Waterstofauto's winnen steeds meer terrein als een milieuvriendelijke en innovatieve oplossing voor duurzaam vervoer. Als er over rijden op waterstof gesproken wordt, zal het bijna altijd gaan over het rijden op waterstofgas aan de hand van een brandstofcel. Maar het kan ook anders: rijden op waterstof in een verbrandingsmotor zoals wij deze kennen is ook op de opkomst. In dit artikel kijken we naar de werking van een waterstof verbrandingsmotor, wat de voor- en nadelen ervan zijn en welke merken of bedrijven voorop lopen in deze ontwikkelingen.
Om te kunnen begrijpen hoe een waterstofauto werkt, is het goed om te weten wat waterstof eigenlijk ís. Het is een zeer vluchtig gas, dat van nature niet op aarde voorkomt. Je zult het dus moeten produceren. Dat kan bijvoorbeeld door water (H2O) te splitsen in zuurstof (O2) en waterstofgas (H2). Waterstof kun je dus zien als energiedrager: het kost energie om het te maken, maar die energie kun je er voor een deel weer uit halen.
Lang niet iedereen is ervan overtuigd dat de elektrische auto de toekomst heeft. Sommigen zien meer heil in waterstof. Maar wat ís waterstof eigenlijk en hoe werkt zo’n waterstofauto? En zijn er wel genoeg tankstations waar je waterstof kunt tanken?
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.
Hoe werken waterstofauto's?
De Basisprincipes van een Waterstof Verbrandingsmotor
Standaard waterstof auto’s zoals de Toyota Mirai of Hyundai Nexo rijden op brandstofcellen. In deze brandstofcel komen waterstofgas en zuurstof bij elkaar, deze reageren vervolgens met elkaar en zo ontstaat er elektriciteit dat via de accu van de waterstof auto ervoor zorgt dat je kunt rijden.
Lees ook: Prijzen en uitvoeringen van de Toyota Yaris Cross
Een waterstofmotor is een aangepaste versie van de traditionele brandstofmotor die we kennen van diesel- en benzineauto’s. Een waterstof verbrandingsmotor werkt anders, hier zit namelijk geen brandstofcel in maar een verbrandingsmotor zoals wij hem kennen. In grote vormen blijft het verbrandingsproces dus hetzelfde wanneer je dit vergelijkt met een brandstofmotor.
Het waterstofgas wordt via een waterstoftank (waarin het met 700 par wordt samengedrukt) naar de waterstofmotor gestuurd. Hierin vormt zich een chemische reactie aan de hand van waterstofgas (H2) en zuurstof (O). Tijdens dit proces komt er energie vrij dat zorgt voor een op-en-neergaande beweging van de cilinders. Dit wordt via de krukas en aandrijflijn overgebracht naar de wielen van het voertuig waardoor de auto, bus of vrachtwagen kunt rijden.
Om de werkende principes van een waterstofmotor beter te begrijpen, zullen we kijken naar de eigenschappen ervan. We gaan in de diepte kijken hoe de lucht/ brandstof verhouding in elkaar ziet en hoe het ontstekingsproces werkt. Daarnaast bekijken we de dichtheid van het brandstof en de uitstoot die veroorzaakt wordt door een waterstofmotor.
Lucht/Brandstof Verhouding: De lucht/brandstof verhouding doelt op het ratio van zuurstof en de brandstof die in de cilinders tot ‘ontbranding’ komt. Dit is een interessante specificatie aangezien dit veel invloed heeft in hoe makkelijk je het voertuig kunt starten. Bij benzinevoertuigen is het ratio 14,7 op 1, bij een waterstofverbrandingsmotor is dat 34 op 1 maar het gas kan nog steeds tot ontbranding komen bij 180 op 1. Zo zorgt de verbranding van een arm mengsel van 180 op 1 ervoor dat je de auto makkelijker kunt opstarten. Je hebt dus minder brandstof nodig om een koude motor op gang te laten komen. De keerzijde is dat een waterstofmotor minder hard op kunt trekken en over het algemeen een lagere topsnelheid heeft.
Ontsteking: De ontsteking in brandstofmotoren van alle soorten en maten komt tot gang door een vonk. Zonder vonk kun je geen enkele brandstofmotor aanzetten. Maar hoe groot of krachtig moet de vonk in de bougie zijn in een waterstofmotor vergeleken met een traditionele motor? Benzinemotoren hebben een vonk van 0,24mJ nodig om te zorgen voor ontsteking in de motor, bij waterstofmotoren is dit 0,02mJ. Je hebt dus een 12x krachtigere vonk nodig om een benzinemotor tot ontbranding te laten komen. De snelle ontbranding zorgt er ook voor dat wanneer de motor plotseling erg warm is, er zomaar een ontsteking plaats kan vinden.
Lees ook: Betrouwbare Occasions 's-Hertogenbosch
Dichtheid van Waterstofgas: Een van de eigenschappen van waterstof is dat het een erg licht gas is wat niet in zijn voordeel werkt. In een waterstof verbrandingsmotor is er sprake van een lucht/gas verhouding van 2,4 op 1. In een waterstofmotor zit er dus een verhouding van 29,4% waterstofgas en 70,6% voor zuurstof. Vergeleken met een benzinemotor waarbij slechts 2% van de ruimte wordt ingenomen door benzine, is dit zeer nadelig. Het betekent namelijk dat je veel meer waterstofgas mee moet nemen in de waterstof tank dan je benzine mee moet nemen in een brandstoftank.
Uitstoot: Waterstofgas zal in een waterstofmotor inderdaad geen koolstofmonoxide uitstoten, wat ze wel uitstoten is stikstof. De verbranding van waterstof vindt plaats in een atmosfeer waar stikstof en zuurstof is, deze produceren samen stikstofoxiden en uiteindelijk komt er stikstof vrij in de atmosfeer. Gelukkig is de hoeveelheid stikstof wat vrijkomt in een waterstof verbrandingsmotor 90% minder dan bij een traditionele benzinemotor.
De Toyota Mirai, een voorbeeld van een waterstofauto met brandstofceltechnologie.
Voordelen en Nadelen van de Waterstof Verbrandingsmotor
De autofabrikanten zijn al decennialang bezig met het zoeken naar alternatieve brandstoffen voor de verbrandingsmotor. Diesel, lpg en aardgas zijn bekend, maar er is ook volop geëxperimenteerd met waterstof als brandstof. We hebben tot nu toe al een aantal eigenschappen besproken, eveneens als de werking van waterstofmotoren. Maar om een compleet beeld te krijgen van deze motor, zullen we ook de voor- en nadelen op een rijtje zetten.
Voordelen:
Lees ook: Yaris 2002: Brandstofverbruik
- Vermindering van CO2-uitstoot: Waterstofmotoren stoten geen koolstofmonoxide uit, wat bijdraagt aan schonere lucht.
- Behoud van rij-eigenschappen: De beleving van een benzinemotor blijft behouden, wat aantrekkelijk is voor race- en autoliefhebbers.
- Snellere respons: De ontbrandingssnelheid van waterstof is hoger dan die van benzine, wat zorgt voor een snellere respons en meer koppel.
- Milieuvriendelijkheid: Waterstofauto’s stoten zelf geen CO2 uit en zijn daardoor schoon.
Nadelen:
- Productie van stikstofoxiden: Hoewel de uitstoot van stikstof lager is dan bij benzinemotoren, is het nog steeds aanwezig.
- Lagere energiedichtheid: Meer waterstofgas is nodig dan benzine om dezelfde afstand te bereiken.
- Kosten: De prijs van waterstof kan hoog zijn, en de initiële kosten van waterstofauto’s zijn aanzienlijk.
- Infrastructuur: Er zijn nog weinig waterstoftankstations beschikbaar, wat de bruikbaarheid beperkt.
- Duurzaamheid van productie: De milieuvriendelijkheid hangt af van hoe de waterstof wordt geproduceerd. Indien geproduceerd uit fossiele bronnen, is het voordeel minder groot.
Pioniers in de Ontwikkeling: Keyou en Toyota
In deze sectie zullen we kijken naar de automerken of bedrijven die het verst zijn in de ontwikkeling van verbrandingsmotoren in waterstof. Op dit moment is de Duitse partij Keyou en het Japanse automerk Toyota het verst in de ontwikkeling van deze motor.
Keyou: Keyou is een waterstof scale-up die zich in de laatste jaren heeft gestort op de ontwikkeling van waterstof verbrandingsmotoren. Het is één van de weinige partijen die vanaf het begin geloofde in dit concept en lopen daarom ook voor in de ontwikkeling ervan. Keyou heeft de meest efficiënte waterstofmotor ontwikkeld en zelfs recentelijk een 18 tons vrachtwagen geleverd aan het Duitse transportbedrijf Rheinkraft international. De vrachtwagen die Keyou heeft geleverd beschikt over een waterstofmotor met een vermogen van 210 kW en verbruikt ongeveer 7,5 kg waterstof per 100 kilometer.
Toyota: Toyota zette als eerste gevestigd automerk in op de waterstofmotor. Vanaf het eind van het tweede decennium is de ontwikkeling begonnen en in 2021 racede ze met de Toyota Corolla over de circuits van Japan. Deze Toyota Corolla rijdt op een waterstof verbrandingsmotor en stoot hiermee geen CO2 uit. Misschien is dat wel het begin van de toekomst van autosport zonder fossiele brandstoffen.
De Toyota Corolla met waterstof verbrandingsmotor in actie.
Toyota zet met de Corolla vol in op race- en autoliefhebbers die het gevoel willen hebben van een benzineauto, zonder deze te rijden. De Toyota Corolla klinkt en voelt als een benzineauto wat de eventuele nadelen van een elektrische auto wegneemt volgens sommigen. Zo geeft de Corolla een mechanisch gevoel met een versnellingspook zodat race-fans ook kunnen genieten van autorijden zonder het uitstoten van CO2.
Hoe ver is Toyota met het op de markt brengen van de eerste waterstof auto met een waterstofmotor? Nou, best ver eigenlijk. Naar eigen zeggen zitten ze op 40% van de commercialisering en kan de Corolla voor de consument al in 2025 op de markt komen.
Waterstoftankstations en 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. Nederland telt momenteel eenentwintig waterstoftankstations die voor het publiek geopend zijn.
Toyota Motor Europe is een samenwerking aangegaan met Hydrogen Refueling Solutions en ENGIE met als doel snellere en goedkopere oplossingen te bieden om waterstof te tanken. Het tanken van een vrachtwagen met waterstof heeft uiteraard ook aandacht nodig. Daarom werkt Toyota Motor Europe nu samen met de Franse waterstofspecialist Hydrogen Refueling Solutions (HRS) en energieleverancier ENGIE. Het doel is de ontwikkeling van infrastructuur om waterstof te tanken, die sneller en goedkoper is dan de huidige techniek. De nieuwe oplossing wordt uitgerold onder een project van de Europese Unie.
Met de nieuwe Twin Mid Flow Technology kunnen kleine voertuigen als personenauto’s en zware voertuigen zoals vrachtwagens terecht bij dezelfde pomp. In de pomp wordt een dubbele nozzle geïntegreerd, die een hogere hoeveelheid waterstof door laat. Hierdoor kan een personenauto in zo’n vijf minuten zijn tank vullen met waterstof, terwijl dit voor een vrachtwagen nauwelijks langer duurt. Het is de bedoeling dat een 40-tons vrachtwagen in 8 minuten zo’n 600 kilometer bereik kan bijtanken, of 900 kilometer in 12 minuten.
Door de dubbele werking is de installatie van zo’n tankstation aanzienlijk goedkoper dan twee aparte. “Om bij te dragen aan de groei van waterstofecosystemen, werkt Toyota al samen met zakenpartners die een breed scala aan koolstofvrije emissies met onze geavanceerde brandstofcelsystemen innoveren. De ontwikkeling van de Twin Mid Flow Technology is een volgende stap in onze inspanningen om de groei van waterstofecosystemen te stimuleren.
De Kosten van Rijden op Waterstof
De prijs van waterstof ligt nu rond de €12,50/kg. In een tank van een waterstofauto kan ongeveer 5 á 6 kg waterstof. Hiermee kun je dan zo’n 600 km rijden en dat is best een aardige actieradius. De prijs per kilometer komt hiermee op 12,5 eurocent. Dat is best fors als je het vergelijkt met de brandstofkosten van 100% elektrische auto’s (EV’s). Voor een EV betaal je met de huidige energieprijzen tussen de €0,03 en €0,05 per kilometer. Erg goedkoop is rijden op waterstof dus nog niet.
Toekomstperspectieven
Als je de bovenstaande voor- en nadelen in overweging neemt, is het nog steeds lastig om een oordeel te vellen over of de waterstof verbrandingsmotor echt populair wordt. Er zijn grote voordelen zoals de vermindering in uitstoot en rij-eigenschappen, maar de prijs van waterstof en het gebruik van grijze waterstof vormen een bedreiging.
De Duitse fabrikant Keyou vindt dat hun waterstofmotor beter is dan een brandstofmotor op het gebied van robuustheid, levensduur en zelfs productiekosten. Maar dit is ook logisch aangezien zij de waterstofmotor willen commercialiseren. We zouden toch echt moeten wachten op de eerste auto met een waterstofmotor die voor consumenten beschikbaar is voordat we een goed oordeel kunnen vellen. Voorlopig is de hoop hiervoor gevestigd op Toyota met hun Corolla Cross auto.
Gedurende 150 jaar heeft de verbrandingsmotor een belangrijke rol gespeeld in het bevorderen van onze welvaart.