Waterstof op ijs, dat is leuk!
Waterstofgebruik in de Tier-3 NextFuel™ -motor benadrukt dat Wabtec een leider is op het gebied van alternatieve brandstoffen
'Eerste brand' op waterstof
Onthoud deze datum: 15 mei 2024.
Op die woensdagmiddag hebben de onderzoeksingenieurs van Wabtec in een testfaciliteit op de hoofdcampus van het Southwest Research Institute (SwRI) in San Antonio, Texas, een 'eerste brand' (d.w.z. verbranding) bereikt in een waterstof-dieselmotor met twee brandstoffen.
Ze introduceerden waterstof in een grootschalige Wabtec Evolution Series Tier 3-motor van 4.500 pk, die een hoofdbestanddeel is van spoorweglocomotiefvloten over de hele wereld (er zijn tegenwoordig enkele duizenden locomotieven met Evolution-motoren in gebruik), en die werkte... binnen de verwachte parameters.
Voor alle duidelijkheid: een interne verbrandingsmotor op waterstof (H₂ ICE) is nog jaren weg. Maar het bereiken van een 'first fire' is een belangrijke eerste stap op die reis en nu dit punt is bereikt, benadrukt de innovatieve geest — en praktische zakelijke aanpak — van Wabtec, aangezien het een leider is in een toch al zuinige spoorwegindustrie op weg naar een netto-nultoekomst.
Een 'diverse' aanpak: motoren met twee brandstoffen
Waterstof als (niet-fossiele) brandstofbron spreekt tot de verbeelding van het goederenvervoer, en van het bedrijfsleven in het algemeen, omdat het koolstofvrij verbrandt. Hoewel het element zelf in overvloed aanwezig is in het universum, zijn grote hoeveelheden 'groene', kostenconcurrerende waterstof en de infrastructuur die nodig is om deze te distribueren dat niet. Het is ook het lichtste element en extreem ontvlambaar, wat unieke ontwerpuitdagingen vormt voor ontwerpers van locomotiefmotoren.
Maar ondanks alle vele unieke eigenschappen van waterstof, denkt Wabtec dat het antwoord om er een productieve, koolstofvrije brandstof van te maken voor bestaande goederenlocomotiefvloten ligt in de overeenkomsten met andere energiebronnen. Anders gezegd, H₂ is een gas en Wabtec weet hoe je gas moet verbranden in een krachtige interne verbrandingsmotor. Beter nog, Wabtec weet hoe hij aardgas moet verbranden in een motor met twee brandstoffen die naar behoefte naadloos kan overschakelen op diesel, iets wat Wabtec al doet in een commerciële omgeving met zijn NextFuel™ -locomotief voor de Florida East Coast Railway.
Dit onderscheid is belangrijk, omdat Wabtec opnieuw efficiënt innoveert en de industrie laat zien dat het niet opnieuw het wiel hoeft uit te vinden om tegemoet te komen aan een opkomende alternatieve brandstofbron. In plaats daarvan wil Wabtec die alternatieve brandstof, in dit geval waterstof, effectief laten werken binnen een bestaand motorplatform dat speciaal is gebouwd voor (brandstof) flexibiliteit, zodat klanten kunnen profiteren van nieuwe brandstoffen zodra ze levensvatbaar worden.
„De verleiding om waterstof en de ontwikkeling van een interne verbrandingsmotor op waterstof te beschouwen als een uitdaging die een radicaal nieuwe aanpak vereist, is groot, maar die hebben we met succes weerstaan door een goede planning en nog betere uitvoering”, zegt Jim Gamble, Vice President, Engine and Power Solutions, Wabtec. „Met onze dual-fuel NextFuel™ -motoren heeft Wabtec onze populaire bestaande dieselmotoren aangepast om a) geschikt te zijn voor alternatieve brandstoffen en b) indien nodig naadloos en automatisch terug te schakelen op diesel.”
Deze benadering van innovatie zorgt ervoor dat de behoeften van spoorwegklanten worden geïntegreerd in emissiereducerende technologieën, met name hun zorgen over de infrastructuur en beschikbaarheid van alternatieve brandstoffen. De successen van Wabtec bij het gebruik van alternatieve brandstoffen in bestaande motoren met de NextFuel-kits, of het nu gaat om LNG, biodiesel of hernieuwbare diesel, stellen vervoerders bijvoorbeeld in staat om tussen brandstoftypen te schakelen, afhankelijk van de situatie ter plaatse. Dat betekent dat wanneer een alternatieve brandstof in een bepaald gebied niet beschikbaar is, of de infrastructuur om die brandstof te leveren niet op een bepaald moment gereed is, diesel de klus nog steeds kan en zal klaren — automatisch en dat allemaal met behulp van één, goed presterende motor.
Dit is met name belangrijk bij de ontwikkeling van waterstofverbrandingsmotoren, waar de bouw van een waterstof-brandstofinfrastructuur zich nog in een net zo vroeg stadium bevindt als de ontwikkeling van de H₂ ICE zelf.
„We hebben uit ervaring geleerd dat het geen goed idee is om te ver te innoveren dan wat onze treinklanten praktisch kunnen gebruiken”, voegt Gamble eraan toe. „Door vooruitgang te boeken in het gebruik van waterstof als brandstof in ons werkende NextFuel-platform, zorgen we ervoor dat de vooruitgang die we boeken, plaatsvindt binnen een leveringsmodel dat de industrie al heeft omarmd en dat gemakkelijk kan worden aangepast.”
Waterstof dichter bij de klant brengen
Wabtec maakt furore op het gebied van waterstoftreinen sinds de aankondiging van grootschalige onderzoeksovereenkomsten met de Oak Ridge en Argonne National Laboratories van het ministerie van Energie. Dit werk was gericht op het testen van verschillende alternatieve brandstoffen, waaronder waterstof, op een Wabtec eencilinder dubbelbrandstoflocomotiefmotorinstallatie in het Oak Ridge Lab.
Parallel aan de oprichting van dit belangrijke testbed daagde het senior management van Wabtec het Engine and Power Solutions-team uit om waterstofonderzoek „dichter bij de klant” en hun dagelijkse ervaring te brengen, waardoor het minder theoretisch werd en iets dat ze konden aanraken en voelen.
Het resultaat was een nieuwe samenwerking met SwRI en een waterstofprogramma dat werd uitgevoerd op een NextFuel Evolution Series Tier 3-motor, vergelijkbaar met de motor die wordt gebruikt bij de Florida East Coast Railway, met aanpassingen voor het gebruik van waterstof als brandstof. Deze tweevoudige motor was een 'natuurlijke' motor voor de eerste waterstoftests, omdat er ook gas, d.w.z. aardgas, werd verbrand, samen met diesel.
Maar afgezien van de overeenkomsten is waterstof geen aardgas. Om te beginnen is waterstof een stuk lichter. Als lichtste element in het periodiek systeem wil het zelfs drie verdiepingen per seconde stijgen. Hoe dat precies van invloed zou zijn op het ontwerp van het brandstoftoevoersysteem van de motor zou moeten worden bekeken. Bovendien is de ontstekingsenergie van waterstof erg laag — veel lager dan bij aardgas — en is het ontvlambaarheidsbereik extreem breed.
Verbranding is belangrijk
Dat gezegd hebbende, is Wabtec begonnen met testen vanuit een sterke positie. Het had zijn Evolution Series Tier 3-motor al aangepast om aardgas te verbranden, waarbij zowel de motor- als de locomotiefhardware werd gewijzigd.
Het doel van Wabtec is om op deze vooruitgang in te spelen en in sommige gevallen een sprong te maken, door de aanpassingen en grotere veranderingen aan te brengen die nodig zijn om waterstof als duurzame brandstofbron te combineren en vervolgens te optimaliseren. Zijn de huidige leidingen en motorarchitectuur bijvoorbeeld voldoende om waterstof, dat 6x lichter is dan aardgas, van de tender naar de verbrandingskamer te voeren? Zou het beter zijn om waterstof rechtstreeks in de verbrandingskamer te injecteren (directe injectie) dan in het inlaatspruitstuk (poortinjectie)?
Deze en honderden andere vragen en variabelen zijn en blijven het onderwerp van uitgebreide tests op zowel de eencilinderinstallatie in het Oak Ridge National Laboratory als de Tier 3 NextFuel-motor bij SwRI.
„Een geweldige voorsprong”
„We bevinden ons op een spannend keerpunt in ons denken over waterstof, waarbij we kunnen overstappen van het theoretische naar het daadwerkelijk testen van onze aannames over echte, krachtige motoren die onze klanten goed kennen en waarop ze vertrouwen”, besluit Gamble. „Door naar onze klanten te luisteren en zich te concentreren op manieren om snel, stapsgewijs en op een zo naadloos mogelijke manier emissiebesparende technologieën te leveren, heeft Wabtec de goederenvervoersector in staat gesteld een aanzienlijke impact te hebben op haar huidige CO2-reductiedoelstellingen.”