De transportsector verdubbelt zijn inspanningen om zijn impact op het milieu te verminderen en waterstof lijkt een veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen.
- De opkomst van goedkope, hernieuwbare waterstof
- Europa gaat voor waterstof
- Duitsland onthult ’s werelds eerste waterstoftrein
- NASA wil een elektrisch vliegtuig bouwen dat vliegt op cryogene vloeibare waterstof
- Toyota Mirai – de waterstofauto waar we op hebben gewacht?
- Is waterstof de brandstof van de toekomst?
Nu de wereld zich steeds meer bewust wordt van de gevolgen van klimaatverandering, komen bedrijven in allerlei bedrijfstakken in toenemende mate onder druk te staan om een manier te vinden hun broeikasgasemissies terug te dringen. De transportsector is een van ’s werelds grootste vervuilers en verantwoordelijk voor 14 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot. De sector erkent de noodzaak om zijn impact op het milieu te verminderen en werkt aan betere brandstofefficiëntie van nieuwe auto’s en doet er alles aan om hun schadelijke uitstoot te minimaliseren. Deze sector heeft bovendien fors geïnvesteerd in technologieën waarmee het zijn afhankelijkheid van fossiele brandstoffen kan verminderen. Elektrische voertuigen worden bijvoorbeeld een steeds populairdere optie bij de consument. Hoewel deze nog steeds een relatief klein deel van de markt vertegenwoordigen, groeit dit marktaandeel gestaag. Er is momenteel ook geen enkele grote autofabrikant die niet minstens één van deze voertuigen in productie heeft.
Hoewel de focus momenteel is gericht op elektrische auto’s, is dat voor de transportsector niet de enige manier om de impact op het milieu te verminderen. Waterstofgas wordt door experts al langere tijd gezien als de brandstof van de toekomst – een koolstofarm alternatief voor fossiele brandstoffen die ervoor zou kunnen zorgen dat de sector op een dag nulemissies bereikt. De productie van waterstof is in de afgelopen jaren gestaag toegenomen en deze trend zal in de toekomst naar verwachting doorzetten. Volgens een recent rapport van Research and Markets zal de wereldwijde markt voor waterstofproductie groeien van $135,5 miljard in 2018 tot $199,1 miljard in 2023. Er zijn momenteel vier manieren om waterstof te produceren: stoommethaanreformatie (SMR), oxidatie, vergassing en elektrolyse. Slechts één hiervan, elektrolyse, heeft echter het potentieel om waterstof te produceren zonder CO2 uit te stoten. Bij de overige drie manieren wordt ook weer gebruikgemaakt van fossiele brandstoffen. Omdat de elektrolyse-units die nodig zijn om dit proces te voltooien tot dusver enorm kostbaar zijn geweest, maakt deze methode slechts voor 4 procent deel uit van de wereldwijde waterstofproductie. Daar lijkt in de toekomst echter verandering in te komen.
De opkomst van goedkope hernieuwbare waterstof
Onderzoekers van verschillende Duitse universiteiten hebben, in samenwerking met hun collega’s van Stanford University, onlangs een theoretisch model gebouwd van een windmolenpark dat is aangesloten op een elektrolyse-unit. Dit hebben ze gedaan om uit te zoeken of een dergelijk systeem rendabel zou kunnen zijn. In een artikel dat in het tijdschrift Nature Energy verscheen beschrijven de onderzoekers een model dat is genormaliseerd op een systeem van één kilowatt en gecombineerd met een elektrolyse-unit met polymeer-elektrolytmembraan (PEM). Op deze manier kunnen investeerders alle door het systeem gegenereerde elektriciteit terug verkopen aan het net. Ze kunnen de elektriciteit ook gebruiken om de PEM-elektrolyse-unit van stroom te voorzien en in plaats daarvan de waterstof te verkopen die het systeem produceert.
Op basis van de historische elektriciteitsprijzen bepaalden de onderzoekers dat de prijs van waterstof $3,59 per kilogram zou moeten zijn om geen verlies te draaien. Zelfs dan zou het echter niet kunnen concurreren met de grootschalige productie van waterstof die gesynthetiseerd wordt uit fossiele brandstoffen. Deze variant wordt momenteel verkocht voor $1,66 – $2,77 per kilogram, wat een eenvoudige verklaring is voor het gebrek aan hernieuwbare waterstofsystemen. Maar verandering is op komst, want dankzij de dalende prijzen van windturbines en elektrolyse-units is de prijs van hernieuwbare waterstofsystemen in de periode tussen 2003 en 2016 volgens de onderzoekers ook met bijna 5 procent gedaald.
Als deze trend zich in de toekomst in hetzelfde tempo voortzet, zullen de prijzen van hernieuwbare waterstof naar verwachting binnen tien jaar kunnen concurreren met die van grootschalige industriële waterstof. Met een beetje hulp van de overheid voor de productie van hernieuwbare waterstof zou dit doel in de helft van de tijd kunnen worden bereikt. Helaas zijn lagere prijzen alleen echter niet voldoende om een revolutie in hernieuwbare waterstof teweeg te brengen. We zullen ook een manier moeten vinden om het opslagprobleem aan te pakken, meer tankstations te bouwen en het aantal voertuigen met waterstofbrandstofcellen te vergroten.
Europa gaat voor waterstof
Ørsted, het grootste energiebedrijf in Denemarken, heeft onlangs bekendgemaakt dat het een deel van zijn overtollige energie wil omzetten in waterstof. De bedoeling is om de door windturbines in de Noordzee opgewekte elektriciteit te gebruiken om de elektrolyse-units aan wal van power te voorzien. Deze installaties splitsen water in zuurstof en schone waterstof. Naast het leveren van een nieuwe schone energiebron voor voertuigen en industrieën, zal dit initiatief bovendien de druk van het Europese elektriciteitsnet verminderen door overtollig vermogen in de vorm van waterstofgas op te slaan en dit te gebruiken om perioden van zwakke wind en lage zonne-output te overbruggen.
Hoewel veel Amerikaanse experts het idee van elektriciteit omzetten in gas verwerpen onder het mom van ‘het is te duur’, erkent Europa dit juist als de beste manier om de impact van de energiesector op het milieu terug te dringen. “Om de doelstellingen voor klimaatbescherming te bereiken, hebben we nog meer duurzame energie nodig. Groene waterstof wordt gezien als een van de meest veelbelovende manieren om deze energietransitie te laten plaatsvinden”, zegt Armin Schnettler, hoofd energie- en elektronica-onderzoek bij Siemens, de Duitse conglomeraat in elektronica en elektrotechniek. Er zijn momenteel meer dan 45 demoprojecten in heel Europa die gericht zijn op het verbeteren van elektriciteit-naar-gas-technologieën en hun integratie met bestaande stroomnetten en gasnetwerken. De meeste van deze projecten hadden als doel om een manier te vinden om de efficiëntie en duurzaamheid van elektrolyse-units te verbeteren en de kosten ervan te verlagen. Siemens werkt bijvoorbeeld aan technologie die 10 megawatt kan omzetten en elk jaar voldoende waterstof kan produceren om ongeveer 3.000 huizen te verwarmen of 100 bussen te laten rijden.
Duitsland onthult ’s werelds eerste waterstoftrein
De Europese spoorwegfabrikant Alstom heeft onlangs de lancering van ’s werelds eerste waterstoftrein, Coradia iLint, aangekondigd. Twee van de drie nieuwe treinen zullen voor het eerst in gebruik worden genomen in Nedersaksen in Duitsland, waar ze passagiers over een 100 kilometer lang spoor door de noordelijke steden Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde en Buxtehude zullen vervoeren. De treinen hebben een topsnelheid van 140 kilometer per uur en kunnen op een enkele tank waterstof 1.000 kilometer afleggen, wat vergelijkbaar is met het bereik van dieseltreinen. Overtollige energie wordt opgeslagen in ion-lithiumbatterijen aan boord van de trein. Het is de bedoeling dat de treinen tanken vanuit een stalen container die op het treinstation in Bremervörde is geïnstalleerd. Het bedrijf heeft bovendien plannen onthuld om een stationair tankstation te bouwen ter ondersteuning van de toekomstige uitbreiding van de treinvloot.
“De eerste waterstoftrein ter wereld gaat nu passagiers vervoeren en is klaar voor serieproductie”, zegt Henri Poupart-Lafarge, de voorzitter en algemeen directeur van Alstom. “De Coradia iLint luidt een nieuw tijdperk van emissievrij spoorvervoer in”. In tegenstelling tot voertuigen op batterijen, hoeven voertuigen op waterstof ‘s nachts niet te worden opgeladen en kunnen ze net zo snel worden bijgetankt als voertuigen op fossiele brandstoffen. Bovendien zijn ze veel stiller dan diesellocomotieven omdat ze door elektromotoren worden aangedreven. Het is de bedoeling dat de nulemissietreinen hun diesel-tegenhangers vervangen en als alles volgens plan verloopt zal het bedrijf vóór 2021 nog 14 waterstoftreinen aan zijn vloot toevoegen. Verschillende andere landen, waaronder Nederland, het VK, Italië, Denemarken, Noorwegen en Canada, hebben inmiddels ook belangstelling getoond voor de waterstoftreinen.
NASA wil een elektrisch vliegtuig bouwen dat vliegt op cryogene vloeibare waterstof
De luchtvaartindustrie werkt ook hard om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Een team van onderzoekers van de University of Illinois heeft onlangs een nieuw door NASA gefinancierd project aangekondigd met de naam ‘Center for Cryogenic High-Efficiency Electrical Technologies for Aircraft’ (CHEETA). Dit project heeft als doel een volledig elektrisch vliegtuig te ontwikkelen dat wordt aangedreven door cryogene vloeibare waterstof.
Hoewel men waterstofbrandstofcellen al geruime tijd ziet als de toekomst van transport, zijn we met de huidige technologie niet in staat om brandstofcellen te ontwikkelen die voldoende energiedichtheid hebben om een jet aan te drijven zonder dat deze te zwaar wordt. NASA wil hier nu verandering in brengen en heeft onderzoekers $6 miljoen gegeven om een oplossing te vinden voor deze uitdaging. Om de omvang van waterstofbrandsttofcellen te verminderen en de energiedichtheid ervan te verhogen, besloten de onderzoekers de waterstof cryogeen te koelen en in vloeibare vorm op te slaan. Aangezien er voor dit type waterstofsysteem ook extreem lage temperaturen nodig zijn, zou het cryogeen ook kunnen fungeren als koeling om supergeleidende energietransmissie en krachtige motoren mogelijk te maken. Hierdoor wordt de algehele efficiëntie, het specifieke vermogen en het nominale vermogen van de voortstuwing van elektrische vliegtuigen aanzienlijk verhoogd.
“Het primaire doel van het huidige programma is de vroege ontwikkeling van technologieën die kunnen worden gebruikt voor het beoogde vliegtuigplatform. Hoewel er tegenwoordig geen gebrek is aan conceptuele voertuigen met elektrische voortstuwingssystemen, bestaan de elektrische motor, de vermogenselektronica, het systeembeheer en de voortstuwingsintegratie om deze voertuigen te realiseren nog niet. “Ons team probeert deze kloof te dichten door de mogelijkheden van sleuteltechnologieën voor grote geëlektrificeerde commerciële vliegtuigen van de toekomst te verbeteren”, zegt Phillip Ansell, hoofdonderzoeker voor het project en universitair docent van het Department of Aerospace Engineering.
Toyota Mirai – de waterstofauto waar we op hebben gewacht?
Hoewel de meeste autofabrikanten in de wereld focussen op elektrische voertuigen om de uitstoot van broeikasgassen in deze sector te verminderen, geeft de Japanse autogigant Toyota de voorkeur aan een iets andere benadering. Het bedrijf onthulde onlangs een nieuwe versie van zijn waterstofvoertuig Mirai. Het heeft een verbeterd ontwerp, efficiëntere rijprestaties en een aanzienlijk grotere actieradius. De Mirai heeft vijf zitplaatsen en achterwielaandrijving en is gebouwd op hetzelfde modulaire voertuigplatform als de luxe Lexus LS-sedan. De nieuwe Mirai gaat naar verwachting in 2020 in Japan, Noord-Amerika en Europa in de verkoop.
Toyota heeft op nog niet veel technische details onthuld, maar de nieuwe versie zal naar verwachting het 152 pk vermogen en de 335 Nm koppel overschrijden. De nieuwe versie zal ook worden uitgerust met een verbeterde brandstofcel die meer waterstof kan opslaan, waardoor het voertuig een actieradius krijgt van 700 kilometer, wat voor elke andere elektrische auto moeilijk te evenaren zal zijn. Volgens Shigeki Terashi, de vice-president en chief technology officer van Toyota, is het bedrijf ook van plan de technologie aan zijn wereldwijde partners aan te bieden voor gebruik in bussen, vrachtwagens en andere transportmiddelen.
Is waterstof de brandstof van de toekomst?
Waterstof werd ooit de brandstof van de toekomst genoemd maar heeft deze belofte tot nog toe niet kunnen waarmaken. Hierdoor heeft de transportsector zijn aandacht geleidelijk verlegd naar andere oplossingen om zijn impact op het milieu te verminderen. Dankzij recente technologische vooruitgang staat waterstof echter opnieuw in de schijnwerpers als een potentieel alternatief voor fossiele brandstoffen. En deze keer lijkt de droom toch echt werkelijkheid te kunnen worden.
Duitsland gaat de eerste waterstoftreinen binnenkort in gebruik nemen, NASA werkt aan een volledig elektrisch vliegtuig op cryogene vloeibare waterstof en een aantal van ’s werelds grootste autofabrikanten beginnen deze brandstofbron langzaam maar zeker steeds meer te omarmen. Of waterstof echt de brandstof van de toekomst is zal alleen de tijd ons leren. Een ding is zeker, de ontwikkelingen op dit gebied zijn een stap in de goede richting en brengen een koolstofarme transportsector in ieder geval in het vizier.
