is een ‘brandstof’ nodig die veel energie in een kleine omvang verpakt en die snel te tanken is. Benzine – dus ook e-fuel-benzine – is een goede, daar gaat 12,9 kW/kg in. Een lithium-ion polymeeraccu kan ongeveer 0,13 kWh/kg meenemen. Bijna honderd keer zo weinig per kg dus. Waterstof heeft een energie-inhoud van 33,3 kWh per kg. Dat lijkt dus een betere oplossing. Maar ook dat kan snel veranderen als de solid-state batterijen, waarmee autofabrikanten binnen nu en drie jaar schijnen te komen, daadwerkelijk beschikbaar worden. Dan zou de actieradius bij dezelfde afmetingen kunnen verdubbelen bij een veel kortere laadtijd. Haalt het nog niet bij benzine of waterstof, maar zou goed genoeg kunnen zijn om de toermotor op acceptabele wijze elektrisch te maken.

1 van 3

Grijze en blauwe Waterstof

Voorlopig mikken fabrikanten voor grotere actieradii dus op e-fuels of waterstof. Als je waterstof verbrandt, ontstaat water. Dat is onschadelijk. Maar net als bij elektrisch rijden is de directe emissie slechts het halve probleem. Puur waterstofgas komt in de natuur niet voor en dus moet je het zelf maken. Dat kan door of steenkool met water om te zetten in waterstof. Maar steenkool is ook een fossiele brandstof. Er komt eveneens kooldioxide vrij bij de omzetting naar waterstof, 3 kg voor elke kilo brandstof. Op dit moment wordt ongeveer een vijfde van alle waterstof van kolen gemaakt. De meeste waterstof wordt uit aardgas gehaald, door het te laten reageren met stoom van ongeveer 850 graden Celsius. De koolstof uit aardgas (CH₄ of methaan) wordt daarbij omgezet in CO₂. Beide vormen leveren dus CO2 op en dat is niet gunstig voor het milieu. Deze vorm wordt dan ook ‘grijze’ waterstof genoemd. Wordt de CO₂ opgevangen en opgeslagen dan noemen ze het ‘blauwe’ waterstof. De TU Eindhoven en TNO hebben onlangs een andere methode ontwikkeld: door aardgas te verhitten tot boven de 1.000° Celsius blijkt het methaan via een plaat gesmolten metaal (Gallium) te splitsen in waterstof en vaste koolstof. Dit proces is nog niet productierijp, maar biedt wel hoop voor de toekomst.

Groene waterstof

Is er ook een manier om CO₂-vrije waterstof te maken? Ja, je kunt ‘groene’ waterstof maken met behulp van zonne- of windenergie of waterkrachtcentrales. Dat werkt met elektrolyse. Het principe is simpel: je steekt twee elektroden in een bak water en je zet er gelijkspanning op. Dan ontstaan er gasbelletjes: aan de pluspool (de kathode) waterstof en aan de minpool (de anode) zuurstof. Het rendement van dit proces om ‘groene’ waterstof te maken is ongeveer 70% (bron: hieropgewekt.nl). Dat betekent dat 70% van de elektrische energie, die je gebruikt voor elektrolyse, in de vorm van chemische energie in waterstof is opgeslagen. Bij een accu ligt dat rendement op ongeveer 85%.

Motorbrandstof

Een van de grootste voordelen aan waterstof is, dat je in een paar minuten genoeg tankt voor een flink actieradius. Op de vrachtwagenbeurs in Hannover zag je dan ook dat praktisch alle vrachtwagenfabrikanten naast elektrische vrachtwagens ook vrachtwagens op waterstof ontwikkelen, soms met een brandstofcel, soms met een verbrandingsmotor. En dat is niet zo gek, want waterstof is een uitstekende motorbrandstof. Het ontsteekt graag, beter dan benzine zelfs: om een benzine-luchtmengsel aan te steken is een bougievonk van 0,24 mJ nodig, voor waterstof is een zwakkere vonk van 0,02 Joule nodig (bron: H2-rijders). De ideale lucht-brandstofverhouding ligt op 34 : 1, voor benzine is dat 14,7 : 1. Maar waar benzine snel slechter ontsteekt als je het mengsel verarmt, kun je met waterstof tot een verhouding van 180 : 1 gaan. Het pingelt ook niet snel, de zelfontstekings-temperatuur ligt op 500° Celsius, bij benzine op 230°. Het octaangetal van waterstof ligt daarmee op 120. De vlamfronttijd is dan ook superkort.

Weinig aanpassingen

Het mooie van waterstof in een verbrandingsmotor is dat je niet heel veel aanpassingen nodig hebt. In Hannover stond Westport Fuel Systems, dat vrachtwagendiesels ombouwt naar waterstofbedrijf: ‘In principe zijn er drie technologieën voor H₂-injectie in verbrandingsmotoren’, stelt Scott Baker van Westport Fuel Systems op het symposium in Wenen: poort-injectie, vroege directe injectie en late directe injectie met hoge-druk injectoren. Dat laatste is de meest efficiënte oplossing. We gebruiken daarvoor andere injectoren met concentrische naalden. Zowel diesel en gas gaan door dezelfde injector’, aldus Baker. Daarmee doelt hij op het feit dat omgebouwde dieselmotoren geen bougies hebben. Er wordt 5% diesel met de waterstof mee ingespoten om de verbranding op gang te krijgen. Behalve andere injectoren is er ook een extra waterstofpomp nodig om de inspuitdruk te handhaven als de tankdruk -standaard 700 bar – onder de 300 bar komt. ‘Verder levert een motor met waterstof meer vermogen en koppel en biedt hij een lager brandstofverbruik’, aldus Baker. Helemaal uitstoot-loos is deze vorm van waterstofbedrijf echter niet: ‘Vanwege de diesel pilot fuel hebben we wel iets uitstoot, maar het is een reductie van 94 tot 98%. Ook de NOx-uitstoot is lager, praat je normaal over 6,7 gram, dan heb je met LNG 3,1 gram, met H₂ met 20% EGR daalt dat naar 2,7 gram. Het thermodynamisch rendement stijgt van 50% naar 52%’, aldus Baker.

1 van 3

Kawasaki

Ook Kawasaki legt dus ook niet alle eieren in één mandje en ontwikkelt naast een elektrische en hybride motor ook een motorfiets op waterstof. De keuze valt daarbij eveneens op een verbrandingsmotor. Eind vorig jaar toonde Kawasaki een viercilinder lijnmotor met een supercharger, die grote gelijkenis vertoont met de H2-motor. Daar zit enige logica in. In principe is het rendement van een motor afhankelijk van het thermodynamisch kringproces. Dat is de manier waarop de drukopbouw verloopt ten opzichte van de slag. Die is afhankelijk van de compressieverhouding en de manier waarop het brandstofmengsel verbrandt. Bij een benzinemotor wordt het mengsel in het bovenste dode punt ontstoken, waardoor er een druksprong optreedt. Bij een diesel verbrandt de brandstof als ze wordt ingespoten, gedurende een aantal krukgraden. Dat is gelijkmatiger en mist daardoor een stukje piekdruk. Maar omdat de compressieverhouding veel hoger is – zo’n 22:1 ten opzichte van 12 : 1 voor benzine – is het rendement hoger. Een benzinemotor haalt 25 tot 35%, een diesel 30 tot 50%. Daardoor is een diesel zuiniger. Waterstof kan die hoge compressie aan, dus zou het voor de hand liggen om voor een hoge compressie te gaan. Maar daarvoor is een relatief lange slag nodig en dat geeft een laagtoerig karakter, waar niet alle motorrijders warm voor draaien. Een kortere slag met hogere toerentallen is veel dynamischer. Met behulp van drukvulling kun je echter toch een hogere einddruk bereiken en dus het rendement opkrikken, terwijl de drukvulling ook voor meer lucht zorgt – en dus voor meer vermogen. Een ander voordeel is dat de benzinemotor vonkontsteking heeft en dus geen pilot-inspuiting met diesel nodig heeft. Er zijn dus geen emissies in de vorm van onverbrande koolwaterstoffen of roet, ook niet een klein beetje. Wel ontstaan er bij hoge temperaturen stikstofoxiden. Dat is niet ideaal, vooral als je het vergelijkt met de brandstofcel, die alleen maar water produceert. Met gebruik van een oxykat en een SCR-katalysator kan echter 99% van die NOx worden afgebroken.

Tanks

Voor een waterstofmotor heb je dus voornamelijk andere injectoren en een drukpomp nodig, plus – natuurlijk – opslagtanks die een druk van 700 bar aankunnen. Kawasaki levert een mooie ghost-view waarbij de motor is voorzien van koffers, waarvan elk vijf waterstoftanks bevat. Gegevens zijn er niet, maar als ik een grove gok doe, dat elke tank 3 liter bevat, dan zou je dus 30 liter bij je hebben. Met 700 bar zou dat neerkomen op ongeveer 1,2 kg waterstof, dus een inhoud van 40 kWh aan energie. Een Toyota Mirai gebruikt 0,79 kg waterstof op 100 km. Laat een motorfiets 30% zuiniger zijn dan die SUV, dan zou je een actieradius van grofweg 195 km hebben. Da’s krap en het is natuurlijk niet handig als je koffers vol tanks zitten in plaats van bagage. Maar je kunt wel in vijf minuten tanken! Daarbij zijn ook hier goede ontwikkelingen.

Een Amerikaans bedrijf is bezig om een soort solid-state opslag te ontwikkelen: de waterstof hecht dan aan een katalysator op een soort harde schijf en hoeft dan niet onder druk te worden opgeslagen. Het wordt door een laserstraal weer vrijgemaakt. Of dit ooit tot een productierijp model komt, is natuurlijk weer een vraagteken.

Hamvraag: wordt het wat, of wordt het niks?

De hamvraag is natuurlijk: wordt het wat, of wordt het niks. Er zijn een aantal argumenten ‘voor’: waterstof is snel te tanken. We hebben een verschil tussen de tijd dat hernieuwbare energie leveren en de momenten dat we het nodig hebben. Dan moet je elektriciteit opslaan en dat kan door er waterstof van te maken. Een ander probleem is dat we meer energie nodig hebben dan we zelf hernieuwbaar kunnen opwekken. Dus zal het ergens anders vandaan moeten komen, bijvoorbeeld door zonnepanelen in de Sahara. Voor het transport zullen van die energie e-fuels gemaakt moeten worden, die in tankschepen naar Europa komen. Dan kun je er waterstof van maken. Maar er zijn ook minpunten. Als je een verbrandingsmotor op waterstof laat lopen, combineer je de twee minpunten van de verschillende systemen: een slecht rendement bij de productie van waterstof en het slechte rendement van de verbrandingsmotor. Elektrisch rijden vraagt van ‘well to wheel’ grofweg de helft van de energie. En als die schaars is…

Techniek: E-fuels serieuze optie – zonneschijn in je tank

Politiek

Veel is afhankelijk van de politiek en dus van lobby’s, symboolpolitiek en handelsbelangen. Voorlopig heeft Europa de verbrandingsmotor nog niet verboden voor tweewielers en vrachtwagens. De vraag is of ‘het gevaar’ wel uit die hoek komt. In dit verenigd Europa heeft elk land zijn eigen wetten en regels en in elk land doet elke gemeente wat ze zelf wil. Het is nu al zo dat ik met mijn Euro 5-personenwagendiesel en Euro 4-bestelbus voor elke trip moet checken of ik de steden die ik aandoe nog in mag (Zie de greenzones-app). Amsterdam weert vanaf 2025 al allerlei verbrandingsmotoren en wil vanaf 1 januari 2030 een volledig uitstootloze zone hebben. Zelfs de waterstoftrucks met verbrandingsmotor mogen er dan niet in vanwege de kleine pilot-injectie diesel, want bijna 0 is niet 0. De vraag is hoe Amsterdam aankijkt tegen waterstofmotoren met vonkontsteking, want ook daar is nog ietsepietsie NOx-uitstoot. In Nijmegen mogen vanaf 2028 geen brommers en scooters met verbrandingsmotor naar binnen. In Arnhem nu al geen diesels met Euro 3 of minder. In Brussel, Antwerpen en Lyon mogen Euro 4-diesels niet meer naar binnen. Parijs zou vanaf 2030 helemaal geen verbrandingsmotoren meer toestaan – dus blijkbaar ook niet op waterstof – en zo volgen er steeds meer steden met hun eigen verboden. Bestaande verboden worden steeds verder aangescherpt. Google Maps waarschuwt al voor milieuzones, de route-app Waze houdt met de routeberekening al rekening met de milieuklasse van je voertuig. Garmin DriveSmart kan milieuzones vermijden. Dat wordt noodzaak. 

En dus?

Het is de vraag of Europese gemeentes de waterstof-verbrandingsmotor als emissievrij gaan zien en of ze dat allemaal doen. Anders komen we in de situatie waarin je van de EU wel zo’n motor mag kopen, maar je er nergens mee mag rijden en er zelfs niet mee thuis kunt komen. Combineer dat met het feit dat de elektrische motorfiets een snelle ontwikkeling doormaakt, overal geaccepteerd wordt en dat er betere batterijsystemen in aantocht zijn, dan denk ik dat de waterstof motorfiets met verbrandingsmotor weinig toekomst heeft.