De grote belofte van waterstof

Waterstof kan op verschillende manieren worden toegepast, bijvoorbeeld als range extender. Daarnaast zijn er alternatieven als mierenzuur, maar ook bijvoorbeeld nieuwe accutechnologie, zoals solid-state-accu's.

Waterstof in een verbrandingsmotor

De huidige waterstofauto's zijn niet te vergelijken met auto's met een verbrandingsmotor. Toch is het in theorie mogelijk een bestaande benzine- of dieselauto om te bouwen naar waterstof. De bestaande motor kan behouden blijven, maar er zijn wel een ander injectiesysteem en een ander motormanagement nodig, evenals een grote en stevige opslagtank. Experimenten met omgebouwde brandstofauto's leverden in de praktijk slechtere resultaten op dan een waterstofauto met een brandstofcel, zoals minder vermogen en een lagere efficiëntie. Je kunt er dan dus minder ver mee rijden en het is duurder in gebruik. Een alternatief is een mengsel van waterstofgas en benzine of diesel, maar behalve brandstofbesparing en iets minder uitstoot levert dat ook niet zoveel op als een brandstofcel.

Mierenzuur

Mierenzuur (CH₂O₂) wordt vaak genoemd als alternatief voor waterstof. Dit is een natuurlijke stof die bepaalde dieren, waaronder mieren, aanmaken om te gebruiken bij een aanval of verdediging. De stof wordt ook in de industrie geproduceerd, onder andere als schoonmaakmiddel. Mierenzuur is geschikt als brandstof voor auto's, omdat het via een katalysator is om te zetten in waterstof met een efficiëntie van circa 40 tot 50 procent, wat min of meer vergelijkbaar is met elektrolyse. Ook is het mogelijk om mierenzuur te maken met elektriciteit, water en CO₂, waarbij water wordt gebruikt als bron voor de waterstof. Bij het omzetten in energie komt CO₂ vrij, maar doordat bij de productie CO₂ wordt opgenomen, wordt dit volledig gecompenseerd.

Een praktisch voordeel van mierenzuur is dat het vloeibaar is bij kamertemperatuur en daardoor veel makkelijker te vervoeren dan waterstof. Opslag onder hoge druk met speciale opslagtanks is daardoor niet nodig. Ook zouden bestaande tankstations kunnen worden omgebouwd, waardoor de huidige infrastructuur intact zou kunnen blijven.

De stof is niet giftig, niet explosief en wordt snel afgebroken, maar is wel zwaar corrosief. Studenten van de TU Eindhoven hebben een stadsbus omgebouwd, waarbij de accu's worden opgeladen met behulp van een generator op mierenzuur. Met een tank van 300 liter mierenzuur zou de bus zo'n 300km kunnen rijden. Mierenzuur zou voor personenwagens interessant kunnen zijn, maar tot op heden zijn er geen concrete plannen vanuit de industrie.

Waterstof in poedervorm

Er wordt ook gewerkt aan waterstof in poedervorm. Dat zou onder andere de problemen rondom de opslag en het transport verminderen. Door de normale druk zijn er geen stevige hogedruktanks nodig en kunnen ook grotere tanks worden gebruikt. Er is geen energieverlies door compressie en het is ook niet brandbaar of ontploffingsgevoelig. Onder andere het Nederlandse H2Fuel werkt aan waterstof in poedervorm.

NaBH4 + 2 H₂O → NaBO₂ + 4 H2

Waterstof wordt gebonden aan natriumboorhydride (NaBH4). Dat is een poeder en als je dat mengt met ultrapuur water (upw / H₂O), ontstaat er een reactie bij gebruik van een activator uit sterk verdund zoutzuur, met een katalysator of met een combinatie van beide. Volgens H2Fuel komt daarbij niet alleen de waterstof uit de natriumboorhydride vrij (4 H₂), maar ook dezelfde hoeveelheid uit het water, plus warmte. Men claimt een hoog rendement, wat er in de praktijk op zou neerkomen dat er twee keer zover gereden kan worden met 1kg waterstofpoeder als met 1kg waterstof bij 700 bar. Zonder praktijkvoorbeelden is het lastig om die claim te verifiëren. En bovendien is het belangrijk om te vermelden dat je feitelijk twee brandstoffen moet tanken en vervoeren in een auto; waterstofpoeder én water. Verder kost de productie van het poeder en het ultrapure water ook energie en bovendien moet de gebonden waterstof nog uit het poeder worden vrijgemaakt met warmte die uit de waterstof komt en dus niet kan worden gebruikt om op te rijden.

Er waren op het moment van schrijven nog geen concrete voorbeelden van voertuigen op basis van waterstofpoeder, maar H2Fuel liet weten dat er volgend jaar een bus of vrachtwagen wordt verwacht en dat ook aan een binnenvaartschip wordt gewerkt. Zie ook de volgende pagina, waar dit bedrijf aan het woord komt.

Hybride benadering: waterstof als range extender

Max Holthausen heeft een Tesla Model S uitgebreid met een 4,4kg waterstoftank, brandstofcel en alle bijbehorende componenten. Extra kosten: ruim 40.000 euro. Met deze 'Hesla' haalde hij de nationale en internationale pers. Waterstof wordt in dit geval gebruikt als range extender. Tijdens het rijden wordt de accu opgeladen door waterstof te verbruiken, waardoor Holthausen volgens eigen zeggen per uur 50km extra bereik verkrijgt. Je moet dus nog wel 's avonds of overdag je auto laden, maar het duurt wat langer voordat dit nodig is. Tijdens het stilstaan kan de wagen worden bijgeladen met in totaal maximaal 100kWh aan capaciteit. Uitgaande van een prijs van 10 euro per kilo waterstof komt dat neer op zo'n 44 cent per kWh, een stuk duurder dan laden bij een publieke laadpaal, laat staan thuis of via een bedrijfsaansluiting. Voor mensen die meer dan 700km per dag afleggen, kan het echter handig zijn.

In feite is de combinatie van een grote accu met waterstoftanks en een brandstofcel een interessante, hybride benadering. Je kunt dan goedkoop laden voor dagelijkse ritten en waterstof tanken voor lange afstanden. Dit is uiteraard een dure combinatie en op dit moment is het daarvoor nog te vroeg, maar in de toekomst gaan we dergelijke combinaties misschien vaker zien.

Solid-state-accu

Lithium-ionaccu's zijn al sinds de jaren negentig de standaard en de ontwikkeling van elektrische auto's heeft geleid tot een impuls voor nieuwe chemische samenstellingen waardoor de levensduur en de capaciteit zijn toegenomen. Toch gaan de ontwikkelingen niet hard meer. De meeste ontwikkeling zit nog wel in de prijs, die fors is gedaald en mogelijk binnenkort nog maar 100 dollar per kWh bedraagt. Een probleem van lithium-ionaccu's blijft de relatieve kwetsbaarheid en het gewicht, door het grote aantal cellen en vanwege veiligheidsmaatregelen. De accu maakt elektrische auto's relatief zwaar.

Een mogelijk alternatief vormen zogenaamde solid-state-accu's. Deze hebben een hogere energiedichtheid, waardoor er minder van nodig zijn voor dezelfde capaciteit. Elektrische auto's kunnen daardoor lichter worden of juist van extra capaciteit worden voorzien, en krijgen dus een groter bereik zonder dat het gewicht toeneemt. De grote belofte is dat solid-state-accu's twee- tot viermaal zoveel energie in een accupack met hetzelfde gewicht kwijt kunnen, waardoor zelfs de kleinere elektrische auto's 500 tot 1000km zouden kunnen rijden zonder bij te laden.

Tegelijk lijken solid-state-accu's beter geschikt voor snelladen vanwege hun betere tolerantie voor hoge temperaturen. Dat kan helpen om in de toekomst auto's en vrachtwagens geschikt te maken voor snelladen met een vermogen van 350kW tot en met 1MW, een stuk meer dan de 50 tot 150kW-snelladers van dit moment. Daarbij zijn solid-state-accu's veiliger, doordat het elektrolyt tussen de twee elektrodes niet vloeibaar is, maar bestaat uit een vaste stof. Blootstelling aan lucht of water heeft daardoor geen catastrofale gevolgen, wat bij lithium-ion wel het geval is. Bovendien zouden de accu's veiliger zijn bij een ongeluk, doordat ze minder gevoelig zijn voor scheuren of doorboringen. Natuurlijk zijn er ook nog uitdagingen, zoals de kosten en het opschalen tot een grote accucapaciteit, maar er zijn inmiddels zoveel fabrikanten mee bezig dat de techniek misschien snel productierijp is.