Hoge verwachtingen voor waterstof - Een kijkje in toekomstige technologieën
Welke rol speelt waterstof bij het broeikasgassen vrij maken van de logistiek? Een overzicht van H2 als energiebron.
De verwachtingen in transport en logistiek voor waterstof (H2) als energiedrager zijn hoog gespannen. Deze hoop is zeker gerechtvaardigd. Dit meest overvloedig aanwezige chemische element van het heelal biedt als enige drie mogelijkheden voor klimaatbescherming, ook al moeten er voor de toepassing daarvan nog een aantal obstakels worden overwonnen.
Ten eerste heeft dit vluchtige gas de mogelijkheid om volledig emissievrij geproduceerd te worden. Met elektrolyse wordt water (H2O) door toevoer van elektriciteit gesplitst in zuurstof en waterstof. Dit wordt beschouwd als klimaatvriendelijk, op voorwaarde dat de elektriciteit afkomstig is van hernieuwbare bronnen zoals zon, wind of waterkracht.
Aangezien deze elektrolyse bijna een derde meer energie kost dan wat het uiteindelijk de waterstof oplevert, wordt de levering van voldoende goedkope groene elektriciteit beschouwd als de belangrijkste basis uitdaging op de weg naar een duurzame waterstofeconomie.
Een ander aspect dat hierbij vaak wordt vergeten is dat er voor elektrolyse op dit moment zoet water van drinkwaterkwaliteit nodig is, iets minder dan 10 liter water voor een kilo waterstof. Dit betekent dat de beoogde productielocaties voor H2, vaak droge gebieden met veel zon-uren, moeten investeren in een installatie voor de ontzilting van zeewater.
De tweede reden waarom er zoveel verwachtingen op waterstof rusten: H2 is de basisbouwsteen voor alle synthetische brandstoffen, ook bekend als eFuels, powerfuels, power-to-liquid of power-to-gas. Het eerste element van het periodiek systeem kan met koolstof en zuurstof worden gecombineerd en zo diverse koolwaterstofketens vormen zoals methaan, methanol, diesel of kerosine. De uitdaging: ook de hierbij noodzakelijk processen zijn behoorlijk energie verslindend.
Vaak wordt vergeten dat er naast de groene waterstof ook nog kooldioxide nodig is, dat eerst op emissievrije wijze aan de atmosfeer moet worden onttrokken. Alleen dan is de Efuel klimaatneutraal te noemen. Afhankelijk van de Powerfuel blijft er dan van de oorspronkelijk gebruikte duurzame energie slechts 40 tot 60 procent over aan het eind van de procesketen. Wanneer elektriciteit of waterstof echter niet direct gebruikt kunnen worden voor machineaandrijving of energietransport, is Efuel toch een waardevolle optie, bijvoorbeeld in de zee- en luchtvaart.
H2 als “motor” van de brandstofcel
De derde en ook doorslaggevende reden waarom H2 een belangrijke bouwsteen van de oplossing is: waterstof kan volledig vrij van broeikasgassen en luchtverontreinigende emissies weer worden omgezet in elektrische energie. Dit gebeurt in de brandstofcel, die in feite de tegenhanger is van elektrolyse. In een zogenaamde redoxreactie worden elektronen overgedragen van waterstof naar zuurstof in de atmosfeer. Dit resulteert in een elektrische stroom die kan worden gebruikt om motoren aan te drijven of batterijen op te laden. De enige "afvalproducten" zijn schone waterdamp en warmte. Bedrijfsvoertuigen maken gebruik van de Proton Exchange Membrane brandstofcel (PEM brandstofcel), die een hoog rendement heeft. Een vrachtwagen met wissellaadbak zou iets minder dan tien kilogram H2 per 100 kilometer verbruiken, zo blijkt uit de resultaten van DACHSER simulaties.
Ondanks de eerste positieve ervaringen met PEM-prototypes en vrachtwagens in kleine series, moeten er nog een aantal details worden uitgewerkt voordat de brandstofcel echt klaar is voor gebruik in de praktijk. Zo moeten zowel de getankte waterstof als de aangezogen atmosferische zuurstof uiterst zuiver zijn, zodat de gevoelige onderdelen van de brandstofcel niet te snel verontreinigd raken en de levensduur van het systeem in het gedrang komt. Naast geavanceerde luchtfiltertechnologie gebruiken autofabrikanten hiervoor noodgedwongen H2 5.0, wat betekent dat de waterstof een zuiverheidsgraad van ten minste 99,999 procent moet hebben. Een hoge eis voor het hele H2-voorzieningssysteem.
Een volgende uitdaging ligt in het bepalen van de beste manier om de waterstof in een vrachtwagen op te slaan. Dat kan in druktankflessen die onder druk staan van 350 bar, zoals nu al gebruikelijk is in bussen. Of onder koude vloeibaar gemaakte waterstof in tanks, vergelijkbaar met het LNG principe. Fabrikanten kiezen hier nog ieder hun eigen weg, maar het is te verwachten dat overal waar grote laadvolumes en –bereiken nodig zijn, een tank met koude, vloeibare H2 voordeliger uitpakt.
Conclusie: Waterstof heeft het potentieel om zich, naast het directe gebruik van groene stroom, te vestigen als belangrijkste technologie voor transport en logistiek. Of en hoe het er in slaagt aan deze hoge verwachtingen te voldoen, zal voor het einde van dit decennium blijken. Steeds meer fabrikanten van bedrijfsvoertuigen zetten zich er voor in deze technologie van de toekomst om te zetten in een innovatie voor klimaatbescherming en logistiek.