Waterstof

De weg om waterstof te gebruiken voor voertuigen blijkt lang en lastig maar aan de einder is er meer dan ooit uitzicht op haalbare oplossingen. Na de constructeurs, heeft nu ook de industrie belangrijke stappen gezet om waterstof af te scheiden, op te slaan, te transporteren en dus bruikbaar te maken. Naast de Amerikaanse dieselspecialist Cummins engageren zich zelfs bedrijven als het Belgische Bekaert en Colruyt.

Tanken van waterstof vergelijkbaar met tanken van CNG

Laten we maar beginnen met het goede nieuws: Waterstof is het meest voorkomende element in de natuur en is zo goed als onuitputtelijk. Daarmee alleen al heeft waterstof (H2) een enorme troef tegenover fossiele brandstoffen zoals benzine, diesel en aardgas. Meer zelfs waterstof kan een alternatief zijn voor BEV’s of elektrische voertuigen met een batterij.

Nadelen ombuigen

Wel is er één groot nadeel dat de doorbraak van waterstof bemoeilijkt. Waterstof heeft immers de neiging om zich steeds met een ander element in de natuur te verbinden. In water (H2O) bijvoorbeeld gebeurt dit met zuurstof. Waterstof heeft met andere woorden een ‘vluchtig’ karakter en de neiging om zich steeds te koppelen – of te verbinden zoals dat heet met andere elementen. Dit is een nadeel voor het transport en de opslag van waterstof. Bovendien moet waterstof kunnen gescheiden worden van de elementen waarmee het zich verbindt. Om dit te kunnen realiseren, is elektriciteit nodig. Maar ook dat kan worden opgelost. De elektriciteit daarvoor kan worden gewonnen uit windenergie of via zonnepanelen en bijvoorbeeld de overproductie van deze duurzame manieren om elektriciteit op te wekken op momenten dat het net niet zoveel elektriciteit nodig heeft. Anders gesteld als er een luw verbruik van elektriciteit is op het net en de windmolenparken en zonnepanelen een overproductie leveren, kan dat volop gebruikt worden om waterstof te bekomen.

De Toyota Mirai met brandstofcel wordt als taxi ingezet in Parijs

Bovendien kan op die manier waterstof geproduceerd worden waar veel zon of wind is. Wat zon betreft denken we aan Zuid-Europese landen zoals Griekenland maar ook aan Afrikaanse landen zoals onder meer Marokko en Algerije. De waterstof kan dan via speciaal aangepaste tankers of pijpleidingen worden getransporteerd. Hier ligt dan weer een grote uitdaging voor havens zoals Zeebrugge die waterstof kunnen ‘ontvangen’.

Drie soorten waterstof

Waterstof wordt in drie categorieën onderverdeeld en dat in functie van de manier waarop die wordt gescheiden en gewonnen. Zogenaamde groene waterstof wordt gemaakt met energie uit duurzame bronnen, zoals zonne- en windenergie. Door elektrolyse wordt water (H2O) onder stroom gezet, waardoor de moleculen gaan splitsen. Daardoor ontstaan zuurstof (O2) en waterstofgas (H2). Groene waterstof is de meest duurzame vorm van waterstof. Maar er bestaat ook zogenaamde grijze en blauwe waterstof. Op dit moment wordt in de industrie de meeste waterstof gewonnen uit aardgas of kolen. Waterstof is op zichzelf een schone energiedrager, maar omdat er in dit geval bij de productie CO2 vrijkomt in de atmosfeer, wordt gesproken over grijze waterstof. Ook voor blauwe waterstof is aardgas of kolen de grondstof. Maar de CO2 die bij de productie vrijkomt, wordt opgevangen en daarna opgeslagen, bijvoorbeeld in lege gasvelden op zee. Hiermee is blauwe waterstof CO2-neutraal. Er komt dus geen extra CO2 in de atmosfeer. De CO2 kan ook worden gebruikt om synthetische brandstof, zogenaamde e-fuel, aan te maken.

Elektrolyser

Het Amerikaanse Cummins, dat vooral bekend is omwille van zijn dieselmotoren, heeft sedert 2019 met de overname van Hydrogenics een afdeling in het Belgische Oevel in de Kempen. Daar wordt geëxperimenteerd met zogenaamde PEM’s of ‘Polymer Elektrolyte Membranes’ of elektrolyse-installaties. Het zijn ‘stacks’ bestaande uit verschillende metalen platen met daartussen membranen. De onderdelen komen uit Canada maar in Oevel worden ze geassembleerd en getest voor het produceren van waterstof met als grondstof water. Het scheiden van waterstofgas en zuurstof gebeurt door elektriciteit, idealiter afkomstig van zonnepanelen en windmolens. Op die manier ontstaat groene waterstof zonder dat CO2 ontstaat. Bedoeling van Cummins is om op termijn deze PEM’s seriematig te vervaardigen zodat ze dan wereldwijd kunnen worden ingezet. Cummins ziet zich dan ook niet enkel als een louter dieselspecialist maar in ruimere zin een voorziener in energie een zogenaamde ‘energy provider’. Opmerkelijk is dat ook het Belgische Bekeart zich engageert in de productie van groene waterstof. Het West-Vlaamse bedrijf doet dat met zijn dunne draadvezels die gebruikt worden voor elektrolyse waarbij waterstof wordt gescheiden van zijn bindend element zoals O2.

Transit met elektrische aandrijving en brandstofcel

Als brandstof

Door zijn vluchtig karakter is het een hele uitdaging om waterstof op te slaan. Eén van de manieren is dat te doen onder de vorm van vloeistof. Maar daar is dan een koeling van minstens -253 graden Celsius voor nodig. Op die manier kan waterstof dan gebruikt worden als brandstof in een verbrandingsmotor. Zowel Mercedes als nog het langst BMW hebben daar mee geëxperimenteerd. Opslagproblemen met vloeibaar gas hebben er toe geleid dat die experimenten werden stop gezet. Waterstof is zo vluchtig dat het bij het minste ontsnapt om zich te verbinden met bijvoorbeeld zuurstof. Een tweede methode om waterstof te bewaren is door het chemisch stabiel te maken en te gebruiken als een onderdeel van e-Fuels of synthetische brandstoffen. Zo is er een mogelijkheid om biomassa te gebruiken voor de chemische verbinding met waterstof. Een alternatief is om CO2 te combineren met waterstof. Het is in die methode dat Porsche heeft geïnvesteerd. Een synthetische brandstof of e-Fuel is bruikbaar in een verbrandingsmotor.

Als energiedrager

Waterstof kan ook als gas onder druk (700 bar) worden bewaard. Op die manier is gas even makkelijk te tanken als bijvoorbeeld CNG of LPG. In de auto wordt het waterstofgas opgeslagen in speciale cilindervormige tanks. In de auto is ook een brandstofcel aanwezig waar waterstof door elektrolyse en het samenbrengen met zuurstof leidt tot de productie van elektriciteit met als enige bijproduct water. In dit geval wordt waterstof niet als een brandstof gebruikt maar als een energiedrager. De uiteindelijke aandrijving van de auto gebeurt door een elektromotor. Kortom een auto met een brandstofcel is altijd elektrisch aangedreven en wordt getypeerd als een FCEV wat staat voor Fuel Cell Electric Vehicle. Een FCEV moet nog altijd een HV-batterij als een soort buffer aan boord hebben maar de HV-batterij mag aanzienlijk kleiner zijn dan bij een BEV of een elektrische auto met uitsluitend een HV-batterij.

Een reeks met Peugeot bestelwagens. Van L naar R: met brandstofcel, elektrisch en met verbrandingsmotor.

Lay-out van Peugeot bestelwagen met brandstofcel

Net als in een BEV is er ook een 12 volt batterij aan boord van een brandstofcelauto. Die batterij is nodig voor het aansturen van relais, de lichten, de ruitenwissers en andere klassieke uitrusting en toebehoren. Een auto met een brandstofcel heeft tal van voordelen. Het opladen via de stekker is niet nodig en het tanken van waterstof gebeurt even snel als het tanken van bijvoorbeeld CNG. De bestuurder hoeft dus niet te investeren in een laadpunt thuis en is ook niet afhankelijk van de openbare laadinfrastructuur. Een brandstofcelauto is precies daardoor ook makkelijker inzetbaar in een stedelijke omgeving of in dicht bebouwde omgevingen. Een brandstofcel laat ook een grotere actieradius toe. Het gewicht van de auto is geringer en een brandstofcel is vrij compact. Een brandstofcel is daarmee uitermate geschikt voor vrachtwagens en ander zwaar rijdend materieel. De constructeur is bovendien minder afhankelijk van zeldzame metalen, nodig voor de productie van HV-batterijen. De constructeurs die dergelijke auto’s in beperkte serie hebben gebouwd en het niet bij experimentele voertuigen hielden, zijn Honda, Hyundai-Kia, Toyota en tot voor enkele jaren Mercedes. Op dit vlak doen ook BMW, Stellantis en Ford aan research. Het gebruik van waterstof heeft ook overkoepelende voordellen. De overproductie van elektriciteit door windmolenparken en zonnepanelen gaat niet verloren. Door minder afhankelijk te zijn van de laadinfrastructuur wordt het elektrisch netwerk minder belast.

Colruyt

Colruyt heeft de reputatie om een pionier te zijn in het duurzaam ondernemen. Met het gebruik van waterstof is het niet anders. Wat daarbij het eerst in het oog springt, zijn de Dats24 tankstations. Acht ervan leveren waterstof. Met wat geluk kom je onderweg ook zijn ene grote elektrisch aangedreven vrachtwagen met brandstofcel tegen. Maar het zal niet bij die ene vrachtwagen blijven. Colruyt heeft de ambitie om tegen 2030 een CO2-neutrale vloot voertuigen te hebben. Tot zover het zichtbare maar het engagement gaat veel verder. De familie Colruyt en de Colruyt Groep zijn ook eigenaar van Virya Energy dat een waterstoffabriek bouwt in Zeebrugge. Er zijn ook dergelijke projecten in Nederland en Duitsland. Verder heeft Virya Energy belangen in verschillende windmolenparken in België, Polen, Frankrijk en Portugal. Op die manier kan Colruyt de volledige ‘groene keten’ sluiten gaande van het produceren

Lay-out van elektrisch aangedreven vrachtwagen met brandstofcel