Yamaha, Kawasaki en enkele automerken werken samen aan waterstoftechnologie. Dat wekt verbazing, want de politiek lijkt zich volledig op elektrisch vervoer te richten. Waarom investeren fabrikanten dan toch in waterstof?

Aardolievoorraden zijn niet oneindig. In het huidige tempo kunnen we nog maar een paar decennia vooruit. Daarnaast worden we dagelijks bestookt met mededelingen dat het de aarde opwarmt en dat de waterspiegel stijgt. We zien steeds grotere natuurrampen, van de grootste bosbranden tot de ergste overstromingen, we maken de warmste zomers in de geschiedenis mee, we zien ijskappen en gletsjers wegsmelten. Nu zijn er altijd temperatuurschommelingen geweest, ijstijden zijn gekomen en gegaan. Toch zijn de meeste wetenschappers ervan overtuigd dat het stijgende gehalte broeikasgassen – waaronder CO₂ en methaan – daarvan de oorzaak is.

Man made

Nu zorgt de natuur zelf ook voor een behoorlijke CO₂-productie, ongeveer 440 Gt per jaar, volgens NewScientist. Hoeveel van de CO₂-productie man-made is, verschilt afhankelijk van het onderzoek. Volgens NewScientist was dat in 2007 26,4 Gt, dus 5,2% van het totaal. Volgens Human emissions was dat 29 Gt in 2017, dus 6,2% van het totaal. Van de man-made CO₂ wordt 40% opgenomen door oceanen, maar dat helpt niet, want die worden daarvan steeds zuurder wat het onderwaterleven niet ten goede komt. De rest draagt bij aan een verhoging van het aandeel CO₂ in de lucht en dat zorgt – samen met andere broeikasgassen zoals methaan en CFK’s – voor een opwarming van het klimaat. Om de effecten van global warming te beperken tot 2° Celsius in het jaar 2100, moet de CO₂-concentratie in de atmosfeer in elk geval onder de 450 ppm-equivalent blijven. Daarvoor moet de uitstoot van CO₂ in het jaar 2030 met 55% zijn teruggebracht ten opzichte van 1990, de uitstoot moet in 2050 helemaal 0 zijn.

Wegtransport

Verbrandingsmotoren verbranden benzine of diesel. Dat zijn beide koolwaterstoffen, wat betekent dat de moleculen van deze brandstoffen zijn opgebouwd uit koolstof en waterstof. Als je het verbrandt komt er water en CO₂ vrij. Volgens de “International Organization of Motor Vehicle Manufacturers” is 15,9% van de man-made CO₂-uitstoot (dus 15,9 % van 6,2% als je de totale CO₂-productie bekijkt) afkomstig van wegtransport, de rest komt voornamelijk fabrieken, elektriciteitscentrales, cementproductie en verwarming. Klimaatplein.com stelt dat slechts 14% van de transportsector komt, 10% van het totaal is wegtransport. Dat kun je weer onderverdelen in vrachtauto’s, personenauto’s en motorfietsen.

Emissie-vrij?

Als we de CO₂-uitstoot willen terugdringen, zullen alle sectoren moeten bijdragen. Dus zullen ook de auto- en motorfietssector uit een ander vaatje moeten tappen. Een vaatje, dat geen CO₂ aan de atmosfeer toevoegt. In concreto betekent dit dat we op moeten houden met het verbranden van fossiele brandstoffen. Dus niet elektrisch rijden en dan tanken op stroom uit kolencentrales. In Nederland hebben we nog altijd maar 9% hernieuwbare elektriciteit, een kWh uit de Nederlandse energiemix levert zo’n 470 gram CO₂ op (bron: Electricity map). Het laden van een 75 kWh accu van een Tesla Model 3 levert met die mix dus een uitstoot 35,2 kg CO₂ op, waarmee een Tesla volgens de WLTP-norm 415 km vooruit kan (bron: Autoweek). Dat komt neer op 85 gram CO₂ per km. Dat doet een zuinig dieseltje al beter. En emissievrij is het zeker niet. Verre van.

Alternatieve energie

Om werkelijk CO₂ te reduceren, zal onze energie dus uit een andere bron moeten komen dan aardolie, kolen of gas. Dat kan zonne-energie, windenergie, kernenergie of biobrandstof zijn. Biobrandstof valt eigenlijk vrij snel af: Het is weliswaar CO₂-neutraal, maar om landbouwgrond te gebruiken voor biobrandstof terwijl we niet genoeg eten hebben voor de wereldbevolking, dat is moreel niet goed te praten. Oerbos kappen voor brandstof ook niet en regenwoud kappen voor landbouwgrond al helemaal niet, want dan hebben we straks geen zuurstof meer. Kernenergie valt volgens een recent artikel in Trouw eigenlijk ook af, omdat met dezelfde investering een grotere capaciteit aan wind- en zonne-energie kunt genereren en het 20 jaar duurt voor je een kerncentrale gebouwd en in productie hebt. Too little, too late dus. Investeringen in zon en wind leveren veel sneller resultaat en dat is nodig.

Zon en wind

Willen we naar een duurzame toekomst, dan zal onze energie dus uit zon en wind moeten komen. Dat levert een paar praktische, voor de hand liggende problemen op: het waait niet altijd even hard en de zon zien we alleen overdag, terwijl de lichtintensiteit op bewolkte dagen ook beperkt is, wat voor een verminderde effectiviteit van zonnepanelen zorgt. Bovendien hebben flatgebouwen relatief weinig dak voor zonnepanelen en is er in de stad geen ruimte voor windmolens. De energie moet dus worden getransporteerd van waar het wordt opgewekt naar waar het nodig is en opgeslagen tot wanneer het nodig is. En – in het geval van mobiliteit – moet het op een mobiele manier worden opgeslagen, zodat je het mee kunt nemen. Een verlengsnoer is immers al gauw te kort.

BEV

Een van de oplossingen is een BEV. De afkorting staat voor Battery Electric Vehicle, oftewel een elektrische auto of motorfiets waarin de energie wordt opgeslagen in een accu. Op zich niets nieuws, elektrische auto’s waren er meer dan een eeuw geleden al. Die verloren het destijds van de verbrandingsmotor vanwege de kleine actieradius, de lange laadtijd en de gebrekkige kwaliteit van de accu’s. Loodaccu’s kunnen immers slecht tegen diep ontladen. Tegenwoordig hebben we echter veel betere (lithium-) accu’s en vooral ook veel betere, elektronische accumanagementsystemen, waardoor accu’s langer meegaan. Maar helemaal perfect zijn ze ook nog niet. De levensduur moet omhoog, want de industrie gaat nu uit van acht jaar voor een accupakket – hoewel ze in de praktijk langer mee blijken te gaan. Versleten betekent trouwens dat je minder dan 70% actieradius over hebt. Je staat dus niet meteen stil. Verder moet de energie-inhoud omhoog voor een groter actieradius en de laadtijd moet omlaag, tenzij de energie-inhoud zo groot kan worden dat de actieradius groter wordt dan het menselijk uithoudingsvermogen. Dan kun je altijd ’s nachts tanken, als je toch in bed ligt.

Verschillende Lithium-batterijen

Om de batterijtechniek te verbeteren wordt er continue aan batterijtechniek gesleuteld. De lithium-ion accu, zoals die in 1991 door Sony werd geïntroduceerd, werkt met een anode van lithium-kobaltdioxide (LiCoO₂) en grafiet, met een celspanning van 3,7 Volt. De stabiliteit van dit element is echter niet zo goed. Bij temperaturen boven de 50° Celsius dreigt brand- en ontploffingsgevaar. In autobussen worden daarom op dit moment Lithium ijzerfosfaat-batterijen (LiFePO₄) gebruikt. Die hebben een lagere energiedichtheid, maar zijn stabieler. In auto’s vinden we vaak NMC-batterijen (Nikkel Mangaan Kobalt). Die geven een betere capaciteit. Voor de toekomst wordt ook nog gewerkt aan accu’s van lithium-zwavel en lithium zuurstof. Op korte termijn wordt meer verwacht van NMC-Li. Dat geeft meer capaciteit, 270 mAh/gram ten opzichte van 180 mAh/g voor NMC. Maar de holy grail is de solid-state batterij. Gewone lithium-batterijen hebben anodes en kathodes op een folie, met daartussen een membraan en een elektrolyt. Dat neemt ruimte in en vertraagt de migratie van ionen. Bij een solid-state zijn alle materialen als coatingen op elkaar aangebracht, zonder vloeistof. Dan kun je veel meer actief materiaal kwijt in dezelfde ruimte. De capaciteit zou op die manier met een factor 2,5 kunnen toenemen. Toyota en Panasonic hebben op dit moment prototypes van solid-state batterijen rondrijden en verwachten ze rond 2025 in productie te nemen.

Afnemende meeropbrengsten

Waarom zou een auto- of motorfabrikant overwegen om naast BEV-technologie nog andere technologie te ontwikkelen? Daar zijn een aantal redenen voor. De eerste is dat er beperkingen aan BEV’s zitten: als je een groter actieradius wil, heb je grotere accu’s nodig. Een NMC-batterij van 50 kWh weegt ongeveer 300 kg. Wil je de dubbele actieradius, heb je 600 kg accu’s nodig. Om dat gewicht mee te nemen moet het vervoermiddel steviger zijn en dus zwaarder worden gebouwd. Het transporteren van al dat extra gewicht kost extra energie. Hetzelfde geldt voor grotere auto’s. Die zijn zwaarder en dus heb je meer accu’s nodig voor hetzelfde actieradius. En daar wordt die auto weer zwaarder van. Wil je dan ook nog een groot actieradius, dan heb je nog meer accu’s nodig. Enfin, je ziet waar dit naartoe gaat: op een gegeven moment ga je meer energie steken in het transport van accu’s dan in de voortbeweging van de auto zelf en bij motorfietsen is het formaat een beperkende factor. Het rendement – de hoeveelheid kilometers die je per kWh haalt – daalt steeds verder naarmate het formaat en de actieradius van het voertuig toeneemt. Het is een soort wet van de afnemende meeropbrengsten. Dan is er nog een ander praktisch probleem: in NMC-batterijen zit kobalt. Er is naar schatting ongeveer 7,4 miljoen ton kobalt op de wereld. In 2017 was de winning 110.000 kg per jaar, jaarlijks stijgt de vraag met 6,6%. Er is dus niet genoeg kobalt om alle auto’s, motorfietsen en vrachtwagens elektrisch te maken. Nu probeert men het kobaltgehalte in accu’s wel terug te brengen en wellicht helemaal te elimineren, maar de vraag is in hoeverre dat lukken zal.

Waterstof

Elektrisch vervoer heeft dus haken en ogen. Wat daarom heel praktisch zou zijn, is als er een andere energiedrager voor zonne- en windenergie zou zijn. Een met een hele hoge energiedichtheid en een ultra-korte laad- of tanktijd. Die is er in de vorm van waterstof, het kleinste element in het periodiek systeem. Waterstof heeft een energie-inhoud van 34 kWh/kg. Helaas heeft het spul wel een hele lage dichtheid, bij kamertemperatuur is het een gas. Er is 700 bar nodig is om 5,6 kg H₂ – genoeg voor 650 km – in een 142 litertank van een Toyota Mirai te krijgen. Die tank is van carbonfiber om het gewicht laag te houden. Je tankt hem in drie minuten vol. Een Mirai gebruikt 0,79 liter waterstof per 100 km, om je een idee te geven. Dat doet de Mirai via een brandstofcel. In principe zou je waterstof ook in een verbrandingsmotor kunnen verbranden, dat is waar Kawasaki en Yamaha zich op richten. In beide gevallen wordt de waterstof dan teruggevormd naar water. De Firma Hyzon maakt trouwens al vrachtwagens met brandstofcel, nu al met een actieradius van 600 km.

Waterstof maken

Waterstof komt in de vrije natuur niet voor. Je moet het maken. Daar zijn verschillende methoden voor. Waar we naar toe willen, is dat je waterstof maakt met zonne- en windenergie. Dat werkt met elektrolyse. Het principe is simpel: je steekt twee elektroden in een bak water en je zet er gelijkspanning op. Dan ontstaan er gasbelletjes: aan de pluspool (de kathode) waterstof en aan de minpool (de anode) zuurstof. Dat komt omdat water bestaat uit waterstofatomen (H) en zuurstofatomen (O). Atomen bestaan, eenvoudig gezegd, uit een positief geladen kern met daaromheen “los” cirkelende elektronen, die negatief geladen zijn. Water is grotendeels H₂O, maar er komt ook H₃O⁺ en OH^– in voor. Die laatste heeft dus een elektron te veel, dat H₃O⁺ tekortkomt. De pluspool (de anode) heeft een gebrek aan elektronen. Vandaar dat de negatief geladen OH^– -ionen daardoor worden aangetrokken. Ze staan een elektron af en vormen zo zuurstof en water (4OH^– wordt O₂ + 2 H₂O + 4e^–). De minpool (de kathode) heeft een teveel aan elektronen, vandaar dat die negatief is. De positief geladen H₃-elektronen trekken er naartoe en nemen een elektron op (2H₃O + 2e^– wordt H₂ + 2H₂O). Om dit effect in stand te houden is een spanning van minimaal 1,229 Volt nodig. Het rendement van dit proces om “groene” waterstof te maken is ongeveer 70% volgens hieropgewekt.nl. Dat betekent dat 70% van de elektrische energie, die je gebruikt voor elektrolyse, in de vorm van chemische energie in waterstof is opgeslagen. Bij een accu ligt dat rendement overigens op ongeveer 85%.

Waterstof uit kolen en gas

Er zijn meer manieren om aan waterstof te komen. Je kunt steen- of bruinkool onder hoge druk zetten met zuurstof, zodat het verandert in synthetisch gas. Wanneer je dat met stoom mengt, ontstaat waterstof en kooldioxide, dat je weer kunt scheiden. Volgens het internetmagazine “De Ingenieur” komt bij dit proces per 160 ton kolen drie ton waterstof en honderd ton CO₂ vrij. Daar schiet je dus voor het milieu weinig mee op. Op dit moment wordt ongeveer een vijfde van alle waterstof van kolen gemaakt. Slechts 4% wordt momenteel als “groene” waterstof via elektrolyse met duurzame stroom gemaakt. De meeste waterstof wordt uit aardgas gehaald, door het te laten reageren met stoom van ongeveer 850 graden Celsius. De koolstof uit aardgas (CH₄ of methaan) wordt daarbij omgezet in CO₂. Ook dat is niet gunstig voor het milieu. Deze vormen noemt met “grijze” waterstof. Wordt de CO₂ opgevangen en opgeslagen dan noemt men het blauwe waterstof. De TU Eindhoven en TNO hebben onlangs echter een andere methode ontwikkeld: door aardgas te verhitten tot boven de 1000 graden Celsius blijkt het methaan via een plaat gesmolten metaal (Gallium) te splitsen in waterstof en vaste koolstof. Dit proces is echter nog niet productierijp. Het biedt wel hoop voor de toekomst.

Transport van waterstof

Waterstof moet onder hoge druk in zware gasflessen worden opgeslagen. Dat is een nadeel, want dat beperkt de transportmogelijkheden. Je hebt een 40 tons truck nodig om 400 kg gas te transporteren. Dat heeft weinig zin als afstanden groot worden, want op 1000 km verstook je zo driemaal zoveel energie dan je transporteert. Kawasaki heeft daarom een schip laten bouwen dat waterstof kan vervoeren, Praktischer is het echter om waterstof te maken waar je het tankt. Het waterstoftankstation in Arnhem biedt groene waterstof aan in twee vuldrukken: 350 Bar en 700 Bar. Op dit moment zijn er in Nederland vijf van dit soort waterstof-tankstations, maar er zit progressie in: in 2020 is in Noord-Nederland een zesjarig waterstofproject van start gegaan met 20 miljoen Euro subsidie van de Europese commissie en daarnaast een publiek-private cofinanciering van 70 miljoen Euro. Daarmee wordt een volledig functionerende groene waterstofketen in Noord-Nederland ontwikkeld. Een Amerikaans bedrijf is overigens bezig om een soort solid-state opslag te ontwikkelen: de waterstof hecht dan aan een katalysator en hoeft dan niet onder druk te worden opgeslagen. Het wordt door een laserstraal weer vrijgemaakt. Of dit ooit tot een productierijp model komt is natuurlijk weer een vraagteken.

Thuis tanken

Er zijn inmiddels bedrijven bezig met de ontwikkeling van thuis-tankstations, die waterstof maken uit aardgas of door elektrolyse van water met behulp van zonne-energie. Dat heeft ook een voordeel boven elektrisch laden van een BEV thuis, want de productie van waterstof kan de gehele dag plaatsvinden, niet pas als de auto thuiskomt. Dat voorkomt piekspanningen op, in dit geval, het aardgas- en waterleidingnet. Het kan echter nog een stap verder: Centraal waterstof produceren en dat vervolgens transporteren via het aardgasnet, als dat niet meer voor aardgas wordt gebruikt. Volgens KIWA is ons aardgasnet met enige aanpassingen geschikt te maken voor het transport van waterstofgas. Afdichtingen tussen afsluiters zouden dan vervangen moeten worden, verder zijn er aanpassingen aan compressoren nodig. Volgens deskundigen liggen die kosten tussen 200 en 300 miljoen euro. Dat is 2% is van de geschatte waarde van ons hele aardgasnetwerk. Waterstof kan straks door het bestaande, aangepaste aardgasnetwerk naar gebruikers door het hele land worden gedistribueerd.

E-fuels

Het idee van zonne- en wind-energie opslaan in een “brandstof” kun je nog een stapje verder doorvoeren. Je kunt CO₂ uit de atmosfeer halen en met duurzame elektriciteit splitsen in koolstof en zuurstof. De koolstof kun je via duurzame elektriciteit weer binden aan waterstof. Zo kun je dus koolwaterstoffen bouwen, van methaan tot ethaan en octaan en heptaan, benzine en zelfs diesel. Die brandstoffen kun je zonder aanpassingen in bestaande verbrandingsmotoren gebruiken en snel tanken via de bestaande infrastructuur. Het maken van die brandstoffen kost uiteraard meer energie. Maar aangezien elektrische voertuigen minder efficiënt worden naarmate ze groter worden of meer actieradius moeten hebben, komt er een moment dat het efficiënter wordt om op waterstof of een andere E-fuel te rijden.

Toekomst

De auto-industrie denkt geval dat elektrisch verkeer voornamelijk geschikt is voor stadsverkeer en afstanden kleiner dan 150 km. De brandstofcel of verbrandingsmotoren op e-fuels zijn beter geschikt voor grote afstanden en grote voertuigen of voor hybrides, die de korte afstanden elektrisch doen en de – relatief weinig voorkomende – grote afstanden op waterstof of e-fuel. Het verbieden van de verkoop van verbrandingsmotoren is dus dom en kortzichtig, want die kunnen CO₂-neutraal draaien op e-fuels en zijn ook in de toekomst onmisbaar. Je moet het gebruik van fossiele brandstof verbieden. Het is daarbij belangrijk om je te realiseren dat auto’s en motorfietsen wel 20 jaar meegaan. Je kunt de verkoop ervan in 2030 verbieden, maar dan rijden er tot 2050 nog verbrandingsmotoren rond. Die kun je beter op een CO₂-neutrale d-fuel laten lopen dan op fossiele brandstoffen.