Waterstof toekomstmuziek af

Brandstofcel, fuel cell, waterstof: al vele jaren flirten meerdere autofabrikanten met de mogelijkheid, maar al bijna net zo lang lijkt het verschijnsel het stadium van toekomstmuziek niet te kunnen ontstijgen. Bijna, want de laatste paar jaar zit er beweging in. Hyundai en Toyota hebben inmiddels daadwerkelijk auto’s de weg op gestuurd die door een brandstofcel worden gevoed, maar ook andere branches zijn hard bezig de mogelijkheden van deze schone energiebron te onderzoeken.

We rijden een rondje door Duitsland en Denemarken om daar enkele initiatieven te bekijken en dat doen we – hoe toepasselijk – geheel CO2-neutraal met een Toyota Mirai. Het loopt tegen het eind van de ochtend als we op het vliegveld van Hannover de sleutel van onze Mirai overhandigd krijgen. Enige ironie is op zijn plaats: om drie dagen volledig emissievrij rond te rijden, hebben we het kippeneindje Schiphol-Hannover per vliegtuig afgelegd. Enfin, dat gaan we vanaf nu goedmaken. Al was het maar om te leren dat zelfs vliegen op waterstof tot de mogelijkheden behoort.

AIRBUS

Nog meer dan bij auto’s lijkt waterstofaandrijving toekomstmuziek voor de luchtvaart. Toch wordt ook daar al hard nagedacht over vliegtuigen met brandstofcel. In Hamburg bezoeken we ZAL, het Centre of Applied Aeronautical Research, een onderzoekslaboratorium waar onder meer Airbus werkt aan technieken voor de toekomst. In deze tak van sport is ver vooruitdenken nog veel belangrijker dan bij auto’s, legt brandstofcelspecialist Jörg Tappermann van Airbus uit: “Dat heeft vooral te maken met de lifecycle van commerciële vliegtuigen. Voor een toestel productierijp is, zijn er tien tot vijftien jaar ontwikkeling aan voorafgegaan. Vervolgens is zo’n vliegtuigmodel twintig tot dertig jaar in productie. De allerlaatst geproduceerde toestellen gaan nog eens twintig à dertig jaar mee als passagiersvliegtuig en dan worden ze nog tien tot twintig jaar ingezet als vrachtvliegtuig. Dat betekent dat de besluiten die je nu neemt 60 tot 95 jaar relevant zijn in het dagelijkse luchtverkeer.

Des te belangrijker voor ons dus om nu al serieus na te denken over waterstofaandrijving. Zoiets verandert het hele concept van vliegtuigen volledig, dus moeten we wel een go hebben van de grote afnemers voordat we beginnen aan concrete toestellen.” Tappermann schetst met woorden het vliegtuig van de toekomst: “Nu zit de brandstof in de vleugels, maar daar zit te weinig volume in om voldoende waterstof op te slaan. Aan de vorm kunnen we niet tornen, die wordt geheel gedicteerd door de aerodynamica, dus moet de waterstof in de romp. Dat betekent wel dat die breder zal worden.”

Toch kan hij al wel wat tastbaars laten zien. Op een testbank staat een ingewikkeld stuk machinerie dat nog het meest weg heeft van een forse versnellingsbak. “Dit is een werkend prototype van een APU (auxilairy power unit, red.), een aggregaat om alle randsystemen van een vliegtuig aan te drijven. Deze APU’s kunnen we vanaf 2027 produceren. Los van de ecologische voordelen ten opzichte van de huidige APU’s, mag deze ook stilstaand op alle vliegvelden blijven draaien, is hij veel stiller en veel onderhoudsvriendelijker.” Ook een hoofdmotor op waterstof heeft Airbus al op de tekentafel staan, maar daar is nog geen werkend prototype van.

OLYMPISCHE SPELEN

Dat we onze rondreis in een waterstofauto maken, is redelijk bijzonder. Wereldwijd rijden er op dit moment iets meer dan 7.100 stuks rond, waarvan 60 procent in de Verenigde Staten en een kwart in Japan. Toyota neemt daarvan de ruime meerderheid voor zijn rekening, met 5.500 Mirais, waarvan 250 in Europa. Ook dit jaar moeten er weer ruim 500 Mirais worden verkocht, maar de grote doorbraak staat gepland voor 2020. Toyota grijpt de Olympische Spelen in Tokio aan om de tweede generatie te lanceren en tegen die tijd moeten er 30.000 waterstofauto’s per jaar van de band rollen.

De Duitse autobahn lijkt amper de habitat voor een FCEV, maar lange afstanden cruisen in de Mirai blijkt een erg prettige bezigheid. Natuurlijk, ook waterstof moet benzine of diesel nog boven zich dulden als het over de reikwijdte gaat, maar mits je de trip goed plant, kun je met weinig oponthoud aardig doorhalen. De Mirai heeft een begrensde top van 178 km/h (op de teller weten we hem op 184 te klokken) en dat is ruim voldoende om goed mee te komen. We rijden echter zo tussen de 130 en 140 km/h en dan moet in de praktijk een ruime 400 km haalbaar zijn. Op dit moment telt Duitsland veertig waterstoftankstations, maar dat aantal moet de komende tijd drastisch omhoog, horen we tijdens onze volgende stop.

SAMENWERKEN

Ook bij Shell, dat wij toch vooral kennen van de fossiele brandstoffen, wordt hard nagedacht over waterstof, zo wordt ons tijdens een bezoek aan het Duitse hoofdkantoor in Hamburg uitgelegd. In een onderzoeksrapport, in 2017 opgesteld in samenwerking met het Wuppertal Institute for Climate, Environment and Energy, concludeert Shell dat in 2050 113 miljoen waterstofauto’s 68 miljoen ton fossiele brandstof en 200 miljoen ton CO2 moeten kunnen besparen. “Om van waterstof een succes te maken, is een goede samen werking cruciaal”, legt scheidend topman van Shell Duitsland Stijn van Els uit. “De autofabrikanten moeten de ontwikkeling van brandstofcelauto’s doorzetten, overheden moeten de keuze voor waterstof stimuleren en wij, de energiebranche, moeten investeren in infrastructuur en zorgen dat waterstof tegen een concurrerende prijs wordt gefabriceerd.”

De 40 tankstations in Duitsland moeten er op korte termijn 400 worden, als het aan Shell ligt, en daarvoor is 350 miljoen euro gereserveerd. Met een volle tank vervolgen we onze reis in noordelijke richting om bij Flensburg Denemarken in te duiken. De bestemming is Kopenhagen. Daar krijgen we bij energieprovider Energinet uitgelegd hoe die enorme hoeveelheden waterstof straks duurzaam kunnen worden geproduceerd. Zo denkt het bedrijf samen met onder meer Gasunie en het Rotterdamse Havenbedrijf na over een enorm windmolenpark op de Noordzee, met in het midden een kunstmatig eiland waar de windenergie wordt opgeslagen als waterstof en via een pijpleiding naar Denemarken, Nederland en Engeland wordt getransporteerd.

Dat brengt ons naar de kern van waterstof. Je splitst H2O, gewoon water dus, op in H2 (waterstof) en O2 (zuurstof). Daarvoor is elektrische energie nodig, die je bijvoorbeeld uit een windmolen of zonnepaneel betrekt. De geproduceerde waterstof wordt in de auto door de brandstofcel met zuurstof uit de lucht weer teruggebracht tot water. Bij dat proces komt elektriciteit vrij die de elektromotoren voedt. Je hoeft niet heel goed te hebben opgelet bij scheikunde om te weten wat er dan uit de uitlaat van de Mirai komt. Inderdaad, als je achter een andere Mirai rijdt, zie je er af en toe wat water onderuit druppelen. En om te voorkomen dat je auto je garagevloer bevochtigt, heeft de Mirai een knopje waarmee je de uitlaat kunt droogblazen. Wanneer je dat doet, piest hij. Dat deze knop tijdens onze roadtrip de hondenuitlaatknop is gaan heten, behoeft waarschijnlijk geen uitleg.

EXTREEM HOGE DRUK

Het tanken van waterstof is voor wie wel eens op lpg of cng heeft gereden in grote lijnen een feest van herkenning. Je zet het vulpistool op de nippel, vergrendelt hem en de overdruk in het systeem van het pompstation zorgt dat je tank volstroomt. Maar ondertussen heeft de tijd niet stilgestaan, want wat je alleen maar door de zoeker van je digitale camera ziet, is dat de auto via infrarood met de pomp communiceert. Dat zorgt er onder meer voor dat het tanken pas begint wanneer alles veilig is. Op zich is het volgooien van een waterstofauto zo gepiept, maar in dit prille stadium zijn er nog wel wat hobbels te nemen.

Door het beperkte aantal FCEV’s hoef je normaal gesproken nog niet bepaald in de rij staan bij de pomp, maar omdat wij met een aantal Mirais deelnemen aan deze roadtrip, is het bij de tankstations die wij bezoeken steeds ineens wél druk. En druk, dat is wat je nodig hebt om een waterstofauto te vullen. Niet zo’n beetje ook. Om een fatsoenlijke reikwijdte te krijgen zonder al te veel volume kwijt te zijn, staan de beide tanks van een volle Mirai op 350 bar. Wil je die binnen een acceptabele tijdsspanne vullen, dan moet de pomp zo’n 700 bar leveren.

De huidige pompstations, die technisch nog niet zijn ingericht om aan de lopende band klanten te bedienen, hebben na enkele tankbeurten zo veel druk verloren dat we, wanneer we niet tot de eersten behoren, bijna een halfuur moeten wachten voordat de druk weer voldoende hersteld is om onze reikwijdte weer aan te vullen tot de gewenste waarde. Let wel: dit hoort bij pionieren. Tegen de tijd dat auto’s met brandstofcel gemeengoed zijn, zal dit probleem uiteraard verholpen zijn en is waterstof tanken net zo gemakkelijk als lpg.

H2

Waterstof is het eenvoudigste en eerste element in het zogenaamde periodieke stelsel en heeft daarom het kleinste en lichtste atoom. Pure waterstof komt op onze planeet alleen voor als molecuul, H2. We vinden waterstof meestal in verbindingen, waarvan H2O (water) de bekendste is. Door zijn typische kenmerken komt waterstof bijna uitsluitend voor in gasvorm. Het heeft een extreem laag kookpunt, -252,76 graden Celsius om precies te zijn, en dat ligt dicht bij het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius). Boven dat kookpunt is het dus gasvormig (bij normale luchtdruk). Dit is een hindernis bij het opslaan van waterstof.

Normaal gesproken worden gassen door het opvoeren van de druk vloeibaar gemaakt, maar dat kan alleen onder de zogenaamde kritische temperatuur. Daarboven kun je de druk opvoeren zo veel je wilt, maar blijft het gas. Voor waterstof is die kritische temperatuur -239,96 graden. Vanwege de extreem lage dichtheid is het praktisch noodzakelijk om waterstof onder hoge druk op te slaan. Voor onze tak van sport is de belangrijkste eigenschap van waterstof zijn uitstekende brandbaarheid.

Bij de verbranding komt weinig hitte, maar veel UV-straling vrij. Daardoor is de vlam bij daglicht nauwelijks zichtbaar. De verbranding is relatief onafhankelijk van de concentratie: alles tussen de 4 en 77 volumeprocent volstaat en dat maakt waterstof veel ‘toleranter’ dan andere gasvormige brandstoffen die we nu gebruiken.