Varmemotorer

For å få en fullstendig (støkiometrisk) forbrenning mellom luft og hydrogen, er blandingsforholdet 34:1. Det vil si at for hver del hydrogen trengs 34 deler luft. For bensin er dette forholdet 14,7:1. Fordi hydrogen er en gass, opptar den større plass enn for eksempel bensin. Ved blandingsforholdet 34:1 opptar hydrogengassen omlag 30% av plassen i forbrenningskammeret mot omlag 1-2 prosent ved bensindrift. Fordi hydrogen har svært vide antennelsesgrenser, kan hydrogen brennes med blandingsforhold fra 34:1 til 180:1. Det vil si at man kan bruke en svært mager blanding noe som gir muligheter for forbrenningsforhold som gir lav NOx dannelse og høy effektivitet i motoren.

Siden varmemotorer har en lang forhistorie i transportsektoren, innleder vi denne delen med en historisk gjennomgang av varmemotorens utvikling og bruken av hydrogen i denne sammenhengen. Etter dette følger en kort gjennomgang av ulike varmemotorer. For en mer utdypende introduksjon til dette emnet anbefaler vi "The use of Hydrogen in Internal Combustion Engines" (College Of The Desert, 2001).

Kort historikk

Det første kjente forsøket på utvikle en hydrogenmotor ble gjort av Reverend W. Cecil i 1820 og presentert for Cambridge Philosophical Society i en artikkel kalt “On the Application of Hydrogen Gas to Produce Moving Power in Machinery.” Motoren var en vakuummotor der hydrogen/luft blandingen blir brukt til å skape vakuum gjennom ekspansjon og deretter nedkjøling. Motoren var ikke særlig praktisk i bruk selv om den virket som den skulle.

Seksti år etter Reverend W. Cecil arbeidet N. A. Otto med å utvikle en ny type forbrenningsmotor. Otto brukte syntesegass som sannsynligvis hadde et hydrogeninnhold på over 50% under utprøving av motoren. Otto forsøkte også å bruke bensin, men mente det var for farlig å jobbe med. Etter oppfinnelsen av forgasseren ble bensin det foretrukne drivstoffet i ottomotoren som også ofte kalles bensinmotor.

Det første kjente hydrogenkjøretøyet med forbrenningsmotor var Lenoir's Hippomobile fra 1860. I Tyskland ble det før annen verdenskrig konvertert et stort antall biler med forbrenningsmotor av R. Erren. En del av bilene gikk på rent hydrogen, men Erren konverterte også biler som kjørte på hydrogen-bensinblandinger.

Erren skal også ha konvertert lastebiler, busser, ubåter og tog til hydrogendrift. I alt skal det ha blitt konvertert minst 1000 kjøretøy. Enkelte mener at det ble konvertert mellom tre og fire tusen kjøretøy (Hart,1997 og Hoffmann, 2003).

Med utgangspunkt i Errens arbeide konverterte R. Billings en Ford Model A og et par andre kjøretøy i 1966. I løpet av 1970-årene bygget Billings og F. Lynch flere hydrogenkjøretøy, blant annet en Winnebago bobil, en buss samt en Mazda med wankelmotor. Senere konverterte Lynch blant annet en Dodge Pickup 1979 modell som nå har kjørt 200–300 000 km, og arbeidet med konvertering av Ford pickuper til CAN/Xerox-prosjektet. Disse bilene har fungert utmerket og er fremdeles i drift. Lynch har også konvertert et større gruvekjøretøy og en buss.

Videre sto han for utvikling av et konverteringsett til Mercedes Sprinter som ble brukt i det tyske prosjektet Wasserstoff Energie Integration Transport (WEIT). Det ble i dette prosjektet konvertert i alt seks varevogner. To av disse er i dag i Norge og skal brukes i et prøveprosjekt med blant annet Posten, AGA og Bellona. En er i Arizona og har nylig blitt testet av amerikanske myndigheter med godt resultat. Resten av WEIT-varevognene er trolig konvertert tilbake til bruk av fossilt brensel. Mercedes Benz har også gjort noen konverteringer av bensinbiler til hydrogendrift og hatt disse i prøvedrift. Blant annet en varevogn i 1975 og en minibuss. Begge med metallhydridlager.

Det japanske forskningsinstituttet Musashi begynte også å studere bruk av hydrogen i ottomotorer på 70-tallet, og har bygd 10 forskjellige kjøretøy, blant annet to mindre lastebiler. Det siste en stasjonsvogn som ble vist fram under klimakonferansen i Kyoto i 1997. En annen institusjon som har arbeidet mye med hydrogen i forbrenningsmotorer er University of California, Riverside, College of Engineering – Center for Environmental Research & Technology (CE-CERT). Disse har arbeidet med bruk av turboladere, og resirkulering av eksosgass som NOx-reduserende tiltak samt bygget en hybrid. CE-CERT har også bygget en Cobra 1965 Replica som yter 270 hk ved hydrogendrift. Bilen ble bygget spesielt for å sette ny verdensrekord i hastighet med hydrogenkjøretøy.

En annen interessant konvertering i nyere tid er metallhydrid produsenten Ovonics konverterte Toyota prius 2002 modell. Etter det vi kjenner til er det en ny Prius 2004 modell under konvertering i USA.
I Norden har det vært noe begrenset aktivitet til nå. Vi kjenner kun til to konverteringer, svenske Oluf Tegeströms Saab fra 1988 og Det danske folkesenteret for fornybar energi som i juli i 2003 viste fram en Ford Focus som var bygd om til hydrogendrift. Sistnevnte er konvertert til å kunne kjøre både på hydrogen og bensin. Totalt er det konvertert et stort antall kjøretøy til hydrogen etter annen verdenskrig. Det er vanskelig å få en total oversikt over alle konverteringene, men en undersøkelse gjort i 1995 anslo at det var omtrent 50 hydrogenkjøretøy. De fleste med forbrenningsmotor, hvorav 20 fremdeles var i drift. Det er en sterkt økende aktivitet og fokus på dette i USA, blant annet kan vi nevne at staten California har bestilt 30 konverterte biler til SCAQMD prosjektet. Dette prosjektet er beskrevet nærmere senere i rapporten.

Ottomotorer

Det er grovt sett tre måter å konvertere en ottomotor til hydrogen; sentral injeksjon, port injeksjon eller direkte injeksjon. Ved sentral injeksjon sprøytes hydrogen inn ved luftinntaket på inntaksmanifolden med en egnet forgasser. Dette er den enkleste metoden å utføre, men kan gi problemer med uregelmessig forbrenning som kan føre til motorhavari. Ved port injeksjon blir hydrogen sprøytet inn i inntaksportene til hver enkelt sylinder nær innsugningsventilene. Dette regnes som en driftssikker metode. Ved direkte injeksjon sprøytes hydrogen direkte inn i sylinderen etter at inntaksventilen er stengt inn og luft-hydrogenblandingen dannes inne i sylinderen.

Hydrogen i en vanlig ombygd ottomotor vil i utgangspunktet gi litt lavere effekt dersom man ikke bruker en form for overlader eller direkte innsprøytning. En er med andre ord nødt til å ha et høyere innsprøytningstrykk enn ved bensin fordi hydrogengassen tar større plass og fordi man oftest bruker en ekstremt mager blanding. Ved direkte innsprøytning kan man øke motoreffekten ved hydrogendrift. Effekten fra en hydrogen motor med direkte innsprøytning vil typisk være 20% høyere enn en bensinmotor og 42% høyere enn en hydrogenmotor som bruker forgasser (College Of The Desert, 2001). BMW hevder at de oppnår høyere virkningsgrad med hydrogen i ottomotorer enn med bensin (37%) (BMW 2003). Ford rapporterer det samme.

På grunn av den høye temperaturen i en varmemotor kan man få dannet NOx, og motorolje som blir brent i motoren kan gi opphav til CO, CO2 og HC. De sistnevnte er kun tilstede i svært små konsentrasjoner i en normalt fungerende motor.

NOx utslippene er avhengig av flere faktorer, men ved en mager hydrogenblanding, dvs. en blanding med mer luft enn det som er nødvendig for fullstendig forbrenning med hydrogen, er det mulig å redusere NOx-dannelsen betraktelig. Andre metoder for å redusere dannelse av NOx er resirkulering av eksosgass (EGR) eller injeksjon av vann. Det er også mulig å bruke katalysator for å fjerne NOx. Det vanligste NOx tiltaket i hydrogenbiler til nå har vært å bruke en mager blanding, noe som også gir økt virkningsgrad.

Wankelmotorer

Wankelmotorer er en rotasjonsmotor utviklet av F. Wankel. Rotoren er trekantet og rotorhuset ovalt. I 1957 ble den første wankelmotoren prøvekjørt og det ble lagt ned et stort utviklingsarbeid fra mange motorfabrikker. Fordeler med wankelmotoren er at den er lett, har få deler og jevn gange. Det har vært knyttet store problemer til denne motoren, spesielt kan det nevnes store eksosutslipp av hydrokarboner, problemer med tetning mellom rotor og rotorhus, samt lav virkningsgrad. I dag er det kun Mazda som produserer denne motortypen.

En Mazda med wankelmotor ble som tidligere nevnt konvertert av Billings og Lynch på 70-tallet. Mazda har også selv bygget flere prototyper med wankelmotor for hydrogendrift. I 2003 viste Mazda fram en ny hydrogenprototype basert den nye bilmodellen Renesis med wankelmotor.

Diesel

I dieselmotoren er det kompresjonsvarmen som antenner drivstoffet og ikke en elektrisk gnist. Dieselmotoren har høyere virkningsgrad enn ottomotoren, men kan ikke benyttes til hydrogen uten en del endringer. Det må blant annet installeres tennplugger i brennkammeret. Noe arbeid er gjort på dette feltet, blant annet som et arbeidsfelt i HYSOLAR 1992 -1995 og HYPASSE. I sistnevnte prosjekt ble en dieselbuss konvertert til hydrogen. En ombygd dieselmotor er i bruk ved den tekniske høyskolen i Straalsund, men så vidt vi kjenner til bruker denne bare en mindre andel hydrogen.

Turbiner

Gassturbinen utnytter strømningsenergien til forbrenningsgassene. I grunnprinsippet er turbiner en enkel innretning, men i praksis er gassturbiner avanserte maskiner og det er en utfordring å oppnå høy effektivitet, særlig ved lav last. En fordel med turbiner er høy energitetthet.

Turbiner kan drives med hydrogen. I likhet med forbrenningsmotorene er det i turbiner nødvendig å ta hensyn til at det kan dannes store mengder NOx. Innsprøyting av vann, resirkulering av eksosgass eller bruk av katalytisk brenner er teknologier som kan brukes for å redusere eller eliminere dannelse av NOx. Norsk Hydro innehar mye kompetanse på dette området fordi man for noen år siden utredet mulighetene for storstilte hydrogenkraftverk i Norge. I dette tilfellet var det tenkt å bruke en stor andel nitrogen i fødegassen for å holde NOx-dannelsen under kontroll. Det er også en del andre hensyn som må tas ved bruk av hydrogen i turbiner, men i utgangspunktet er hydrogen godt egnet for bruk i turbiner.

Inntil nylig har turbiner stort sett vært beregnet på storskala stasjonær kraftproduksjon og til kjøretøy med svært store effektkrav slik som stridsvogner. Turbiner er også aktuelt til bruk i skip. En del mindre turbiner, såkalte microturbiner, har begynt å dukke opp på markedet, og enkelte bil og buss/lastebilprodusenter ser på bruk av turbiner. Om turbiner har en fremtid i biler som skal produseres i store serier er ikke sikkert. Det ble utviklet prototypebiler med gassturbiner på femtitallet, men disse var for dyre for produksjon.

Stirlingmotor

I stirlingmotoren foregår forbrenningen utenfor motoren og stirlingmotoren er derfor svært fleksibel med hensyn til drivstoff. Stirlingmotoren er i likhet med brenselceller en oppfinnelse som er eldre enn otto- og dieselmotoren. Grunnprinsippene ble vist av R. Stirling allerede i 1816. En ytre forbrenning eller varmekilde varmer opp en arbeidsgass, enten hydrogen eller helium. Den oppvarmede gassen ekspanderer og driver stempler. Arbeidsgassen befinner seg under trykk i et lukket system. Ved bruk av en stirlingmotor der drivgassen er hydrogen som blir brent i en katalytisk brenner er nullutslipp mulig. Stirlingmotorer har ikke spesielt rask oppstartstid. Før en kan starte motoren må arbeidsgassen varmes opp. Det tar ca 16 – 18 sekunder fra en vrir om nøkkelen til motoren går på tomgang. Dersom man skal bruke en stirlingmotor til fremdrift av en bil må man trolig ha en form for hybriddrift med batterier. Det finnes i dag flere produsenter av stirlingmotorer, de fleste er beregnet på natur- og biogass. En trepelletsfyrt stirlingmotor er også på trappene.