Rijden op waterstof: Brandstofcel heeft toekomst

Yamaha, Kawasaki en enkele automerken werken samen aan waterstoftechnologie, terwijl de politiek zich juist op elektrisch richt. In het vorige artikel hebben we uiteengezet waarom waterstof een goed en belangrijk alternatief is. De vraag is nu, hoe rijd je eigenlijk op waterstof!

Auto- en motorfabrikanten zien ‘Battery Electrical Vehicles’ alleen als oplossing voor kleine voertuigen en korte afstanden. Lithium-accu’s hebben een goed rendement, 85% van de energie die je erin stopt, haal je er ook weer uit. Maar voor grote voertuigen en voertuigen met een groot actieradius heb je grote accupakketten nodig. Grote accupakketten zijn zwaar. Hoe zwaarder het voertuig, hoe meer energie het accelereren kost en hoe groter de rolweerstand is. Je gaat dus steeds meer energie stoppen in het transporteren van je energiedrager. En dat is een slechte zaak, want hernieuwbare energie is schaars. Het afgelopen jaar is er in Nederland weliswaar 36% meer zonne-energie en 25% meer windenergie geproduceerd (Bron: CBS), maar 36% en 25% van weinig is nog steeds bijna niets. In totaal is het aandeel zonne- en windenergie nog altijd maar 9.

Motormerken investeren in waterstof: De strijd der energiedragers

Rendement

Of de elektriciteit nu uit een hernieuwbare bron komt of niet, in beide gevallen is het belangrijk om er zo efficiënt mogelijk mee om te gaan, ofwel omdat het beperkt beschikbaar is, ofwel omdat het CO₂-uitstoot veroorzaakt. Dus moet je niet klakkeloos alles batterij-elektrisch maken. Je moet ook afwegen of er voor bepaalde toepassingen betere alternatieven of energiedragers zijn. Alternatieven waarmee je dus meer kilometers haalt uit de beschikbare energie. Zoals waterstof. Dat kun je via elektrolyse maken uit water en elektriciteit. Je zet dan – net als in een accu – elektrische energie om in chemische energie. Dat proces heeft een rendement van ongeveer 70%. Wanneer waterstof onder hoge druk – doorgaans 350 tot 700 bar – opslaat, heeft het een zeer hoge energiedichtheid. Je hebt er wel grote, stevige tanks voor nodig, maar die kunnen tegenwoordig van het lichte carbonfiber worden gemaakt. Voor meer actieradius hoeft het gewicht dus niet veel te stijgen, bovendien kun je het in een paar minuten tanken, waardoor het ook niet erg is als je onderweg moet tanken. Dat kost ongeveer 10 euro per kg, goed voor een kostenpost van ongeveer 10 cent per km.

Verbrandingsmotor

Waterstof is het kleinste atoom dat er bestaat. Als vrij atoom komt het niet voor, als je het over de waterstof in je gastank hebt, heb je het over een molecuul dat bestaat uit twee waterstofatomen: H₂ dus. Dat spul reageert heel graag met zuurstof, dat in de natuur ook alleen als O₂ voorkomt. In formule: 2H₂ + O₂ = 2H₂O, dus als het reageert vormt het water. Dat kan op meerdere manieren. Een van de meest voor de hand liggende is ‘aansteken’. Een mengsel van waterstof en zuurstof in een verhouding 2:1 wordt knalgas genoemd. Dat doet wat de naam belooft: het is behoorlijk explosief. In buitenlucht zit al 21% zuurstof, dus kun je dat proces gewoon met buitenlucht laten plaatsvinden. Dat maakt het in theorie heel geschikt om het in een verbrandingsmotor te verbranden: ‘Het lijkt wel wat op LPG’, vertelt Menno Merts van de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen, waarvan de opleiding Autotechniek al tien jaar geleden een Subaru Impreza Rally op waterstof had omgebouwd. ‘Je hebt er een drukregelaar en speciale injectoren voor nodig. Daarmee krijg je het draaiend. Maar om het goed draaiend te krijgen, is een heel ander verhaal. Waterstof verbrandt sneller dan benzine, dus je hebt er een andere kleptiming en een andere ontstekingskarakteristiek voor nodig. Het is ook gevoeliger voor restenergiebronnen, zoals hete kleppen of gloeiende koolaanslag. Het is ook gevoelig voor backfire. En dan heb je ook nog iets vermogensverlies, maar een motorblok kan er goed op lopen’. Dat bewees ook BMW al in 2006, toen ze een 7-serie met verbrandingsmotor op waterstof hadden. Deze had een 6.0 liter V12 met directe injectie, die 260 pk leverde.

Stikstof

Het voordeel van een verbrandingsmotor op waterstof is, dat je ook altijd nog op benzine kunt rijden als er op je route geen waterstoftankstation is. Dat is handig in de aanloop naar een waterstofeconomie. Maar voor de lange termijn is dit niet de beste oplossing. Een verbrandingsmotor heeft een rendement van 20% tot 40%, afhankelijk van het toerental, de belasting, de kwaliteit en het verbrandingsproces (compressieontsteking of vonkontsteking). Je combineert dan dus het slechte rendement van de verbrandingsmotor met het lagere rendement van de waterstofopwekking. Een ander probleem zijn de emissies: waterstof verbrandt weliswaar tot water, maar bij hoge temperaturen kunnen er bij een arm mengsel – net als bij benzine en diesel – ook NO en NO₂ ontstaan door verbranding van stikstof uit de lucht. Lucht bestaat immers voor 79% uit stikstof. Stikstofmonoxide is een giftig gas dat zich aan de hemoglobine in het bloed kan hechten en een verlamming van het centrale zenuwstelsel kan veroorzaken. Samen met onverzadigde koolwaterstoffen heeft het een smogvormende werking. Stikstofdioxide of NO₂ is een scherp gas dat een etsende werking op het longweefsel heeft. NO₂ heeft bovendien een Global Warming Potential van 298. Dat wil zeggen dat het 298 maal zoveel effect op Global Warming heeft dan CO₂.

Brandstofcel

Is er een betere manier om de energie weer uit waterstof te krijgen? Jawel, de brandstofcel. Zo’n ding lijkt wel wat op een accu. Er zitten geen bewegende delen in, je voert waterstof en lucht toe en er komt water en elektriciteit uit. Dat werkt – net als bij een batterij – met een pluspool (kathode) en een minpool (anode). De anode is een metalen plaat met een labyrint van kanalen. Daar stroomt waterstofgas door. De kathode heeft ook zo’n labyrint, waar lucht doorheen wordt gepompt. Zowel de anode als de kathode is voorzien van platinadeeltjes. Het platina aan de anode fungeert als katalysator en ontleedt waterstofgas in negatief geladen elektronen en positief geladen ‘protonen’. (2H₂ = 4H⁺ + 4e^–). Tussen de anode en kathode zit een membraan van een speciale kunststofpolymeer. Wanneer dit membraan vochtig is – waarvoor een aparte bevochtigingspomp nodig is – kan het protonen naar de kathode geleiden. Aan de kathode zorgt het platina dat de protonen met zuurstof uit de in de brandstofcel gepompte lucht tot water reageren. Maar daarvoor zijn elektronen nodig. (O₂ + 4H⁺ + 4e^– = 2H₂O). Het membraan laat wel protonen, maar geen elektronen door. Zo ontstaat er een spanningsverschil van 0,5 (belast) tot 1 Volt (onbelast) tussen de negatief geladen anode en de positief geladen kathode.

Opslag

Door meerdere anode-kathodecombo’s op elkaar te stapelen ontstaat een zogenaamde ‘stack’, oftewel een brandstofcel met een hoog voltage, net als wanneer je een aantal batterijen in serie schakelt. Een brandstofcel heeft een rendement dat tussen de 40% en 60% ligt; veel beter dus dan een verbrandingsmotor op waterstof. Reken je het rendement van de fabricage van waterstof mee (70%), dan ligt het totale rendement rond de 35% en dat lijkt een stuk slechter dan bij een BEV, want accu’s hadden een rendement van 85%. Maar dat is alleen zo als de zonne- of windenergie direct in de auto- of motoraccu’s wordt geladen. Wanneer die energie eerst in ‘opslag in de wijk-accu’s’ wordt bewaard en daarna via omvormers in de auto- of motoraccu’s worden overgeladen, daalt ook dat rendement flink. Het grote probleem was het energieverlies door het rijden met zware accupakketten, waardoor het rijden op waterstof vanaf een bepaald formaat voertuig toch rendabeler is. 

Rijden op waterstof

Een brandstofcel komt langzaam op gang, het vermogen dat deze levert ijlt langzaam na wanneer je de waterstoftoevoer verandert. Dat maakt de brandstofcel in zijn eentje ongeschikt voor een voertuig, dat zeer wisselende belastingen kent. Er is dan ook een buffer nodig, van waaruit de wisselende vermogensvraag kan worden gevoed. Oftewel, er is een accu nodig. De accu helpt bij het topvermogen, als je accelereert of een helling op rijdt. De actieradius komt uit de brandstofcel. Die hoeft dus in theorie slechts een fractie meer vermogen te leveren dan nodig is voor een constante kruissnelheid. Het overschot gebruikt hij om de accu op te laden. Dan wordt het vraagstuk hoe groot de afzonderlijke energiebronnen echt moeten zijn en wanneer je welke energiebron moet gebruiken. Dat hangt uiteraard weer sterk af van het gebruik van een voertuig. ‘Dat vermogen bestaat uit twee parameters: het gemiddelde en de variatie daarop’, stelde Edwin Tazelaar in 2013 al tijdens een congres van de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen, waar hij op dit onderwerp was afgestudeerd. ‘Normaal wordt de waterstofcel zo gedimensioneerd dat die het gemiddelde vermogen levert, de batterij de rest. Wij hebben gekeken welke verhouding de beste state of charge van de batterijen en het laagste brandstofverbruik oplevert. Volgens ons is het beter om ook een fractie van de variatie bij het vermogen van de brandstofcel te nemen, dan haal je het laagste brandstofverbruik en is het mogelijk een 14% kleinere batterij te gebruiken.’ Dat is gunstig, omdat kleine batterijen minder wegen en er wellicht dus ook niet genoeg grondstoffen zijn om elk vervoermiddel van grote accupakketten te voorzien.

Redactie Motor.NL kiest motor van het jaar 2021

Plug-in

Er is nog een andere optie: je kunt toch een iets grotere accu nemen en die thuis aan de stekker opladen, zodat je de kleine afstanden puur op de accu kunt doen, wat dus een groter rendement heeft dan alles op waterstof. Je hebt dan een plug-in -brandstofcelvoertuig. De brandstofcel zie je dan puur als range-extender. Via routeplanning kun je het gebruik daarvan op langere afstanden optimaliseren: je kunt ervoor zorgen dat de brandstofcel onderweg precies genoeg bijlaadt om de eindbestemming met net-niet lege accu’s te halen. Zo optimaliseer je het rendement. Wijzig je onderweg je route of bestemming, dan gooit dat geen roet in het eten. Wel waterstof, maar dat is niet erg voor het milieu.