Is waterstof de ideale brandstof voor onze wagens?

In de race om het verbruik en de CO2-uitstoot te verminderen, lijken elektrische auto’s de beste papieren te hebben. Sommige mensen zijn echter van oordeel dat waterstof een nog veel betere oplossing zou zijn. Wat is daar van aan en wat biedt de toekomst? Focus op een enigszins miskende technologie ...

Met een marktaandeel van meer dan 90% zijn benzine en diesel de brandstoffen die in België het meest worden gebruikt in onze voertuigen (bron: Febiac). Hybride aandrijvingen en auto’s op aardgas en elektriciteit nemen de rest voor hun rekening. Plug-inhybrides en elektrische auto’s winnen de jongste maanden echter snel terrein.

Wat met waterstof in dit verhaal? Momenteel stelt deze brandstof bij ons weinig of niets voor. Een beetje normaal, aangezien waterstoftankstations weinig talrijk zijn, net als de beschikbare automodellen overigens ... Het zijn er welgeteld twee: de Hyundai Nexo en de Toyota Mirai (onlangs vernieuwd).

Vanwaar dit schamele aanbod? Waarom voorspellen sommigen een mooie toekomst voor deze brandstof, terwijl anderen ze categoriek afwijzen? Wij gaan op zoek naar antwoorden.

‹

›

Wat is waterstof eigenlijk?

Waterstof is het meest voorkomende chemische element in het universum. Het gaat om een enkelvoudige, gasvormige stof die onder meer in water zit. Toch komt waterstof niet in geïsoleerde vorm voor, maar vormt het verbindingen. Om waterstof aan te maken, zijn chemische processen nodig om de andere elementen ervan te scheiden.

Hoe wordt waterstof geproduceerd?

Wat je nodig hebt, zijn een waterstofbron en een energiebron. Waterstof kan geproduceerd worden door “stoomreforming” van aardgas, elektrolyse van water, vergassing en pyrolyse van biomassa (groenafval of huishoudelijk afval), door de thermochemische ontbinding van water of nog op basis van algen of bacteriën.

In vergelijking met fossiele brandstoffen en groene energiebronnen vertoont de productie van waterstof een erg wisselende CO2-voetafdruk en impact op het klimaat. Dat is dan ook een van de argumenten die tegenstanders van waterstof vaak gebruiken.

Een positief voorbeeld komt dan weer uit Zwitserland, dat zijn elektriciteit onder andere uit waterkrachtcentrales haalt. Daar wordt door elektrolyse waterstof geproduceerd en met tankwagens getransporteerd naar bevoorradingsstations.

Transport en opslag van waterstof: de achillespees

Omdat waterstof lichter is dan lucht, neemt het ook veel meer plaats in: in gasvorm en bij atmosferische omstandigheden is dat 12 m3 voor één kilogram. Wil je waterstof opslaan, dan moet je het dus comprimeren (van 200 tot 700 bar). Maar dan nog heb je het equivalent van 20 vrachtwagens nodig om dezelfde hoeveelheid brandstof te vervoeren als met één benzinetankwagen.

Bijkomende vraag met dit uiterst vluchtige gas is het risico op lekken. Elke stap (van de productie tot het vullen van de auto) vergt een hoop technologie en veel zorgvuldigheid. Kortom, het is allemaal niet zo simpel als wat we gewoon zijn wanneer we onze tank volgooien met benzine of diesel!

Hoe werkt een auto op waterstof?

In het Nederlands heeft men het over ‘brandstofcel’, in het Frans over ‘pile à combustible’ of ‘pile à hydrogène’ en in het Engels is dat een ‘fuel cell’. Verschillende aanduidingen voor hetzelfde.

Verder beschikt de auto over één of meerdere tanks die waterstof (onder druk) kunnen opslaan. Tanken gebeurt bij een speciaal pompstation (zie verder). De waterstof wordt dan omgevormd tot elektriciteit door de brandstofcel en de elektrische energie wordt opgeslagen in een bufferbatterij.

Vanaf dat moment is de auto eigenlijk een gewone elektrische wagen met één of meerdere motoren die de wielen aandrijven. Het voordeel om de elektriciteit op die manier op te wekken, is het grote rijbereik (van 400 tot 700 km, afhankelijk van het model). Een ander voordeel is dat het tanken minder dan 5 minuten in beslag neemt! Ter vergelijking: je hebt minstens 30 minuten nodig om de batterij van een elektrische auto tot 80% op te laden aan een snellader – en ettelijke uren aan een gewoon stopcontact.

Hoe werkt een brandstofcel?

Een waterstofatoom bevat positieve ionen (protonen) en negatieve elektronen. Zuurstof (O2) wordt via de kathode toegevoerd en trekt de waterstofatomen (H2) aan die via de anode worden toegevoerd.

In de cel worden deze twee stoffen gescheiden door een membraan. Met behulp van een katalysator wordt de waterstof (H2) aan de anode gesplitst in twee protonen en twee elektronen. De elektronen stromen vervolgens via een elektrisch circuit naar de kathode: dit is de elektrische stroom, die gebruikt kan worden om bijvoorbeeld een elektromotor aan te drijven. De protonen stromen door de elektrolyt naar de kathode.

De protonen en elektronen komen bij de kathode weer samen en reageren daar met de zuurstof (O2) die bij de kathode wordt ingevoerd. Daarbij ontstaat water (H2O). Naast elektriciteit is water het enige product dat door de brandstofcel wordt aangemaakt. Uiteindelijk verdwijnt dit gewoon via de uitlaat.

Nog altijd vrij onbetaalbaar

Het gebruik van waterstof om elektriciteit te produceren is niet nieuw. We kunnen ons nog onze eerste tests herinneren op het eind van de jaren 90 met een Opel Zafira1 en een Santa Fe (Hyundai) en met een F-Cell A-Klasse (Mercedes) in 2002. In die tijd dachten velen dat de brandstofcel rond 2010 (en ten laatste in 2015) helemaal zou doorbreken en in 2020 gemeengoed zou zijn …

Vandaag is de waterstoftechnologie helemaal gebruiksklaar. Auto’s op waterstof zijn doeltreffend, veilig en veel betrouwbaarder dan vroeger. Hun prijs blijft echter torenhoog en zowat onbereikbaar voor de particuliere automobilist. De grote Hyundai Nexo SUV kost om en bij de € 82.000 en de nieuwe Toyota Mirai € 63.920 (weliswaar ruim € 15.000 minder dan de vorige generatie!).

Kortom, het zal nog wat tijd kosten en de komst van (met name Chinese) concurrenten om een prijszetting te krijgen waarmee waterstofauto’s kunnen wedijveren met de huidige elektrische auto’s.

Het bevoorradingsprobleem

In België zijn er momenteel slechts 3 waterstoftankstations: eentje in Zaventem van Air Liquide en twee Dats 24-stations van Colruyt (in Halle en in Haasrode). De Belgische retailergroep gelooft rotsvast in deze brandstof en voorziet voor dit jaar nog eens 4 extra tankstations: in Erpe-Mere (Aalst), Wilrijk (Antwerpen), Herve (Luik) en Ollignies (Lessines). Hoopgevend is dat waterstof wel eens een revolutie zou kunnen ontketenen in de transportsector (zie verder).

Elders in Europa is het vooral Duitsland dat enorm investeert in waterstof, met een honderdtal tankstations. Op ruime afstand gevolgd door Nederland, Oostenrijk en Denemarken, met telkens minder dan 10 tankstations. Kortom, met een brandstofcelauto kan je vooralsnog niet op je gemak door Europa reizen, en al helemaal niet naar het zuiden.

Wat zijn de prijzen voor deze brandstof? In België kost waterstof € 9,9/kg. Zo kan de Toyota Mirai bijvoorbeeld 650 kilometer afleggen met de 5,6 kilo waterstof in zijn tanks. Dat is gelijkwaardig aan wat een (grote) berline op benzine zou kosten.

Waterstof voor vrachtwagens?

Het distributienetwerk, de prijs van de wagens, het vullen van de tanks, … Het zijn allemaal zaken die de ontwikkeling van deze technologie vertragen. Toch is er een sector waar waterstof en de brandstofcel wel eens voor een doorbraak zouden kunnen zorgen: de vrachtwagensector. Het “zware” wegtransport gebruikt haast uitsluitend diesel als brandstof en stoot enorme hoeveelheden broeikasgassen en luchtvervuilende stoffen uit. Logisch dat een aantal grote bedrijven daar iets aan willen doen en belangstelling hebben voor deze technologie.

Zo experimenteert Hyundai in Zwitserland met een vloot vrachtwagens, XCient genaamd (30 tonners). Waarom Zwitserland? Vanwege de hoge belastingen (LSVA) die er geheven worden op het zwaar vervoer en die niet gelden voor ‘zero emission’ vrachtwagens. De kostprijs per kilometer van een vrachtwagen met brandstofcel is dan zowat gelijk aan die van een klassieke dieselvrachtwagen. De XCient-vrachtwagens zijn voorzien van twee brandstofcellen van elk 95 kW. De waterstoftanks van 32 kg maken het mogelijk om 400 km ver te rijden (volgens gegevens van de Koreaanse constructeur).

Gezien de omvang van de vrachtwagen gaan we ervan uit dat de waterstoftanks zowat in grootte zullen verdubbelen om een enigszins aanvaardbaar rijbereik te krijgen voor dit type van transport. Het experiment is in juli jongstleden van start gegaan. Andere constructeurs lijken bijzonder gecharmeerd door de perspectieven die de waterstoftechnologie te bieden heeft.

Een andere interessante piste is die van het openbaar vervoer. Zo ontwikkelde de Belgische firma Van Hool een brandstofcelbus. Al een paar jaar lopen er experimenten in real life, zoals in Pau of Keulen.

Conclusie

Waterstof is geen mirakeloplossing, maar is ook geen technologie die we zomaar opzij kunnen schuiven. Het “grote” probleem van waterstof zit hem inderdaad in de productie en het transport ervan. Als waterstof geproduceerd wordt op basis van hernieuwbare energie, is dat natuurlijk een grote troef. Waterstoftechnologie is misschien ingewikkelder dan wat we gewend zijn bij brandstoffen als benzine of diesel, maar het opslaan van waterstof kan een oplossing zijn voor elektriciteitsschaarste en een alternatief voor batterijen.

Een groter rijbereik en een pak sneller tanken: dat zijn de grote troeven van de waterstofauto. Bovendien is het een bewuste keuze op het vlak van bevoorradingszekerheid. Met uitzondering van waterkrachtcentrales zijn andere hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind discontinu. En daar kan waterstof juist een belangrijke rol spelen als buffer tussen energieproducent en eindgebruiker.

Wist je dat ...

... BMW ooit rechtstreeks waterstof verbrandde in zijn motoren?

De BMW “Hydrogen7” werd voor het eerst voorgesteld in 2006 op het Salon van Los Angeles. De auto reed zowel op loodvrije superbenzine als op waterstof. Omdat er nog geen sprake was van een brandstofcel, werd als brandstof waterstofgas gebruikt.

Het model was gebaseerd op de 760Li. Het rijbereik was beperkt tot 200 km met een volle waterstoftank (plus 500 km op benzine). Het project werd uiteindelijk stopgezet omdat er enkel grote motoren gebruikt konden worden en er te weinig tankstations waren. BMW heeft het model in 2009 van de markt gehaald en is volledig gestopt met de ontwikkeling van motoren op waterstof.