Waarom Bosch vol inzet op waterstof

Wat heeft Bosch met waterstofauto’s?

Er is een handjevol waterstofauto’s beschikbaar, denk aan een Toyota Mirai en de Hyundai Nexo. En bijvoorbeeld de waterstofbestelbusjes van Stellantis. Maar het lijkt niet echt van de grond te willen komen. Waarom zou Bosch zich daarmee bemoeien? Bosch kennen we thuis van koelkasten en boormachines, maar Bosch is ook producent van auto-onderdelen en daarnaast voor veel autofabrikanten een belangrijke ontwikkelingspartner. De autobranche is belangrijk voor  de Duitse firma, alles bij elkaar was hun automotive-tak afgelopen jaar goed voor een omzet 52,6 miljard euro, zo’n 60 procent van de totale omzet van het concern. Om zijn positie als vooraanstaande technologiereus vast te houden zet Bosch sinds twee jaar serieus in op waterstoftechnologie; wanneer één en ander volgens planning in 2026 op de rit staat, is er zo’n 2,5 miljard euro in waterstoftechnologie geïnvesteerd. Het is ze menens. Overigens betekent dit niet dat je pas over drie jaar de eerste Bosch-systemen op de weg kunt tegenkomen. Vorige maand waren we al in de Bosch-fabriek in Stuttgart-Feuerbach getuige van de start van de serieproductie van brandstofcelmodules.

Vorige maand liep de eerste brandstofcelunit voor vrachtwagens bij Bosch van de band.

Waarom nu opeens waterstof bij Bosch?

Bij een eerder bezoek aan Bosch, in 2017, werd ons nog gemeld dat waterstof geen oplossing zou zijn voor het wegverkeer. Zowel de personenauto als het wegtransport moest zich redden met verbrandingsmotoren en door accu’s gevoede elektromotoren, al dan niet in een gecombineerde opstelling. Dat was het toekomstbeeld van nog maar zes jaar geleden. Inmiddels is bij Bosch het roer om. De geplande reductie van de mondiale CO2-uitstoot maakt van fossiele brandstoffen een aflopende zaak. Maar ook de batterij-elektrische auto (BEV) wordt niet gezien als de heilige graal. Een op termijn te beperkte beschikbaarheid aan grondstoffen zoals lithium en kobalt en vooral ook mogelijke problemen om wereldwijd alle auto’s op het gewenste tijdstip van de benodigde hoeveelheid elektriciteit te voorzien zorgen dat Bosch draait richting waterstof. Om daarbij niet achter de feiten aan te lopen, een samenwerkingsproject voor accucellen met Samsung liep op de klippen, pakken de Duitsers flink door.

Gebrek aan grondstoffen zou wel eens kunnen bijdragen aan de overstap van accu’s naar brandstofcellen.

Zijn accu’s niet geschikt voor een vrachtwagen?

Grondstof en een laadinfrastructuur vormen niet de enige drempels bij BEV’s. Om een acceptabele actieradius te creëren kom je met een accupakket in een personenauto nog redelijk uit de voeten. Voor het vrachtverkeer zien ze daar bij Bosch echter niets in. Voor het lange afstandsvervoer zijn  voor een fatsoenlijke actieradius zeer zware accupakketten nodig. waardoor trucks nog maar in beperkte mate lading kunnen meenemen. En wanneer al die vrachtwagens bij een pleisterplaats aan de stekker moeten vraagt dat of te veel tijd of zo’n groot elektrisch vermogen dat de infrastructuur dat niet trekt. Waterstof heeft die problemen niet. De brandstofcelmodules die nu in Stuttgart-Feuerbach van de band lopen zijn bestemd voor de Amerikaanse vrachtwagenfabrikant Nikola. Met 70 kg waterstof in de tanks (700 bar) komt een trekker/oplegger-combinatie zo’n 800 kilometer terwijl het laadvermogen van de wagen niet veel onderdoet voor die van een conventioneel aangedreven collega. In 20 minuten zijn de lege tanks weer volledig afgetankt. Kom daar eens om met accu’s. In eerste instantie zijn de Nikola trekkers bedoeld voor de Amerikaanse markt, vanaf volgend jaar moeten de op de Iveco S-Way gebaseerde trucks ook in Europa gaan rijden.

Voor de vrachtwagens van Nikola worden brandstofcelunits gebouwd die op dezelfde plek passen waar normaal een grote dieselmotor zit.

Brandstofcellen alleen voor grote vrachtwagens?

Naast de grote jongens ziet Bosch mogelijkheden voor de compactere vrachtwagen in de gewichtsklasse van 8 tot 16 ton. De techniek is modulair en schaalbaar. En ook het lichtere spul begint in beeld te komen, zelfs de grotere bestelwagens. Op het Bosch-terrein rijden we mee met een tot FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) omgebouwde prototype op basis van een Volkswagen e-Crafter. Waar de bestelbus standaard als EV een actieradius heeft van 115 km en vervolgens drie kwartier aan de snellader moet, komt het waterstofprototype ongeveer 540 kilometer ver, waarna de tanks in 6 minuten weer zijn gevuld. Van zo’n bestelbus is de stap naar personenauto’s snel gemaakt. En als we dan ook nog eens gebruik kunnen maken van de waterstof-infrastructuur die voor het beroepsvervoer toch al wordt uitgerold ...

Als de pakketbezorger straks niet meer met zijn dieselbus de stad in mag, biedt waterstof een alternatief.

Waarom kwam de brandstofcel niet eerder?

We vragen het Thomas Wintrich, bij Bosch verantwoordelijk voor de brandstofcel-mobiliteit. Wintrich verwacht nog voor het eind van het decennium waterstof-personenauto’s met Bosch technologie. Dat is over zeven jaar. Eind vorige eeuw reed AutoWeek bij Mercedes met waterstofprototypes en daarbij werd ons toen verteld dat er binnen vijf jaar FCEV’s in de showroom zouden staan, en de jaren daarna bleef het ook telkens ‘binnen vijf jaar’. Dus hoe serieus is zo’n belofte? “Destijds was de situatie anders. Er was geen druk zoals die er tegenwoordig wel is met CO2. Daardoor is de urgentie een stuk groter.” Wintrich verwacht dat in 2030 één op de vijf vrachtwagens boven de zes ton een brandstofcelaandrijflijn heeft, en dat in dat jaar de waterstoftechnologie bij Bosch een omzet van 5 miljard euro genereert. “De totale kosten per kilometer zullen van een brandstofceltruck in 2030 gelijk zijn aan een vergelijkbare truck met een verbrandingsmotor op fossiele brandstof. Het enige waarop we niet direct invloed hebben is de prijs van een kilogram waterstof. Ik verwacht dat die tegen die tijd onder de €4 per kg is gezakt.” Dat is een flinke daling, momenteel betaal je in Nederland afhankelijk van het tankstation al snel twee tot drie maal zoveel.

Bij Bosch verwachten ze een scherpe prijsdaling voor waterstof.

Wat is de levensduur van een brandstofcel?

Het terugdringen van de kilometerkostprijs komt ook voort uit de schaalgrote waarop ze tegen die tijd brandstofcellen produceren. “Maar”, gaat Wintrich verder, “dat opschalen van de productie is nu onze grote uitdaging.” Om nog enigszins toegevoegde waarde te creëren wil een autofabrikant toch graag zelf zijn brandstofcellen bouwen? “Klopt, maar voor kleinere fabrikanten is dat niet meteen rendabel. Verder hoeft een autofabrikant niet per se complete units af te nemen. Als de aantallen toenemen gaat Nikola in licentie zelf brandstofcelunits produceren. En we kunnen ook in onze rol van onderdelenleverancier kruipen of desgewenst alleen met kennis en kunde klaar staan.” Met die kennis en kunde lijkt het wel goed te komen. Momenteel werken er bij Bosch meer dan 3.000 mensen aan waterstoftechnologie, onder andere om de levensduur van de brandstofcellen te verlengen van 20.000 gebruiksuren, zoals bij de FCEV’s die nu op de markt zijn, naar 30.000 uur.

In de toekomst moet een pakket brandstofcellen 30.000 uur mee gaan.

Alleen SUV’s of ook compacte auto’s op waterstof?

Bosch zet breed in en houdt zich inmiddels bezig met de hele keten, van systemen om waterstof te genereren (inclusief de daarbij essentiële waterpurificatietechniek) tot aan de systemen die op waterstof werken. Het gaat bij dat laatste om zowel mobiele als stationaire brandstofcellen, maar ook techniek voor waterstofverbrandingsmotoren, voor bijvoorbeeld bouwmachines en landbouwvoertuigen. En niet onbelangrijk: de opslag van waterstof in de auto. Tot nu toe zien we waterstofauto’s met heel grote en daardoor in personenauto’s lastig te huisvestenwaterstoftanks van met koolstofvezel versterkte kunststof. Die passen meestal alleen in een grote SUV of cross-over. Bij Bosch werken ze aan een oplossing met compacte cilinders van extra sterk staal. Deze cilinders zijn zonder binnencoating bestand tegen de waterstof onder extreem hoge druk. Bosch geeft die cilinders een vrij bescheiden diameter waardoor een set van die cilinders in dezelfde ruimte onder de vloer van een personenauto past als een doorsnee accupakket van een BEV. Een pakket cilinders onder de vloer van bijvoorbeeld een Volkswagen ID4 zou makkelijk 5 kg waterstof kunnen bevatten, genoeg om 500 km ver te komen, net als de ID4 met accu’s. Doordat zo’n set waterstoftanks gewoon op de plek van een accupakket past kan een autofabrikant in principe dezelfde auto met hooguit een paar kleine aanpassingen gebruiken voor zowel BEV als FCEV. En dan zou het wel eens snel kunnen gaan met de uitrol van de brandstofcelauto. Als we Bosch mogen geloven staan de seinen voor de waterstoftrein in elk geval op groen, al zal de eerste halte niet de personenauto zijn, maar de vrachtwagen.

Een set cilinders met bescheiden diameter past probleemloos onder de vloer van een personenauto.

Hoe werkt een brandstofcel?

Een brandstofcel is een elektriciteitsfabriekje waarin waterstof (toegevoerd vanuit een tank) en zuurstof (uit de lucht) reageren tot water met als bijproduct elektriciteit. De brandstofcel voor auto’s  is de zogenoemde PEM-brandstofcel, waarbij PEM staat voor Proton Exchange Mebrane. Dat membraam zit tussen de anode en kathode, zeg maar de min- en de pluspool. Het waterstofmolecuul (H2) dat aan de kant van de anode wordt toegevoerd valt met behulp van een katalysator (platina) uiteen in twee protonen (H+) en twee elektronen (e-). Het membraam moet voorkomen dat elektronen, dus eigenlijk de elektriciteit, rechtstreeks de oversteek maken naar de kathode, maar juist via de minpool naar buiten gaan. De membraam houdt ook de waterstofmoleculen tegen. Alleen de protonen (eigenlijk H+-ionen) worden doorgelaten. Aangekomen bij de kathode reageren de twee protonen met een halve zuurstofmolecuul (½O2) én - om het plaatje weer kloppend te krijgen - met de twee elektronen die via de pluspool weer terugkomen van hun avontuur buitenom (via bijvoorbeeld een elektromotor) tot water (H2O). Dit scheikundige proces is exotherm, wat betekent dat er ook warmte bij vrijkomt. Het spanningsverschil tussen de plus- en minpool bedraagt in theorie ongeveer 1,2 volt, maar kan in de praktijk zakken tot 0,7 volt. Om tot hogere spanningen te komen worden de cellen in serie geschakeld, zo’n pakket heet ook wel stack.

Als bijproduct van de reactie tussen waterstof en zuurstof ontstaat in de brandstofcel elektriciteit.