artikel

De brandstofcel rukt langzaam op

Engineering

Initiatieven voor de productie van duurzame, groene waterstof komen eraan. Dat is goed nieuws voor de toepassing van brandstofcellen. Langzaam groeit het aantal daarvan. Aarzelend verschijnen er bussen op waterstof, waterstofauto’s staan bij de dealer. De technologie is klaar voor een grootschaliger toepassing. Dat vergt een maatschappelijke keuze en een samenhangende visie, van en met alle ketenpartijen. Maar beleid met de noodzakelijke stimulering komt maar moeizaam tot stand.

De brandstofcel rukt langzaam op

Tekst: Leendert van der Ent

Een brandstofcel zet waterstof (bij een anode) en zuurstof (bij een kathode) via een efficiënt elektrochemisch proces om in elektriciteit. Binnen de brandstofcel houdt een membraan waterstof en zuurstof van elkaar gescheiden. Een katalysator splitst waterstofmoleculen aan de anode in twee protonen en twee elektronen. De protonen stromen door een elekrolyt naar de kathode. Er bestaan twee varianten: Alkaline Water Electrolyse en Proton Exchange Membrane elektrolyse (PEM).
De elektronen stromen ook naar de kathode; dit is de stroom om elektrische apparatuur aan te drijven. Bij de kathode aangekomen, reageren elektronen en protonen met zuurstof die hier wordt aangevoerd. Uit die reactie ontstaat waterstofoxide: water.
Wat gewoonlijk een brandstofcel wordt genoemd, is in feite een stapeling van afzonderlijke brandstofcellen. Eén enkele brandstofcel levert in de praktijk namelijk maar een spanning van tussen de 0,5 en 0,8 Volt. Door de cellen te stapelen en in serie te schakelen in een ‘stack’, kan de spanning omhoog gaan naar bijvoorbeeld de gewenste 230 Volt.

Mobiel en stationair

Wind en zon hebben een variabele opbrengst. De overgang naar hernieuwbare energie maakt afstemming van vraag en aanbod aan energie daarom veel belangrijker. Productie van waterstof kan als balans dienen om elektriciteitsoverschotten bij wind- en zonne-energieparken te benutten. ‘Power to gas’ is de term voor opslag en transport van energie in de vorm van waterstof. Consumptie van die waterstof in brandstofcellen dient ook als balans, wanneer deze als noodstroomvoorziening worden ingezet. Brandstofcellen kunnen daarnaast als lokale energiecentrale dienst doen, met een vermogen van bijvoorbeeld 1 mW. Daarnaast zijn transporttoepassingen aan de orde.

E-mobility versus rijden op waterstof

Zowel voertuigen met accu’s als met brandstofcellen kunnen in een volledig duurzaam energiesysteem functioneren. Beide zijn ook geschikt om emissies te verplaatsen zolang het energiesysteem nog niet helemaal duurzaam is. Voor personenauto’s en kortere afstanden is e-mobility kansrijk. Waterstof is geschikter voor langere afstanden en de zwaardere toepassingen. Ruwweg zijn accu’s het meest efficiënt voor afstanden tot zestig, zeventig kilometer. Daarboven is de brandstofcel efficiënter.

Er rijden in Europa al wat personenauto’s, vrachtwagens en bussen met brandstofcellen rond, maar de ambities steken karig af bij die van China, waar in 2015 vijftigduizend waterstofauto’s moeten rondrijden. Ook voor binnenschepen is de brandstofcel geschikt; sinds halverwege 2018 werkt het Nederlandse FELMAR-consortium aan een binnenschip op waterstof.

Vanaf 2004 toonden Toshiba en later ook andere Japanse fabrikanten brandstofcellen als alternatieve batterijen voor mobiele apparaten getoond. In 2015 ontwikkelden Britse wetenschappers een brandstofcel voor de iPhone 6. Het voordeel is een veel langere levensduur. Een nadeel: vliegtuigmaatschappijen willen ze niet aan boord hebben. Dat verklaart vermoedelijk waarom het sindsdien stil is gebleven rond deze toepassing.

LeestipWaterstof: welke mogelijkheden biedt het voor de industrie?

Nederlandse waardeketen

Nedstack (foto: Peter Venema)

Nederland heeft een waardeketen voor de productie van brandstofcelstacks en -systemen. Deze keten richt zich op de toepassingen buiten de personenautomarkt. Nedstack in Arnhem is Europa’s grootste producent van PEM brandstofcel-stacks voor mobiele en stationaire toepassingen. HyMove, eveneens in Arnhem, levert deze in complete brandstofcelsystemen aan onder andere de Poolse busfabrikanten Ursus en Solbus. Hun waterstofbussen rijden in onder andere Nederland, Duitsland en Polen. Ook zijn er contacten met China.

HyET, ook in Arnhem gevestigd, maakt compressiesystemen voor waterstof. Compressie tot 700 à 800 Bar in een composiet tank gaat gepaard met veel warmte-ontwikkeling. Hyet heeft daarvoor als oplossing een halfdoorlaatbaar elektrochemisch membraan ontwikkeld. Waterstof passeert dit membraan als ion, waarna het zich weer tot moleculen vormt. Op die manier wordt de gewenste druk met veel minder warmte-ontwikkeling opgebouwd.

HyGear – inderdaad uit Arnhem – produceert reformers voor de productie van waterstof uit fossiele brandstoffen en biodiesel. Pitpoint realiseert pompstations voor schone brandstoffen, waaronder waterstof. Daarnaast zijn er talloze gespecialiseerde toeleveranciers en ingenieursbureaus betrokken bij initiatieven zoals WaterstofNet en Netherlands Hydrogen Platform. Het eerdergenoemde FELMAR-consortium omvat Nedstack, MARIN, Damen Shipyards Group, Future Proof Shipping, Marine Service Noord and Holland Ship Electric als samenwerkingspartners.

Personenauto’s

Toyota, één van de automobielfabrikanten die voorop lopen met waterstof, stelde begin 2015 zijn patentportefeuille open om de doorbraak van de brandstofcelauto te versnellen. Andere partijen hoeven daardoor geen omslachtige alternatieven voor gepatenteerde logische oplossingen meer te bedenken en kleinere bedrijven kunnen slimme oplossingen voor deeltechnologieën ontwikkelen.

Verschillende automobielfabrikanten hebben inmiddels een brandstofcel-personenauto bij de dealer staan. De prijzen beginnen bij zeventigduizend euro omdat de brandstofcellen nog in relatief kleine aantallen worden geproduceerd. Tegen 2025 moet volgens een rapport van Mc Kinsey de productie van brandstofcellen goedkoop genoeg zijn aantrekkelijk te zijn voor consumenten.

Met zo’n duurdere waterstofauto rijd je wel verder dan met een elektrische auto en je tankt een stuk sneller. Een carboncomposiet tank waarin waterstof onder 700 tot 800 Bar wordt gecomprimeerd, geeft waterstofauto’s binnen vijf minuten een actieradius tot achthonderd kilometer. Daaraan kunnen ook de nieuwste elektrische auto’s met hun actieradius van zo’n vijfhonderd kilometer niet tippen.

De achilleshiel van de waterstofauto is momenteel nog de waterstofinfrastructuur. Om de verkoop op gang te brengen is het essentieel dat er meer waterstofpompstations komen. Het zijn er nu vier in Nederland en het moeten er volgend jaar al twintig zijn. In Duitsland verenigt het H2 Consortium Germany beeldbepalende brandstofproducenten met autofabrikanten. Het consortium gaat voor vierhonderd stations in 2023.

Tijd voor visie

Het zwaartepunt van de benodigde investeringen in elektrische auto’s en in waterstofauto’s verschilt in tijd. Investeringen in waterstoftechniek en -infrastructuur zijn nù nodig om de technologie vooruit te helpen. Grootschalige e-mobiliteit vergt daarentegen op langere termijn grote investeringen in het elektriciteitsnet. Het is de vraag of die laatste overweging altijd voldoende in beleidsoverwegingen wordt meegenomen. Darnaast speelt de vraag of de investeringen in het elektriciteitsnet gemakkelijk zijn terug te verdienen.

Waterstofauto’s kunnen met hun energie-opslagcapaciteit juist helpen om elektriciteit te genereren voor stationaire toepassingen. In Japan denkt men zo: één uur per dag rijden, 23 uur per dag een elektriciteitscentrale van zo’n twintig kiloWatt voor de deur. Wanneer dit praktijk wordt, voegt het een krachtig balanceringsinstrument toe aan een duurzame energie-infrastructuur.

Experts betreuren dat een samenhangende visie op waterstof als onderdeel van het duurzame energiesysteem van de toekomst tot nu toe in Nederland ontbreekt. Dat heeft, gezien het verschil in timing voor investeringen, waterstof tot nu toe automatisch op achterstand geplaatst. Misschien kunnen de Olympische spelen in Japan in 2020 verandering brengen. Die spelen komen volledig in het teken van de waterstofeconomie te staan. Misschien kan dit in Nederland voldoende enthousiasme losmaken om waterstof beter op de kaart van duurzame energie te zetten.

 

 

Reageer op dit artikel