Een predictief verbrandingsmodel voor waterstofmotoren
“Ik ben ervan overtuigd dat water op een dag als brandstof zal worden gebruikt, en dat waterstof een onuitputtelijke bron van warmte en licht zal vormen!” 146 jaar geleden droomde Jules Verne van een waterstofeconomie, vandaag is dit een nabije werkelijkheid.
Klimaatsverandering
In 2015 werd het akkoord van Parijs opgesteld met als doel de opwarming van de aarde onder controle te houden. Er werd een bovengrens van 2 graden opwarming opgelegd ten opzichte van het pre-industriële tijdperk. De Europese Unie is voortrekker van internationale inspanningen in de strijd tegen klimaatverandering. De bijdrage van de EU, onder het akkoord van Parijs, is om de uitstoot van broeikasgassen met 40% te reduceren tegen 2030, en indien mogelijk met meer.
In het huidige regeerakkoord (2020 - 2024) steunt de federale regering de Green Deal van de Europese Commissie resoluut. De regering stelt zichzelf tot doel om de broeikasgasuitstoot met minstens 55% te verminderen tegen 2030 en mikt op klimaatneutraliteit tegen 2050. Uit recente studies blijkt dat het aandeel van de scheepvaartindustrie relatief beperkt is. Echter schat het IMO (International Maritime Organization) dat de uitstoot van broeikasgassen omwille van de scheepvaartindustrie significant kan toenemen, tot wel 250% tegen 2050.
Met als doel de broeikasgassen en het gebruik van fossiele brandstoffen te reduceren, is de zoektocht naar alternatieve brandstoffen een noodzaak. Wanneer men rekening houdt met een laag gehalte aan zwavel, CO2 en NOx, welke ook schoon verbranden, komen zowel alcoholen als gasvormige brandstoffen naar voor. Meer specifiek zijn LNG, waterstof, ethanol en methanol de meest opmerkelijke kandidaten.
Waarom waterstof als energievector?
Tegenwoordig wordt de transportsector vrijwel geheel gevoed door fossiele brandstoffen. Hun bijdrage tot de uitstoot van broeikasgassen en schadelijke stoffen, alsook de afhankelijkheid van landen met een instabiel bestuur drijft het onderzoek naar alternatieve brandstoffen. Tot heden wordt waterstof doorgaans op twee mogelijke manieren gebruikt. Enerzijds in een brandstofcel, welke zijn chemische potentiële energie omzet in elektriciteit. Anderzijds in een verbrandingsmotor, welke een vermogen genereert aan de hand van zijn verbranding.
Voor toepassingen met een laag vermogen is de efficiëntie van een brandstofcel superieur ten opzichte van een verbrandingsmotor. Dit geldt echter niet voor toepassingen waar men een hoog vermogen vereist, waarvoor de efficiëntie van beiden nagenoeg gelijk is. Wanneer men schaalbaarheid in acht neemt, lijkt het vandaag nog onwaarschijnlijk dat brandstofcellen zullen doorbreken wegens enkele knelpunten, waaronder de nood aan edele metalen. Omwille van deze redenen zijn verbrandingsmotoren die gevoed worden door een alternatieve brandstof een rendabele en duurzame optie; de technologie is rijp, onmiddellijk beschikbaar en schaalbaar op een globaal niveau.
Waterstof is een volledig gedecarboniseerde energievector. Meer zelfs, het kan eenvoudig en op duurzame wijze geproduceerd worden, gebruik makende van hernieuwbare energie. Vaststellend wordt vandaag waterstof hoofdzakelijk geproduceerd door middel van een techniek genaamd steam methane reforming. Voorgaande techniek produceert grijze waterstof, aangezien tijdens het omvormingsproces CO2 wordt uitgestoten. Gelukkig bestaan er verschillende schaalbare technieken voor de productie van groene waterstof (waterstof geproduceerd a.d.h.v. hernieuwbare energie).
Waterstof in een verbrandingsmotor
In het licht van strikte wetgeving is de scheepvaartindustrie op zoek naar manieren voor efficiëntere en milieuvriendelijke voortstuwing. Normaliter is de grootte van een vonkonstekingsmotor gelimiteerd om abnormale verbranding te voorkomen en worden dergelijke motoren niet gebruikt voor de scheepsvaartindustrie. Echter, dankzij de hoge vlamsnelheid (voortplantingssnelheid van het vlamfront) van waterstof, is het theoretisch mogelijk dat een waterstofmotor vonkontsteking gebruikt.
Een buitengewoon voordeel bij het gebruik van waterstof als brandstof, is dat er geen CO2 gevormd wordt tijdens de verbranding. Bovendien, wanneer arme mengsels (meer lucht dan brandstof) gebruikt worden, zullen ook NOx emissies sterk afnemen. Om inzicht te krijgen in de mogelijkheden voor waterstofmotoren moeten simulatiemodellen ontwikkeld worden, daar deze studies toelaten naar ‘state of the art’ motorconcepten.
Onderzoek
Zal het vermogen van een waterstofmotor kunnen tippen aan zijn fossiele equivalent? Wat gebeurt er met de efficiëntie en de emissies van dergelijke motor? Aan de hand van een model kan op een kostenefficiënte manier uitgebreid onderzocht worden welke mogelijkheden er zijn voor waterstofmotoren.
Het doel van de thesis is een predictief verbrandingsmodel voor waterstof te ontwikkelen dat vervolgens wordt geïmplementeerd in een motormodel. Het verbrandingsmodel moet accuraat beschrijven hoe een mengsel van waterstof en lucht ontbrandt binnenin de verbrandingskamer van een motor.
Verder is het mogelijk om aan de hand van parameterstudies en optimalisatietechnieken de optimale werkingsstrategiën voor een waterstofmotor te bepalen, omdat deze sterk kunnen verschillen van conventionele verbrandingsmotoren.
Predictief verbrandingsmodel
Als het lichtste en meest voorkomende element in het universum is waterstof vrijwel onuitputtelijk. Vermits waterstof sterk verschillende eigenschappen bezit vergeleken met andere conventionele brandstoffen, is het belangrijk een goed begrip op te bouwen van het verbrandingsgedrag.
Tijdens het onderzoek werd een accuraat en robuust predictief verbrandingsmodel ontwikkeld op basis van de huidige literatuur. Het model werd vervolgens gekalibreerd en gevalideerd aan de hand van experimenten die werden uitgevoerd op een testmotor. Vervolgens werd dit predictief verbrandingsmodel geïntegreerd in een volledig motormodel met als doel om de optimale motorinstellingen te bepalen in verhouding tot het motorvermogen, de efficiëntie en de NOx emissies.
Waterstofmotoren, de toekomst?
Een verbrandingsmotor die geen CO2 uitstoot, die een equivalent vermogen levert als zijn dieselvariant en bovendien een hogere efficiëntie haalt. En dit alles met als restproduct enkel water. Het lijkt bijna te mooi om waar te zijn. Als resultaat van mijn onderzoek bepaalde ik werkingsstrategiën die de NOx emissies significant reduceerden (95% t.o.v. dieselvariant), waarvoor zowel het motorvermogen als de efficiëntie hoog bleven. Een waterstofmotor vormt dus een uitstekend alternatief voor de traditionele verbrandingsmotor die gevoed wordt door fossiele brandstoffen.
