Waterstof

Waterstof kan in de mobiliteit op drie manieren worden toegepast:

  • Waterstof als brandstof voor een brandstofcel in een elektrische aandrijving;
  • Waterstof als brandstof voor een verbrandingsmotor;
  • Waterstof als bouwsteen voor synthetische brandstoffen.

De laatste mogelijkheid is reeds in een eerder hoofdstuk besproken. Dit hoofdstuk richt zich op de technologieontwikkeling op het gebied van brandstofcel-voertuigen en H2-verbranding.

Brandstofcel

Brandstofcellen zijn in principe opgebouwd uit twee polen (een anode en een kathode) die van elkaar gescheiden worden door elektrolyt (zie het onderstaande figuur). Waterstof en zuurstof worden afzonderlijk van elkaar aan de brandstofcel toegevoerd. Met behulp van een katalysator wordt de waterstof aan de anode gesplitst in twee waterstofionen en twee elektronen. De elektronen stromen vervolgens via een elektrisch circuit naar de kathode. De protonen en elektronen komen bij de kathode weer samen en reageren daar met de zuurstof tot water (H2O).

Figuur 8: Schematische weergave van een brandstofcel [Wikipedia, 2020]

Figuur 8 Schematische weergave van een brandstofcel [Wikipedia, 2020]

De belangrijkste uitdagingen voor het commercialiseren van brandstofcellen in mobiliteit en het concurreren met bestaande en alternatieve technologieën zijn de huidige hogere meerkosten van het voertuig, de levensduur en het rendement van de brandstofcel. Het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft daarom voor 2025 ambitieuze doelen gesteld voor de levensvatbaarheid van waterstof-voertuigen. De kosten moet dalen, de levensduur en de efficiëntie van de brandstofcel moeten stijgen. Deze doelen zijn ook relevant voor de Europese en Nederlandse markt, omdat Amerika voorloper is op het gebied van waterstof en de toepassing van waterstof in vervoer. Nieuwe generatie katalysatoren, die inzetten op vermindering of vervanging van platina (het duurste component van de brandstofcel), moeten hieraan bijdragen.

Waterstof in de verbrandingsmotor

Behalve waterstof-brandstofcellen, zijn er ontwikkelingen voor de toepassing van waterstof in verbrandingsmotoren. Het gaat voor een groot deel om kleine aanpassingen in de bestaande motortechniek en infrastructuur. Een groot voordeel hiervan is de hoge tolerantie voor de kwaliteit van de gebruikte waterstof (voor de brandstofcel is dit nog vaak de oorzaak van de korte levensduur). Over het algemeen is de toepassing zeer betrouwbaar en vergt weinig onderhoud. Voor de eindgebruiker is waterstofverbranding bovendien een betaalbare verduurzamingsoptie, omdat het geen grote nieuwe investeringen vergt in voertuig en infrastructuur. De opschaling naar groene waterstof is hierdoor waarschijnlijk makkelijker en goedkoper dan met brandstofcellen.

Er zijn meerdere partijen die aan een concrete uitrol van deze technologie werken. De in Duitsland gevestigde start-up Keyou heeft een samenwerking met de grote motorfabrikant Deutz gestart om de technologie breed, in verschillende modaliteiten, toe te gaan passen (zie onderstaande figuur). De technologie is reeds beproefd op een 12 meter bus en laat zien dat de emissies zeer laag zijn (volgens de fabrikant kleiner dan 0,1 gCO2/kWh). Ook de HC, CO, NOx en PM emissies zijn laag (in de orde van 0,01 g/kWh). Het is een definitiekwestie of deze motoren door de wetgevers en de vervoerders daadwerkelijk als nul-emissie aandrijvingen zullen worden gezien. Vooralsnog lijkt dat wel zo te zijn en lijkt er een plaats voor de waterstof verbrandingsmotor te zijn weggelegd [Europese Commissie, 2019]. In Nederland werkt TNO aan deze technologie voor stationaire en mobiele toepassingen, onder andere met motorontwikkelaars en eindgebruikers, onshore en offshore.

Figuur 9: Mogelijke toepassing van Keyou-technologie bij modaliteiten [Keyou, 2020]

Figuur 9 Mogelijke toepassing van Keyou-technologie bij modaliteiten [Keyou, 2020]

Waterstof als bouwsteen voor synthetische brandstoffen

Dit onderwerp is reeds behandeld in Techniekontwikkeling Waterstof