Waterstof(auto) en brandstofcellen
2019: De Hesla; de Tesla maar dan op waterstof.
2022: Volkswagen werkt aan een waterstofauto die tweeduizend kilometer kan rijden op een volle tank.
Theorie
25 % van de energiebehoefte gaat naar het verkeer en het vervoer. In auto's zijn batterijen zwaar en hebben een lange laadtijd. Vandaar dat men zoekt naar alternatieven als b.v. waterstof.
Waterstof speelt een grote rol tijdens de Olympische en Paralympische Spelen van Tokyo in 2020. De auto’s die voor de organisatie gebruikt worden, rijden bijvoorbeeld op een H2 brandstofcel. Daarom slaan NOC*NSF en een consortium van zes Nederlandse bedrijven in de energieketen de handen ineen om de duurzame energiedrager onder de aandacht te brengen bij het Nederlandse publiek.
Op 5 kg H2 kan men 800 km rijden ofwel voor 50 euro want 1 kg H2 kost 10 euro. Hiervoor moet een brandstofcel 2x zo effectief zijn als een verbrandingsmotor. 5 kg H2 bij 1000 atmosfeer heeft een volume van 140 liter. 5 kg H2 heeft 70 liter nodig maar vanwege de isolatie e.a. zaken wordt het volume 140 l. De dichtheid van H2 is 70,8 kg / m3 ofwel voor 70 kilo 1000 liter. Vandaar dat de H2 vloeibaar gemaakt moet worden en dus moet worden afgekoeld tot - 253 oC. Dat kost 30 % van de energie-inhoud. Het verdampingsverlies is 0,4 - 4 % per dag. Waterstof is het kleinste molecuul en gaat bijna overal doorheen. Opslaan is moeilijk. 140 liter in je kofferbak is veel. Het gaat ten koste van je kofferruimte. In 3 minuten kan je tank vol zitten.
Auto's op waterstof zijn 3x zo duur als normale auto's. Elektrische auto's 2x zo duur. men hoopt dat elektrische auto's in 2030 goedkoper zijn dan gewone. Wie weet worden waterstofauto's ook ooit veel goedkoper.
Waterstof is geen energiebron maar een energiedrager. Waterstof moet eerst gemaakt worden. Bij de huidige stand der techniek gebeurt dit voor 95% via zgn. reforming van aardgas volgens de reactie:
CH4 + 2H2O + energie –> 4H2 + CO2
Deze methode kost minstens twee keer meer fossiele energie dan waterstof ooit kan opleveren en er ontstaat bovendien extra CO2
De brandstofcel
Om waterstof in te kunnen zetten om energie te leveren heb je een brandstofcel nodig. De levensduur ervan is nog kort en ze zijn peperduur. Meestal gebruikt men de polymeerelectrolyt branstofcel (PEMFC) die het beste werkt bij 80 oC. Zware mechanische overbrengingen in auto's zijn bij elektrisch rijden niet meer nodig. Een joystic kan als stuur dienen. Er zal minder slijtage plaatsvinden en de auto zal lichter worden.
Volkswagen wil een keramisch membraan gebruiken in plaats van het gebruikelijke plastic membraan. Daardoor kan de brandstofcel sneller gestart worden. Bovendien hoeft een keramisch membraan niet nat gemaakt te worden, waardoor het niet bevriest in de winter, uitdroogt in de zomer en geen schimmels op kunnen groeien.
Kosten
Een waterstofauto is drie keer zo duur als een gewone. Een elektrische auto twee keer. Waterstof kost 81 euro per liter maar dit moet naar 10 euro en het kan gemaakt worden voor $ 3 per kg. Een kilo waterstof kost voor zakelijke klanten in 2018 tien euro. Volgens een rapport varieert de kostprijs van een kilo groene waterstof in 2019 tussen € 2,84 en € 3,25 per kilo. Grijze waterstof is beschikbaar tegen een kostprijs van € 1,50.
Op de duurzame energiedrager zit voorlopig geen accijns. Wel komt er voor particulieren nog 21 procent btw bovenop. Die particulieren laten nog wel een tijdje op zich wachten, want waterstofauto’s voor de publieke markt zijn er nog niet. Het energierendement van elektrisch naar waterstof en weer terug is echter niet meer dan 50% en als je daar grijze stroom voor gebruikt wordt het rendement voor het totaal slechts 15 % of nog minder als je waterstof als vloeistof zou moeten transporteren onder extreem hoge druk of extreem lage temperatuur. Dat is erg weinig rendement en mede door de hoge prijs van de brandstofcellen is het concept niet concurrerend met benzine of het gebruik van grijze stroom via accu’s.
Maar stroom uit wind en zon tegenwoordig goedkoper zijn dan uit fossiele bronnen. De energie efficiëntie van de elektrolyse om waterstof te maken kan verbeterd worden tot 70%. Op momenten dat er overmaat groene stroom is kunnen we dan waterstof gaan maken. Het transporteren kan in West Europa na enige aanpassing via aardgasleidingen. In andere delen van de wereld kan waterstof in de vorm van vloeibaar ammoniak via schepen getransporteerd worden. Dat zijn beide vormen van infrastructuur die al bestaan. Ammoniak kan via brandstofcellen weer in elektriciteit omgezet worden.Waterstof kan veilig worden opgeslagen in zoutkoepels.
Tanken
Onze auto’s kunnen of direct waterstof tanken via een gasleiding en via brandstofcellen elektrisch rijden, of de accu’s opladen doordat waterstof via brandstofcellen bij oplaadstations wordt omgezet in elektriciteit. De brandstofcellen zullen snel goedkoper worden, hoewel er nog een achterstand bestaat ten opzichte van de ontwikkeling van steeds betere en goedkopere accu’s.
In 2020 is in Amsterdam een waterstoftankstation geopend voor vuilniswagens op waterstof duurzame afvalinzameling in de regio. De routes van deze waterstoftrucks beginnen en eindigen bij AEB Amsterdam.
Pompstations (ombouwen)
Het ombouwen van drie pompstations kostte 1,8 miljoen euro. Voor 1 vrachtwagen met benzine zijn 19 vrachtwagens watersof nodig. Tankstations hebben wel 1000 kg per dag nodig ofwel 10 leverancies per tankwagen per dag. Dat kan niet dus moet men naar pijpleidingen of men moet het ter plaatse produceren. 2018 In Nederland zijn er 3 pompstations. Het moeten er binnekort 14 worden.
In Duitsland 442 en dat gaat naar 100. In Californie zijn overal waterstofpompstations. Al 4200.
Als waterstof vrij komt, stijgt het meteen op en verdunt. Als het niet genoeg verdunt, reageert het met zuurstof tot knalgas en is explosief. Voor pompstations geldt dezelfde norm als met LPG. Geen tanks in woonwijken.
Goede voorbeelden
Hyundai trekt in 2019 het doek van een emissievrije truck op waterstof. Hiermee versterkt Hyundai zijn positie als een van de koplopers op het gebied van mobiliteit op waterstof. Eerder bracht het Zuid-Koreaanse automerk al twee auto’s op waterstof op de markt.
In 2009 rijden 40 % van de auto's op Ijsland op waterstof (gemaakt uit aardwarmte). In 2050 wil IJsland volledig onafhankelijk zijn van fossiele brandstoffen.
Honda heeft nu (in 2009) een auto op waterstof genaamd de Honda FCX Clarity. In 1999 leverde het eerste prototype 60 kW uit een brandstofcel van 134 liter aan volume en een gewicht van 202 kg. In 2008 levert de Honda FCX Clarity 100 kW uit een brandstofcel van 52 liter aan volume en een gewicht van 67 kg. Achterin zit een tank waarin 171 liter gasvormig waterstof kan worden opgeslagen goed voor 460 km. Topsnelheid 160 km/uur. Om 2018 kwam de Mirai uit. Kost € 80.000. De Hyundai NEXO kost € 70.000. Zie hierOp een kleine windmolen van 2 MW kunnen 200 auto's rijden.
Hoe waterstof gaat helpen in de energietransitie staat hier
Staalfabriek op waterstof uit duurzame energie.
Op dit moment worden kolen en cokes gebruikt om ijzererts tot ijzer te reduceren. Hybrit wil in Zweden hiervoor echter waterstof gebruiken, dat geproduceerd wordt met elektriciteit uit fossielvrije bronnen. De uitstoot bestaat dan uit water in plaats van CO2. In 2035 wil men de hele staalfabricage op waterstof hebben.
Waterstof en warmtenetten
De inzet van waterstof bij
- blokverwarming, zoals bij een flatgebouw,
- de inzet van een waterstofketel als primaire voeding voor een warmtenet,
- een waterstofketel gecombineerd met geothermie en
- een warmte-krachtkoppeling gecombineerd met een waterstofpiekketel.
Berenschot concludeert dat alle cases op termijn rendabel zijn, als er blauwe waterstof wordt ingezet; bij casus één en drie is die rendabiliteit er nu al. Groene waterstof is voor deze twee cases in 2030 rendabel.
Blauwe waterstof is klimaatneutraal en ontstaat als de CO2 die vrijkomt bij de verbranding van aardgas, wordt afgevangen en opgeslagen in bijvoorbeeld lege gasvelden. Groene waterstof is de duurzaamste variant en ontstaat als elektriciteit uit zonne-energie of windenergie gebruikt wordt om via elektrolyse water te splitsen in waterstof en zuurstof.
Waar kunnen we waterstof voor gebruiken?
Transport
In Breda rijden voertuigen van de gemeente op waterstof. In Noord-Holland een vrachtwagen, Toyota heeft een schip ontwikkeld op waterstof. De brandstof wordt gewonnen uit zeewater. De Sloveense vliegtuigfabrikant Pipistrel heeft een klein vliegtuigje voor vier personen ontwikkeld wat op waterstof vliegt.
Openbaar Vervoer
Het openbaar vervoer in Groningen wordt deels aangedreven door waterstof. In Duitsland rijden sommige treinen er op.
Omzetten naar energie
Het Nederlandse bedrijf Nedstack produceert sinds 2007 brandstofcellen waarbij waterstof omgezet wordt naar energie. Bij een fabriek van Akzo Nobel in Delfzijl staat een installatie van Nedstack die energie uit het gas haalt.
Verwarming op waterstof
In Rotterdam experimenteert netbeheerder Stedin met het verwarmen van huizen door middel van de energiedrager. Via het gasnet wordt het gas naar een centrale ketel getransporteerd, die vervolgens de huizen verwarmt. Volgens onderzoeksbureau Berenschot kan waterstof het verduurzamen van het warmtenet versnellen.
Vrachtwagen op waterstof
Hij heet de DHC-6-Neptune van Hyundai. De nieuwe vrachtwagen zal volledig op waterstof rijden en uiteindelijk in 130 landen te koop zijn. Het is de ambitie van Hyundai om de groenste autofabrikant te worden.
Uniek design
Het bijzondere design van de nieuwe vrachtwagen heeft het model niet alleen te danken aan het feit dat het een conceptmodel is. Doordat er waterstoftechnologie gebruikt wordt, konden de designers het conventionele design van een vrachtwagen achter zich laten. Designers lieten zich voor het nieuwe ontwerp inspireren door steamliner railway trains die van 1936 tot 1959 rondreden.
Ook anderen zijn bezig.
De hydride elektrische waterstofauto (2021)
Hyundai heeft als demonstratie een auto op waterstof gemaakt combineert met batterijen. De combi zorgt voor 500 kilowatt aan vermogen (ongeveer 690 paardenkrachten) en de grote range. En als de batterij leeg is, kun je simpelweg in een paar minuten waterstof tanken waarna de batterij geleidelijk oplaadt met de energie uit de waterstof.