Duurzaamheid en CO2-reductie staan wereldwijd hoog op de agenda, waarbij de overgang naar elektrische trucks een grote rol speelt en waterstof met brandstofcel daar onderdeel van uitmaakt. Waterstof staat op het punt een sleutelrol te spelen in de toekomstige mobiliteit, vooral voor zware voertuigen zoals vrachtwagens en bussen, maar ook voor vaste toepassingen, denk aan (nood)generatoren en servicepunten langs belangrijke transportroutes.
In dit artikel wordt dieper ingegaan op de verschillende methoden voor waterstofopslag in voertuigen, de voordelen van waterstof als schone brandstof en de uitdagingen die overwonnen moeten worden om waterstof succesvol te implementeren in de transportsector.
Hoe werken waterstofauto's?
De Rol van Waterstof in de Energietransitie
In onze huidige energiemix wordt ongeveer 20% geleverd in de vorm van elektriciteit en 80% in de vorm van aardgas of vloeibare fossiele brandstof (benzine, diesel). Door onze klimaatdoelstellingen gaat dit komende tijd sterk veranderen. Het aandeel elektriciteit geproduceerd door wind en zon zal sterk toenemen.
Voor een aantal toepassingen zoals zwaar transport, hoge temperatuur processen in de industrie en in de luchtvaart, is er nog geen goede elektrische oplossing en blijft er behoefte aan een duurzaam gas. Hier kan waterstof een nuttige rol spelen. Alleen groene waterstof geproduceerd via elektrolyse zorgt ervoor dat grote hoeveelheden duurzame elektriciteit geproduceerd op zee en op land goed ingepast kunnen worden in ons energiesysteem. Verder is er een verschil in kwaliteit. Groene waterstof kent een hogere zuiverheid en kan direct goed worden toegepast, bijvoorbeeld in de brandstofcel van een voertuig.
Waterstof is een chemisch element dat deel uitmaakt van veel van nature voorkomende verbindingen, waaronder water. Waterstoftechnologie is niets nieuws. In feite wordt waterstof al heel lang gebruikt om ruimtevaartuigen aan te drijven.
Lees ook: Wat te doen bij Total Loss?
Er zijn verschillende manieren waarop waterstof in voertuigen kan worden gebruikt:
- Waterstof kan worden gebruikt om een verbrandingsmotor van brandstof te voorzien. Daarbij kan gebruik gemaakt worden van de techniek zoals in de motoren voor gecomprimeerd aardgas (CNG) of vloeibaar (bio-)gas. Dit wordt een waterstofverbrandingsmotor genoemd, H2 ICE (Hydrogen Internal Combustion Engine). Waterstof dient dan direct als brandstof voor de aandrijving.
- Een andere oplossing, is om waterstof te gebruiken in een brandstofcel waar het elektriciteit opwekt om het voertuig van stroom te voorzien.
- Waterstof kan zo worden gebruikt als hulpbrandstofcel (range extender) om het bereik of de actieradius van een elektrisch voertuig op batterijen te vergroten.
Bij verbranding van waterstof met zuurstof, in een brandstofcel, komt alleen water vrij.
Hoe Werkt een Brandstofcelvoertuig?
Een brandstofcelvoertuig werkt een beetje als een verbrandingsmotor, behalve dat het systeem niet de waterstof verbrandt die het uit een tank onder druk haalt, maar het met zuurstof smelt om elektriciteit te produceren om een elektromotor aan te drijven. In de basis is een elektrische truck nodig; een truck met een elektrische aandrijflijn.
Onder de cabine bevindt zich de brandstofcel en achter de cabine bevinden zich tanks waarin de waterstof wordt opgeslagen. Een brandstofcel werkt in veel opzichten eigenlijk als een accu. Een brandstofcel hoeft echter niet regelmatig te worden opgeladen door een externe bron, maar wekt rechtstreeks elektriciteit op. Dit zal hij blijven doen zolang waterstof, een van de meest voorkomende bronnen op aarde, beschikbaar is.
Een truck die rijdt op waterstof kan moeilijk piekvermogen leveren. Om extra vermogen en power te kunnen leveren, bijvoorbeeld voor het rijden met zwaardere lading in heuvel- of bergachtig terrein, zullen er extra accu’s nodig zijn. In deze accu’s wordt elektriciteit opgeslagen die onder andere door het regenereren van remenergie ontstaat. Omdat een waterstoftruck ook in staat moet zijn om piekvermogen te leveren voor het rijden met zware lading in bijvoorbeeld heuvel- of bergachtig terrein, zijn extra accu’s noodzakelijk.
Lees ook: Waar de Opel Corsa vandaan komt
Als waterstof in een brandstofcel met zuurstof reageert, is de enige uitstoot water. Dus wanneer een vrachtwagen wordt aangedreven door een brandstofcel, zijn er geen schadelijke uitlaatemissies. De well-to-wheel (bron-tot-wiel) uitstoot kan dus heel laag zijn. Bij elke meting van de klimaatimpact moet echter ook rekening worden gehouden met het productieproces voor waterstof, dat zeer energie-intensief is. Bovendien wordt de meeste waterstof (zo’n 95%) nog geproduceerd uit fossiele brandstoffen zoals steenkool, olie of aardgas. Dit maakt waterstof momenteel geen duurzaam alternatief.
Uitdagingen en Kansen
Een belangrijke belemmering voor een bredere acceptatie zijn de productiekosten van brandstofcellen, wat betekent dat waterstof als brandstofbron ongeveer 3-4 keer duurder is dan diesel. Er zijn ook grote infrastructurele uitdagingen, maar deze zijn niet onoverkomelijk en waterstof met brandstofcel biedt nog steeds een enorm potentieel. En ook in Nederland zijn steeds meer initiatieven gestart om de groei van waterstof in het transport te bevorderen.
Waterstof is zeer reactief en heeft de neiging om andere materialen aan te tasten. Het is ook lichter ontvlambaar dan bijvoorbeeld aardgas en kent een ruimere explosiegrens. Daarnaast is waterstof geur- en kleurloos en brandt het met een vrijwel onzichtbare vlam. Door al het bovengenoemde wordt waterstof gezien als een gevaarlijke stof. Waterstof is een erg licht gas, snel ontvlambaar en wordt in de mobiliteit onder drukken tot 700 bar toegepast. Net als elk ander gas is het van belang om er bij productie, transport en gebruik voorzichtig mee om te gaan en dat uitsluitend aan professionele bedrijven over te laten . Als waterstof wordt ingezet in bestaande gasleidingen is het van belang om het ‘gedrag’ van waterstof in de praktijk nader te onderzoeken .
Methoden voor Waterstofproductie
Er zijn verschillende bronnen van waterstof, zoals vergassing van biomassa - waar plantaardig materiaal wordt verwarmd en daarop reageert door waterstof en kooldioxide te produceren - en fermentatie, waarbij bepaalde soorten bacteriën waterstof genereren als onderdeel van hun metabolisme. Steam methane reforming, of SMR, is de meest gebruikelijke methode voor het produceren van waterstof op grote industriële schaal. Daarbij reageert methaan in aardgas op stoom, waardoor waterstof en koolmonoxide ontstaan. Het koolmonoxide ondergaat verdere reacties en genereert meer waterstof.
Waterstof geproduceerd uit aardgas via de zogeheten molten metal pyrolyse technologie wordt ‘turquoise waterstof’ of 'low carbon hydrogen' genoemd. Aardgas wordt door een gesmolten metaal geleid waarbij zowel waterstofgas vrij komt als ook vaste koolstof. Dit laatste kan een nuttige toepassing vinden in bijvoorbeeld autobanden.
Lees ook: E-tron laadsysteem uitgelegd.
We kennen al grijze, blauwe en groene waterstof, maar nu blijkt dat er ook witte of natuurlijke waterstof op een aantal plekken wordt gevonden. Dat komt uit de bodem, net als aardgas. Witte waterstof wordt niet gemaakt van aardgas of kolen (grijs), ook niet door eerst de CO2 af te vangen (blauw).
Wat betreft waterelektrolyse zijn er op dit moment vier technologieën beschikbaar (AEM, SOE, PEM en Alkaline) allemaal met hun specifieke voordelen, nadelen en niveaus van volwassenheid. Waterelektrolyse is een belangrijke sleutel technologie in ons toekomstige energiesysteem. Ten eerste stelt het ons in staat om het windenergiepotentieel op de Noordzee ten volle te benutten. Door de beperkte capaciteit van het elektriciteitsnet is het nu niet mogelijk om het totale potentieel van 70 GW windenergie kosteneffectief te integreren. Ten tweede hebben we waterstof nodig om sectoren te decarboniseren waar directe elektrificatie geen optie is. Waterstof kan onder druk worden opgeslagen in bestaande zoutcavernes en lege gasvelden.
Transport en Opslag van Waterstof
Hoewel het mogelijk is om waterstof te vervoeren via pijpleidingen die worden gebruikt voor aardgas, wordt het grootste deel van de waterstof die tegenwoordig als brandstof wordt gebruikt, geproduceerd in grote fabrieken en vervolgens vervoerd met speciale aanhangers voor vloeibare waterstof. Dit kunnen tankwagens zijn, maar ook treinen en schepen kunnen worden gebruikt. De waterstof wordt in vloeibare of gasvormige staat vervoerd.
Waterstof kan ook worden gegenereerd bij tankstations door middel van SMR of elektrolyse. Waterstof kan op dit moment worden getankt in Helmond, Delfzijl, Rhoon en Arnhem. Er liggen plannen klaar voor waterstoftankstations in Den Haag, Pesse, Breda, Amsterdam, Schiphol, Rotterdam Airport en Utrecht.
Waterstof is zeer reactief, dus het heeft de neiging om andere materialen te eroderen en het is ook licht ontvlambaar - factoren die het transport ingewikkeld en kostbaar maken. Een ander groot probleem is het gebrek aan en de hoge kosten voor het bouwen van een waterstofinfrastructuur. Tegenwoordig zijn er wereldwijd slechts 337 tankstations voor waterstof, de meeste in Duitsland en Japan. Brandstofcellen voor waterstof zijn ook kostbaar om te produceren, aangezien de productie nog kleinschalig is en handmatige processen omvat. Een andere belangrijke kostencomponent is de waterstoftank die groot is en veel ruimte in beslag neemt.
Alternatieve Opslagmethoden
Naast de traditionele methoden voor waterstofopslag, zijn er ook innovatieve alternatieven in ontwikkeling:
- Waterstofpoeder: Een nieuwe vinding, waterstofpoeder, kan deze waterstofeconomie een nieuwe impuls geven. Basis van het waterstofpoeder is natriumboorhydride (NaBH₄). Wanneer je dit poeder in een installatie mengt met water komt het gebonden waterstof vrij. Dit waterstof kun je vervolgens gebruiken in een brandstofcel om elektriciteit te produceren.
- Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC): De Delftse start-up Voyex wil op Chemelot een proeffabriek bouwen voor zijn technologie om waterstof veilig en efficiënt te transporteren. Door waterstof te koppelen aan een olieachtige vloeistof (LOHC), wordt transport per schip of vrachtwagen mogelijk zonder hoge druk of extreme koeling.
- Ammoniak: De meeste landen die export overwegen zijn dan ook bezig om dat te gaan doen via omzetting van waterstof naar ammoniak. Bij die omzetting van waterstof naar ammoniak en weer terug gaat ook 25% energie verloren maar ammoniak laat zich bij matige druk en temperatuur veel gemakkelijker als vloeistof transporteren. De technologie daarvoor bestaat al lang en wordt ook al op grote schaal toegepast.
De Toekomst van Waterstof in het Transport
Om een alternatief voor diesel te laten slagen, moet het een duidelijk voordeel bieden als het gaat om kosten, actieradius en beschikbaarheid van infrastructuur. Er zijn verschillende typen elektrische trucks op de markt beschikbaar en een elektrisch voertuig met een brandstofcel is er daar een van. Zowel waterstof met brandstofcel als lithium-ion-batterijen zijn duurder dan diesel. De kosten van lithium-ion-batterijen dalen echter snel. Bloomberg voorspelt dat het crossover-punt - wanneer elektrische voertuigen goedkoper worden dan verbrandingsmotoren - al in 2022 zou kunnen vallen.
Waterstof heeft een grotere energiedichtheid dan batterijen en biedt daarom een grotere actieradius. In feite is de energie/gewichtsverhouding van waterstof op 700 bar tien keer hoger dan van een batterij. Brandstofcellen op waterstof zijn ook lichter dan batterijen, wat betekent dat voertuigen op waterstof een hoger laadvermogen kunnen hebben. Daar staat echter weer tegenover dat de tanks waar de waterstof in wordt opgeslagen meer ruimte op het chassis innemen.
De ontwikkeling en productie van lithium-ion-batterijen is veel verder gevorderd dan die van waterstof met brandstofcellen. Elektrische vrachtwagens zijn commercieel levensvatbaar gebleken, vooral in het stadsvervoer. Ook de tankinfrastructuur voor elektrische voertuigen is veel verder ontwikkeld.
Waterstof wint terrein. De meeste grote auto- en truckfabrikanten, waaronder Volvo Trucks, onderzoeken, werken aan oplossingen en vormen samenwerkingsverbanden om de technologie te ontwikkelen en zowel de infrastructuur als de productie van groene waterstof te laten groeien. Een gebied waar waterstof veelbelovend is, is in zwaar en veeleisend langeafstandstransport, waar het kan worden gebruikt om een elektrische aandrijflijn van brandstof te voorzien. De waterstof zal daar kunnen werken als een range extender om de actieradius te vergroten.
Terugkomend op de vraag of waterstof diesel of elektrische vrachtwagens zal gaan vervangen; de drang naar duurzamer transport betekent dat waterstof waarschijnlijk sommige dieselvoertuigen zal vervangen. Zoals bij elke discussie over alternatieve brandstoffen, moeten trucks op waterstof versus elektrische trucks niet worden bekeken als 'winner takes all'-argument. Waterstof met brandstofcel, elektrische vrachtwagens, biobrandstoffen, bio-LNG… De lijst met verschillende alternatieven voor diesel lijkt alleen maar te groeien.
TNO Onderzoek
TNO verricht onafhankelijk en toonaangevend toegepast wetenschappelijk onderzoek. In 2020 voerde TNO meer dan 50 projecten uit op deze thema’s. Een selectie hiervan is weergegeven in tabellen in de annex.
Tussen 2000 en 2018 werden ongeveer 230 elektrolyseprojecten in gebruik genomen met een totaal vermogen van ongeveer 100 MW (bron: IEA 2019, the Future of Hydrogen report). In 2020 is 200 MW wereldwijd geïnstalleerd en eind 2023 ca. 2.400 MW. We hebben nieuwe bedrijven, nieuwe leveranciers en nieuwe fabrikanten nodig die materialen en componenten voor grotere en nieuwe generatie elektrolysesystemen ontwikkelen. De ambitie van de Europese Unie is om 40 GW elektrolyse capaciteit te instaleren voor 2030 in de EU en nog eens 40 GW in Noord-Afrika. Offshore windenergie speelt een cruciale rol in de overgang naar schonere energiebronnen.
De onderstaande tabel geeft een overzicht van de voor- en nadelen van waterstofopslagmethoden:
| Opslagmethode | Voordelen | Nadelen |
|---|---|---|
| Gecomprimeerd gas | Bewezen technologie, relatief lage kosten | Groot volume, hoge druk vereist |
| Vloeibare waterstof | Hoge energiedichtheid | Cryogene temperaturen vereist, energie-intensief koelproces |
| Waterstofpoeder | Veilige opslag, makkelijker te vervoeren | Technologie nog in ontwikkeling, regeneratie reststof nodig |
| LOHC | Transport per schip/vrachtwagen zonder hoge druk of extreme koeling | Technologie nog in ontwikkeling, energie nodig om waterstof vrij te maken |
| Ammoniak | Makkelijk als vloeistof te transporteren | Energie nodig om waterstof om te zetten en weer terug |
Ondanks de uitdagingen biedt waterstof een veelbelovende route naar een duurzamere transportsector. Door te investeren in innovatieve opslagmethoden, infrastructuur en groene waterstofproductie, kan waterstof een cruciale rol spelen in het bereiken van de klimaatdoelstellingen en het verminderen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen.