Je kunt nog geen waterstofauto kopen. Als u echter in Californië woont, kunt u er een leasen. Hij slurpt geen benzine. Het vervuilt de lucht niet. De uitlaat is gewoon stoom. De mysterieuze brandstof is waterstof. Dit is het eenvoudigste en meest voorkomende element in het universum. Sommige experts denken dat we over twintig tot dertig jaar allemaal in deze zuinige voertuigen zullen rijden.
Het idee is niet nieuw. De technologie voor het gebruik van waterstof om stroom op te wekken dateert uit het eerste deel van de 19e eeuw. Dat is ouder dan de auto zelf. Nieuw is dat je een auto op waterstof op de weg ziet. Er komt stoom uit de uitlaatpijp in plaats van stinkende gassen. Er bestaan tegenwoordig meerdere waterstofauto’s. De meeste zijn conceptauto’s. Tot deze milieuvriendelijke rijmachines behoort de Chevrolet Equinox. De BMW 745h is een ander voorbeeld. De Honda FCX is momenteel beschikbaar voor lease in Californië.
Wat een waterstofauto mogelijk maakt, is een brandstofcel. Het zet waterstof om in elektriciteit. De enige bijproducten zijn warmte en water. Omdat het niet vervuilend is, lijkt waterstof de ideale brandstof voor de 21e eeuw. Veel mensen binnen de overheid en de auto-industrie zijn enthousiast over de mogelijkheden ervan. Waterstofauto’s hebben het potentieel om zuiniger te rijden. Ze bieden de hoop op milieuvriendelijk en groen rijden.
“Tenzij je toevallig in heel specifieke delen van het land woont en zakken vol contant geld hebt, verwacht dan niet dat er binnen tien jaar een waterstofauto op je oprit staat.”
Er zijn nog veel problemen die overwonnen moeten worden. Er moeten vragen worden beantwoord voordat waterstof de voorkeursbrandstof wordt. Het moet veel verschil maken in ons huidige gebruik van fossiele brandstoffen. Waar halen we bijvoorbeeld de waterstof vandaan? Hoe duur zullen deze zuinige auto’s in aanschaf zijn? Lukt het jou om een waterstoftankstation te vinden waar je je tank kunt bijvullen? En misschien wel het allerbelangrijkste: is waterstof als brandstof echt zo niet-vervuilend als het lijkt?
Op de volgende pagina’s zullen we deze vragen bekijken. Maar we kunnen u nu één snel antwoord geven. Tenzij je in heel specifieke delen van het land woont en zakken vol contant geld hebt, verwacht je niet dat er binnen tien jaar een waterstofauto op je oprit staat.
Waterstofbrandstofcellen
Sir William Robert Grove heeft niet zomaar een gadget uitgevonden. Hij keerde de natuurkunde om. In 1839 veranderde de wetenschapper uit Wales elektrolyse – het proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water in waterstof te splitsen – en draaide het om. Hij creëerde elektriciteit en water uit waterstof. Hij noemde het een gasvoltaïsche batterij. We noemen het een waterstofbrandstofcel.
Tientallen jaren later verfijnde Francis Bacon de technologie. Deze uitvinding vormt het hart van het moderne waterstofvoertuig.
Van ruimtecapsules tot stadsstraten
General Electric bouwde begin jaren zestig het eerste praktische systeem. Het dreef orbitale ruimtecapsules aan. In de jaren negentig reden brandstofcellen in stadsbussen. Haalbaarheid was geen gok. Het werd bewezen.
Beschouw een brandstofcel als een batterij met een egoprobleem. Een batterij houdt de brandstof binnen. Een brandstofcel moet worden bijgevuld. De brandstof ervan is waterstof. Het is het eenvoudigste element. Eén elektron. Eén proton.
De cel genereert energie door elektronen van protonen te strippen. Die elektronen stromen als een zuivere stroom. De geïoniseerde waterstofatomen ontmoeten zuurstof. Ze vormen water. Warmte is het andere bijproduct. Dat water komt meestal als stoom naar buiten.
Geen uitlaatemissies. Je rijdt, je ademt stoom uit.
De werking van PEM
Auto’s gebruiken een specifiek type cel. De brandstofcel met polymeeruitwisselingsmembraan. Het is licht. Het is klein.
Het heeft twee elektroden. Een negatief geladen anode. Een positief geladen kathode. Een katalysator. En een membraan.
Waterstof komt binnen als H2-moleculen. Twee waterstofatomen aan elkaar geketend. De katalysator aan de anode verbreekt de binding. Je krijgt waterstofionen (protonen) en elektronen. De ionen passeren het membraan. De elektronen kunnen dat niet. Ze moeten rondgaan.
Die omweg is de kracht. Je benut die stroom om werk te doen.
Zuurstof komt binnen bij de kathode. Daar komen de protonen en elektronen weer bij elkaar. Ze verbinden zich met zuurstof. Watervormen. Het grootste deel ervan wordt uitlaatgassen.
De cellen zijn plat. Dun. Ze stapelen. Meer cellen in de stapel betekenen een hogere spanning. Eenvoudige wiskunde.
Het Freedom Fuel-initiatief
Velen gingen ervan uit dat zuinige voertuigen, zoals auto’s op waterstof, het antwoord zouden zijn op de energievraag van de 21e eeuw. In 2003 heeft president George W. Bush deze overtuiging geuit. Hij kondigde een Freedom Fuel Initiative van $ 1,2 miljard aan.
Het doel? Ondersteuning van de ontwikkeling van brandstofcellen.
Er zijn twee belangrijke voordelen ten opzichte van fossiele brandstoffen. Ten eerste is de olie niet uitgeput. Wij behouden bestaande voorraden. We verminderen de afhankelijkheid van buitenlandse olie.
Ten tweede daalt de vervuiling tot nul. De enige bijproducten zijn warmte en water. De CO2-uitstoot van auto’s houdt verband met de opwarming van de aarde. Brandstofcellen voegen niets toe aan die stapel.
Op de volgende pagina kijken we naar de productie. Hoe deze auto’s worden gebouwd. En nog belangrijker: waar de waterstof vandaan komt.
Het maken van een waterstofauto is geen rocket science. Het verschilt nauwelijks van het bouwen van een standaard voertuig met een verbrandingsmotor. De aandrijflijn en de elektrische architectuur vangen uiteraard de klap op. Een brandstofcelstapel wekt elektriciteit op in plaats van gas te verbranden. Dat betekent dat de aandrijflijn meer DNA deelt met een batterij-elektrisch voertuig dan een traditionele sedan.
Het echte knelpunt zijn niet de assemblagelijnen. Het is de brandstof zelf.
Waterstof is het meest voorkomende element in het universum. Het vormt ongeveer 90 procent van alle atomen. Je zou denken dat het uitpakken ervan triviaal zou zijn. Denk nog eens na. Het is ook het lichtste element dat er bestaat. Eventuele vrije waterstof op het aardoppervlak blijft niet op zijn plaats. Het zweeft weg de ruimte in. Wat er nog op de planeet is, wordt opgesloten. Meestal in watermoleculen (H2O). Water bedekt het oppervlak van deze planeet. Veel ervan.
Hoe splitsen we die H2O-moleculen? Of zoeken we elders naar een bron?
De elektrolysemethode
Het eenvoudigste pad dateert van meer dan 150 jaar geleden en dateert van Sir William Grove. Elektrolyse. Leid een elektrische stroom door water en de H2O-moleculen vallen uit elkaar. Het proces weerspiegelt het omgekeerde van een brandstofcel. Het maakt gebruik van een anode en een kathode, meestal gemaakt van inerte metalen.
Wanneer de stroming het water raakt:
– Waterstof verzamelt zich bij de kathode.
– Zuurstof verzamelt zich bij de anode.
Het is langzaam. Maar het schaalt. Je kunt dit op industrieel niveau doen. Het is schoon als de elektriciteit schoon is.
De aardgassnelkoppeling
Er is een andere manier. Aardgas. Het zit vol koolwaterstoffen. Stoomreformatie haalt waterstof uit dat gas en laat de koolstof achter. Dit is momenteel de dominante methode voor waterstofproductie op industriële schaal. Het zal waarschijnlijk de eerste methode zijn die wordt gebruikt om de eerste golf brandstofcelvoertuigen van brandstof te voorzien.
Hier is de vangst. Stoomreformatie is afhankelijk van fossiele brandstoffen. Als het doel is om te stoppen met het verbranden van fossiele brandstoffen, is het gebruik van aardgas om waterstof te maken ironisch. Het is misschien wel de slechtst mogelijke bron voor een ‘groene’ brandstof.
Garagegrote installaties en wateraangedreven auto’s
Sommige experts dromen van miniatuurwaterstoffabrieken. Degenen die in uw garage passen. U hoeft niet naar een tankstation te gaan. Je zou gewoon thuis tanken.
Het extreme einde van dit idee suggereert het uitvoeren van elektrolyse in de auto zelf. Een auto die op water rijdt. Het klinkt als sciencefiction. Maar het vereist kracht. De elektriciteit voor elektrolyse moet ergens vandaan komen. Een batterij. Een auto op waterbasis zou dus nog steeds periodiek moeten worden opgeladen. Het is geen perpetuum mobile. Het verplaatst gewoon de energiebron van de pomp van een benzinestation naar een stopcontact.
De weg vooruit
Zijn deze groene rijmachines de toekomst? Velen hopen het. Maar het pad naar een door waterstof aangedreven wereld is bezaaid met potentiële wegversperringen. Productiekosten. Hiaten in de infrastructuur. Efficiëntieverliezen.
We zullen hierna naar die tegenslagen kijken.
Tegenslagen op waterstofauto’s
Je hoort de hype nog steeds. Waterstofbrandstofcellen worden vaak afgeschilderd als de heilige graal van schoon transport. Het klinkt schoon. Het klinkt efficiënt. Het klinkt als de toekomst. Maar de realiteit is rommeliger. Het duurt nog tientallen jaren voordat we zien dat deze voertuigen de wegen domineren. De hindernissen zijn niet alleen van technische aard. Ze zijn economisch, logistiek en eerlijk gezegd een beetje gênant voor de voorstanders van de technologie.
We kunnen de tegenslagen in drie emmers verdelen. De eerste is geld. Veel ervan. De tweede is de fysica van het opslaan van een gas dat weigert op zijn plaats te blijven. En de derde is de ongemakkelijke waarheid over waar die waterstof eigenlijk vandaan komt.
De infrastructuurnachtmerrie en het prijskaartje
Laten we het over dollars hebben. Als je vandaag een waterstofvoertuig zou kopen, zou je er nergens brandstof in kunnen stoppen.
Er is vrijwel geen tankinfrastructuur. Californië is de uitzondering. Gouverneur Arnold Schwarzenegger heeft hier vroeger hard voor gewerkt, dus je zult daar stations vinden. Elders? Probeer een dispenser te vinden. Het is als zoeken naar een speld in een hooiberg.
Het opbouwen van dat netwerk is niet goedkoop. Pessimistische schattingen schatten de kosten van een landelijke infrastructuur op 500 miljard dollar. En dat is geen weekendproject. Het kan vier decennia duren voordat het goed is.
Dan is er de auto zelf.
Brandstofcellen gebruiken platina als katalysator. Platina is duur. Erg duur. Een enkel voertuig kost meer dan $ 100.000. Sommige schattingen gaan zelfs nog hoger uit. Daarom koop je ze niet. Je verhuurt ze. En alleen in geselecteerde markten. De gemiddelde koper kan dit niet betalen.
Onderzoekers zijn op jacht naar goedkopere katalysatoren. We weten dat ze in laboratoria bestaan. Niemand weet wanneer ze zullen opschalen voor massaproductie. Tot die tijd blijft het prijskaartje een barrière.
Het opslagfysische probleem
Waterstof is een gas. Het breidt zich uit. Het wil elke beschikbare kubieke centimeter vullen. Het samenpersen ervan in een tank voor een auto is een technische hoofdpijn.
Maar er is een thermisch probleem dat de meeste mensen over het hoofd zien. Wanneer waterstof in een tank op een geparkeerde auto zit, warmt het op. Het gas zet uit. De druk neemt toe. De tank moet overtollige waterstof afblazen om scheuren te voorkomen.
De auto een paar dagen laten staan? Mogelijk vindt u de tank leeg. Al die brandstof lekte weg omdat de fysica van thermische uitzetting hem dwong te ontsnappen. Dat is niet alleen inefficiënt. Het is een veiligheidsrisico.
Waterstof is zeer brandbaar. Herinnert u zich de ramp met de Hindenburg in de jaren dertig nog? Die explosie was waarschijnlijk een waterstofbrand. Het is een terechte angst.
Er is echter een zilveren randje. Waterstofbranden branden koeler dan benzinebranden. Het is minder waarschijnlijk dat ze secundaire explosies veroorzaken. En omdat waterstof lichter is dan lucht, stijgt het. Als het ontsnapt, zweeft het snel weg. Het blijft niet zoals benzine op de grond liggen. Het risico op een explosie op grondniveau is dus kleiner. Maar het gevaar van een lek blijft een aanhoudende technische uitdaging.
De vervuilingsparadox
Hier is de kicker. Is waterstof echt niet vervuilend?
De uitlaat zegt ja. De enige emissies van een brandstofcel zijn warmte en water. Schoon. Zuiver. Mooi.
Maar kijk naar de bron. De waterstof moet ergens gemaakt worden.
De meeste waterstof komt uit aardgas. Bij dit proces, genaamd steam methaan reforming, komt kooldioxide vrij. We gebruiken een fossiele brandstof om een ‘schone’ brandstof te creëren. Het verslaat het doel.
Dan is er elektrolyse. Watermoleculen splitsen met behulp van elektriciteit. Als die elektriciteit uit een kolencentrale komt, verplaats je de vervuiling alleen maar van de auto naar het elektriciteitsnet. Je elimineert het niet. Je verplaatst het gewoon.
De emissies gedurende de levenscyclus zijn van belang. Als de energie om de brandstof te produceren vervuild is, is de brandstof vervuild.
Het hybride alternatief
Optimisten zeggen dat we deze problemen zullen oplossen. Ze zeggen dat de infrastructuur zal komen. De kosten zullen dalen. De opslag zal stabiliseren.
Maar de tijdlijn is lang. Decennia, geen jaren.
In de tussentijd hebben we betere opties voor onmiddellijke efficiëntie. Hybride elektrische voertuigen zijn er nu. Ze werken. Ze zijn betaalbaar. Je kunt ze vandaag nog kopen.
De Toyota Prius. De Ford Fusion Hybride. Deze auto’s hebben geen nieuwe infrastructuur nodig. Ze vertrouwen niet op zeldzame metalen zoals platina tegen onbetaalbare prijzen. Ze lekken geen brandstof in de atmosfeer vanwege thermische uitzetting.
Voorlopig zijn hybriden de pragmatische keuze. Waterstof zou nog steeds het doel voor de verre toekomst kunnen zijn. Maar de weg daarheen wordt geblokkeerd door natuurkunde, politiek en pure economie.
Wij blijven wachten op de waterstofdageraad. Het zou kunnen komen. Maar de zon komt eerst elders op.
