Hoe mooi zou het zijn om auto’s op waterstof te laten rijden dat in de auto zelf wordt gemaakt, uit gewoon water? Het idee van auto's die op water rijden, fascineert velen en roept vragen op over de haalbaarheid en de technologie erachter. In dit artikel duiken we diep in de wereld van auto's op waterstof, van de basisprincipes van waterstofproductie tot de voor- en nadelen van waterstofauto's.
Toyota Mirai: Een voorbeeld van een waterstofauto.
De Basisprincipes: Waterstof en Elektrolyse
Om te begrijpen hoe een auto op waterstof kan rijden, is het essentieel om de basisprincipes van waterstof en elektrolyse te kennen. Waterstof (H2) is het lichtste chemische element op aarde en het meest verspreid in het heelal. In tegenstelling tot winbare brandstoffen zoals steenkool, olie en aardgas, is waterstof niet zomaar uit de bodem te halen. Je moet het eerst maken.
Een van de manieren om dat te doen is door middel van elektrolyse. Dit is een proces waarbij water (H2O) wordt omgevormd in waterstof (H2) en zuurstof (O2). Waterstof mag daarom, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen, niet worden beschouwd als een energiebron maar alleen als een energiedrager. De energie die vrijkomt bij een reactie in een brandstofcel gebruikt men vervolgens om een auto in beweging te brengen.
Schematische voorstelling van het elektrolyse proces.
Lees ook: Hoe auto afschrijving berekenen?
Hoe Werkt een Waterstofauto?
Om maar meteen met de deur in huis te vallen: een waterstofauto ís een volledig elektrische auto. De wielen worden aangedreven door een of meerdere elektromotoren. De elektrische auto zoals we die kennen slaat de elektriciteit op in een groot accupakket. Een waterstofauto haalt zijn energie uit waterstof. Niet door het te verbranden, maar door een chemische reactie waarbij energie in de vorm van elektriciteit vrijkomt.
Simpel gezegd: de brandstofcel van de waterstofauto zet de getankte waterstof met zuurstof uit de lucht om in water en elektriciteit. Vervolgens wordt deze elektriciteit gebruikt om de elektromotor van de waterstofauto aan te drijven.
Onder de motorkap ligt een zogenaamde brandstofcel. Deze laat waterstof uit de opslagtanks onder de auto gecontroleerd reageren met zuurstof uit de buitenlucht. Er vindt dan een omgekeerd proces plaats: de zuurstof en het waterstof vormen weer water.
Waterstof tanken is het best te vergelijken met het tanken van LPG. Het vulpistool van het waterstoftankstation wordt op de aansluiting van de auto geplaatst en vergrendeld door de hendel in te knijpen. Wanneer vergrendeld, zal het tankstation de verbinding testen en vervolgens begint het tanken van waterstof. Waterstof tanken duurt minder lang dan een accubatterij opladen en daarna kun je weer honderden kilometers vooruit.
De Brandstofcel Uitgelegd
Brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen die chemische energie van een doorgaande reactie direct omzetten in elektrische energie. De chemische energie hoeft dus niet eerst omgezet te worden in thermische energie en mechanische energie, waardoor er nauwelijks verliezen optreden en de brandstofcel op een hele efficiënte manier energie opwekt. In de cel vindt een redoxreactie plaats.
Lees ook: Vind de perfecte autodealer in Huizen
Waterstof en zuurstof worden afzonderlijk van elkaar aan de brandstofcel toegevoerd. Het waterstof bij de anode en het zuurstof (oxidator) bij de kathode. In de cel worden deze twee stoffen door een membraan gescheiden. Met behulp van een katalysator wordt het waterstof (H2) aan de anode gesplitst in twee H+-ionen (protonen) en twee elektronen (e-). De elektronen stromen vervolgens via een elektrisch circuit naar de kathode: dit is de elektrische stroom die gebruikt kan worden om bijvoorbeeld een elektromotor mee 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 het zuurstof (O2) die bij de kathode wordt ingevoerd. Daarbij ontstaat water (H2O).
Een enkele brandstofcel levert in theorie een spanning van ongeveer 1,20 volt, maar in de praktijk ligt die spanning veel lager; tussen de 0,5 en 0,8 volt. Om de spanning te verhogen worden de afzonderlijke cellen op elkaar gestapeld en in serie geschakeld.
In brandstofcellen zijn hogere rendementen mogelijk dan in gewone verbrandingsmotoren of stoommachines doordat de energieomzetting niet verloopt volgens de Carnotcyclus. Bij de laatste stap treden als gevolg van de tweede hoofdwet van de thermodynamica noodzakelijkerwijs grote verliezen op, doordat altijd maar een deel van de warmte in arbeid kan worden omgezet. Bij brandstofcellen is dit niet het geval.
Toch treden er ook in brandstofcellen omzettingsverliezen op; een typische brandstofcel van 0,7 volt heeft een rendement van ca. 60 procent.
De Geschiedenis van de Brandstofcel
Het werkingsprincipe van de brandstofcel werd in 1838 ontdekt door de Zwitserse wetenschapper Christian Friedrich Schönbein die zijn bevindingen een jaar later publiceerde in één van de wetenschappelijke tijdschriften uit die tijd.
Lees ook: Elektrische Auto Pechhulp
Toen de Britse natuurkundige Sir William Robert Grove het artikel van Schönbein las, besefte hij dat de Zwitser een omgekeerde elektrolyse had uitgevoerd. Grove maakte vaker waterstof voor zijn experimenten door elektriciteit door water te voeren, dat daarop splitst in waterstofgas en zuurstof. Schönbein had daarentegen waterstof en zuurstof samengevoegd, waarbij juist elektriciteit vrijkwam.
Grove bedacht een manier om die ontdekking op een praktische manier te benutten en kwam in 1843 met de eerste galvanische gasbatterij: een aantal buizen met waterstofgas en zuurstof die samen met enkele andere stoffen ongeveer 36 uur lang stroom produceerden. Deze batterij was de voorloper van wat nu de brandstofcel heet.
In 1932 pakte Francis Thomas Bacon (1904-1992) en zijn groep op Cambridge het onderzoek naar de brandstofcel weer op. In 1959 demonstreerden ze hun brandstofcel van vijf kilowatt met een efficiëntieniveau van 60 procent. De cel gebruikte waterstof met een basische elektrolyt. De elektroden waren gemaakt van poreus nikkel, een goedkope metaalsoort.
Rond deze tijd was ook de ruimtewedloop in volle gang en voor het Apollo-programma was de NASA op zoek naar efficiënte elektriciteitsbronnen met een hoog rendement. De alkalinebrandstofcel van Bacon was uiterst geschikt vanwege zijn hoge rendement en kleine massa en met zuiver water als afvalstof kon hij daarnaast voor drinkwater zorgen.
De namen van de verschillende soorten brandstofcellen zijn gebaseerd op het materiaal van de gebruikte elektrolyt.
Locaties van waterstoftankstations in Nederland.
Voordelen van Waterstofauto's
- Snel tanken: Een waterstofauto kun je in enkele minuten voltanken, zoals een benzine- of dieselauto.
- Grote actieradius: De actieradius van een waterstofauto ligt vaak dicht bij die van een benzineauto en daarmee hoger dan die van de gemiddelde elektrische auto.
- Geen schadelijke uitstoot: Er komen geen schadelijke stoffen vrij. De enige uitstoot die er is, is waterdamp.
- Stil: Door het ontbreken van mechanische delen in de brandstofcel is de aandrijving stil. Het enige geluid is afkomstig van de elektromotoren.
Nadelen van Waterstofauto's
- Kosten: Zowel de Hyundai Nexo als de Toyota Mirai zijn ongeveer tweemaal zo duur als een vergelijkbare auto met verbrandingsmotor en ook fors duurder dan vergelijkbare elektrische auto’s.
- Energie-efficiëntie: Er is veel meer energie nodig om waterstof te maken dan dat er vrijkomt wanneer de waterstof in de auto weer wordt omgezet in elektriciteit.
- Infrastructuur: Ten opzichte van de elektrische auto met batterij heeft de waterstofauto een belangrijk nadeel: een laadpunt of stopcontact tref je overal, een tankstation voor waterstof vrijwel nergens.
Groene Waterstof: De Sleutel tot Duurzaamheid
We zitten momenteel in een energietransitie. Dat wil zeggen: we stappen over van fossiele naar duurzame energiebronnen, zoals zonne- en windenergie. Praat je over waterstof in combinatie met duurzaamheid, dan is groene waterstof eigenlijk de enige optie. Die wordt geproduceerd met stroom van windmolens of zonneparken, waarbij geen CO2 vrijkomt. Bovendien kan op die manier overtollige stroom worden omgezet in de productie van waterstof, zodat er sprake is van energieopslag.
Waterstof Kits en Alternatieve Technologieën
Auto’s die zo verbouwd worden dat ze echt alleen op water zouden kunnen rijden, kom je minder vaak tegen dan systemen waarbij de elektrolyse gebruikt wordt om het geproduceerde knalgas - het mengsel van waterstof en zuurstof - bij gewone brandstof te mengen. Er zijn doe-het-zelfpakket zelfpakketten (‘HHO-kits’) te krijgen via internet en ook sommige garages bieden inbouw aan.
Uit onderzoeken blijkt inderdaad dat bij oudere motoren de verbranding efficiënter verloopt door toevoeging van het ‘HHO-gas’, maar die winst is niet zo groot dat het energieverlies van het opwekken van het gas wordt goedgemaakt. Toch weten bedrijven automobilisten er telkens weer in laten te trappen - en ook nog vaak tevreden klanten te houden.
De Kosten van Waterstof Tanken
Een waterstofauto rijdt dus in feite op groene stroom. Maar groene stroom is prijzig en daar komt bij dat we in Nederland geen overschot aan duurzame energie hebben. Voorlopig produceren we te weinig groene stroom om de milieudoelstellingen te halen.
Op het moment komt waterstof voor gemiddeld tien euro per kilo uit de pomp. Per kilo kun je ongeveer honderd kilometer rijden. Zo hangt de prijs van rijden op waterstof tussen die van benzine en diesel in. Met deze prijs is wel iets vreemds aan de hand. Waterstof uit methaan en uit de chloorindustrie is eigenlijk veel goedkoper dan dat. Zelfs groene waterstof hoeft niet zo veel te kosten. Maar de investeringen in bijvoorbeeld het tankstation moeten ook terugverdiend worden en er zijn nog te weinig waterstofrijders om via vraag en aanbod tot een prijs te komen. Als meer mensen overstappen op waterstof en de techniek verbetert, zijn lagere bedragen dus goed mogelijk.