Waterstof: (auto)brandstof van de toekomst of zonder toekomst?

Waterstof is een vaak genoemde oplossing als het gaat over de energietransitie en duurzame mobiliteit. In de Europese Green Deal wordt het zeker gezien als eén van de oplossingen om de klimaatdoelstellingen te halen. Bij het gebruik van waterstof komt er namelijk geen CO2 vrij. Geen wonder dus dat Europa veel aandacht besteedt aan deze technologie voor de reductie van broeikasgassen, niet alleen voor de industrie, maar ook voor transport, verantwoordelijk voor 27% van de CO2-emissie in Europa. Een ‘mirakeloplossing’ dus, al blijkt de technologie het in de race naar de vermindering van de CO2-uitstoot voorlopig toch te moeten afleggen tegen elektrische voertuigen.

Blijft dat zo, of is het een kwestie van tijd vooraleer waterstofauto’s alomtegenwoordig zullen zijn bij de concessiehouders en in het straatbeeld? Hoe werkt een waterstofauto? Wat zijn de voor- en nadelen van de technologie, en wat mogen we verwachten in de (nabije) toekomst? Genoeg vragen voor een aangenaam gesprek met Sjoerd Zijlstra, directeur Studies & Training Development en in-house waterstofexpert bij Educam.

Laten we beginnen bij het begin: wat is waterstof?

Waterstof, de H helemaal links bovenaan in de tabel van Mendeljev, is het meest voorkomende en kleinste scheikundig element op onze planeet. Het is onschadelijk, heel vluchtig, reukloos, onzichtbaar, extreem ontvlambaar, maar het bevat heel wat energie. Het komt in de natuur echter niet voor in geïsoleerde vorm, enkel in verbindingen, zoals bijvoorbeeld in water, H2O. Als we het hier hebben over waterstof gaat het eigenlijk over de molecule waterstof, H2.

Waterstof kan je niet ontginnen. Je moet het produceren. Het kan als restproduct gehaald worden uit chemische processen. Momenteel wordt het vooral gemaakt uit aardgas, maar dat is natuurlijk niet de beste oplossing omdat er een fossiele energiebron wordt gebruikt en er CO2 vrijkomt tijdens het productieproces.

Dat is niet helemaal wat de klimaatdoelstellingen beogen?

Dat klopt gedeeltelijk. Men spreekt in dat verband trouwens over ‘grijze waterstof’. Niet ideaal, maar het is eerder een tussenstap. Er zijn andere manieren om waterstof te produceren, zoals elektrolyse, waarbij H2 door middel van elektriciteit onttrokken wordt aan water. Als die elektriciteit wordt opgewekt met hernieuwbare energiebronnen, zoals zonnepanelen, windmolens of waterkrachtcentrales, dan is het hele proces wel ecologisch. Waterstof is een energiedrager, je kan de energie opslaan in waterstof om die later te gebruiken. Dat is wellicht het grootste voordeel, zeker wanneer we volledig zullen overschakelen naar hernieuwbare energie. Zonnepanelen of windmolens zijn geen stabiele energiebronnen omdat ze meer of minder energie produceren al naargelang de weersomstandigheden. Op heel zonnige of winderige dagen overstijgt de energieproductie van zonnepanelen of windmolens ruimschoots de vraag. Handig als je dat teveel aan energie dan kan bewaren in de vorm van waterstof totdat de vraag weer toeneemt. De waterstof kan dan getransporteerd worden, bijvoorbeeld via pijpleidingen naar de plaats waar ze nodig is.

Hoe werkt waterstof eigenlijk in een auto? Rijdt de auto op waterstof zoals een benzine- of dieselauto?

Dat zou inderdaad kunnen. Er zijn heavy-duty machines op de markt die op deze manier werken. Ze starten op met diesel en schakelen daarna over op waterstof. Maar dan zit je nog steeds met het lagere rendement van een verbrandingsmotor. Voordeel is wel dat er bij de verbranding van H2 enkel water vrijkomt. Zo’n motor produceert dus water, maar rijdt niet op water voor alle duidelijkheid.

Als we het hebben over waterstofvoertuigen, dan gaat het om een andere technologie, namelijk de brandstofcel of fuel cell. De auto is voorzien van een waterstoftank en een brandstofcel. Het waterstofgas (H2) uit de brandstoftank wordt in de brandstofcel gecombineerd met zuurstof. Daarbij ontstaat elektrische energie die een of meerdere elektromotoren direct kan aandrijven, met water (H2O) als enige restproduct. Verder heeft de auto ook een bufferbatterij die wordt gebruikt voor het accelereren en remmen en waarin de remenergie kan worden opgeslagen.

In feite is de auto dan een volledig elektrische wagen, net zoals de elektrische auto met een accu. In vaktaal worden ze daarom respectievelijk aangeduid als Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) en Battery Electric Vehicle (BEV). Bij een batterij wordt de opgeslagen energie eenmalig vrijgegeven en raakt ze na verloop van tijd op totdat de batterij weer is opgeladen. Het grote voordeel van de brandstofcel is dat er continu elektriciteit wordt vrijgegeven zolang er waterstof wordt toegevoegd. Samen met het lagere gewicht van de H2-brandstofcel – in vergelijking van dat van de elektrische batterij – zorgt dat voor een groter rijbereik.

En de waterstof, kan je die gewoon bijtanken zoals diesel of benzine?

Ja, dat kan zeker, uiteraard aan een speciale waterstofpomp. Maar het is net zo eenvoudig. Het vullen van een tank van 5 kg waterstof duurt ongeveer 5 minuten en heeft een rijbereik, al naargelang het model auto, van om en bij de 6 à 700 km. De nieuwe Toyota Mirai zou zelfs een actieradius hebben van 1.000 km. Het opladen van een elektrische batterij aan een snellader neemt al vlug 45 à 50 minuten in beslag en bij een gewoon stopcontact spreken we al makkelijk van een aantal uren. Maar die batterij kan je wel opladen wanneer je de wagen niet gebruikt.

Het nadeel van waterstof is het volume. Het is maar liefst 14 keer lichter dan lucht. In gasvorm en bij normale druk heeft 1 kg waterstof een volume van 12m3! Dat is enorm. Daarom wordt het sterk samengedrukt, tot wel 700 bar, om tot een aanvaardbaar volume te komen. Om een idee te geven, om 5 kg waterstof op te slaan heb je 2 tanks nodig ter grootte van een LPG-tank. Het hele systeem weegt een stuk minder dan de accu van een elektrische wagen, maar het neemt meer plaats in.

Rijden er in ons land al waterstofauto’s rond? Je ziet ze alleszins weinig in het straatbeeld.

Ja, het precieze aantal ken ik niet, maar het is voorlopig nog een niche-product. Wat personenauto’s betreft zijn er voorlopig maar twee modellen beschikbaar op de Belgische markt: de Toyota Mirai en de Hyundai Nexo. Maar achter de schermen zijn heel wat constructeurs bezig met de ontwikkeling van FECV’s. BMW komt met een H2-auto. Mercedes heeft onlangs een aantal H2-modellen aan het Europees Parlement geleverd om te proefrijden. Intussen heeft Renault aangekondigd een Master op waterstof op de markt te brengen. Land Rover spreekt van een prototype klaar van een H2-Defender en de Stellantis-groep spreekt over kleine bedrijfsvoertuigen. Er beweegt dus wat in de autosector. In een aantal steden maken de openbare vervoermaatschappijen ook al gebruik van bussen op waterstof. Het is misschien nog iets te vroeg voor de grote doorbraak, maar er kan veel veranderen op enkele jaren tijd.

Misschien heeft waterstof bij het grote publiek ook wel een imagoprobleem inzake veiligheid, want het is toch wel een heel ontvlambaar product. Sommige mensen spreken zelfs van een rijdende bom?

Tja, dat zijn zo van die fabeltjes. Ik denk dat dat deels komt door onwetendheid, deels door een zekere initiële weerstand die er bij de mensen altijd wel leeft bij de introductie van een nieuwe technologie. Waterstof is erg ontvlambaar en heeft inderdaad weinig energie nodig om te ontbranden.

De waterstoftanks zijn gemaakt uit speciaal carbon dat een druk van 700 bar kan weerstaan. Bovendien worden de tanks aan heel speciale testen onderworpen. Er wordt zelfs op geschoten. De tanks zitten ook steevast tussen de achterwielen van de wagen, zowat de veiligste plek bij een crash. En ze moeten ook alle NCAP-testen doorlopen. Dat is niet anders dan bij benzine- of dieselwagens. Heel het systeem is ook voorzien van veiligheden en lekdetectiesystemen. Qua veiligheid hoeft een waterstofauto echt niet onder te doen, integendeel.

We zien intussen dat de verkoop van elektrische auto’s gaandeweg toeneemt. Constructeurs zetten ook volop in op batterij-elektrische wagens. Het pleit lijkt wel beslecht.  Heeft de waterstofauto wel een toekomst of is het een veelbelovende technologie die een vroege dood gaat sterven?

Dat denk ik niet. We zullen beide technologieën nodig hebben om de klimaatdoelstellingen op vlak van transport te halen. Ik zie ze veeleer naast elkaar bestaan. De EU en andere overheden leggen normen op rond CO2-uitstoot en klimaat, maar zij spreken zich niet uit over de technologie. En vergeet niet, achter de schermen zijn heel wat constructeurs in alle stilte bezig met de waterstoftechnologie.

Het is geen of-of-verhaal. Ik denk dat beide technologieën, FCEV en BEV, zich verder zullen ontwikkelen en dat ze beiden hun plaats hebben in het verhaal, maar dan eerder in functie van het soort vervoer. Waterstof zal ongetwijfeld een belangrijke rol spelen. Zeker bij vrachtvervoer, dat voorlopig alleen maar op diesel rijdt en veel CO2 uitstoot, kan waterstof een belangrijke rol spelen. Vrachtwagens hebben immers genoeg ruimte voor waterstoftanks. Zij hebben vaak een gewichtslimiet en daar zijn zware accu’s in het nadeel. Maar ook voor lange verplaatsingen in persoenenwagens is waterstof in het voordeel door de snelle manier van tanken langs de weg en de grotere actieradius. De elektrische auto is eerder voor stadsverkeer en kortere verplaatsingen.

Toegegeven, waterstofbevoorrading is voorlopig nog een probleem. In België zijn er momenteel 3 waterstofstations en is er een vierde in aanbouw. Ter vergelijking, Nederland telt 7 H2-stations en 3 in aanbouw, en Duitsland heeft er 91 en 17 in aanbouw. En een FCEV is voorlopig nog heel duur.

Maar vergeet niet, de batterij-elektrische wagen is er ook niet gekomen zonder slag of stoot. Er was ook weerstand van de consument, met name over het rijbereik. Er waren zeker in het begin onvoldoende laadpalen, maar daar wordt intussen hard aan gewerkt. Elektrische auto’s waren aanvankelijk ook veel duurder in aankoop dan een gewone benzine- of dieselwagen, maar door allerlei fiscale incentives worden ze alsmaar goedkoper. Dat gaat dus in de goede richting. En ik zie niet in waarom die er niet zouden kunnen komen voor FCEV’s?

De waterstoftechnologie heeft dus wel een aantal troeven om een rol van betekenis te spelen in de transportsector van morgen?

Veel zal afhangen van hoe de technologieën verder gaan evolueren. Kijk maar naar de technologische ontwikkelingen op het vlak van de elektrische batterijen en de vooruitgang die daar is geboekt op zeer korte tijd. Ik ben er zeker van dat de batterijen in de toekomst nog lichter zullen worden en meer rijbereik zullen genereren. Misschien komen er batterijen op de markt die minder afhankelijk zullen zijn van bepaalde schaarse grondstoffen. Want de ontginning van die stoffen heeft ook een klimaatkost.