Brandstofcel: elektriciteit uit waterstof zonder verbranding
Een brandstofcel is een apparaat dat elektriciteit maakt uit waterstofgas, zonder dat er iets wordt verbrand. In plaats daarvan laat de cel waterstof en zuurstof uit de lucht op een gecontroleerde manier met elkaar reageren, waarbij elektrische stroom vrijkomt en als bijproduct alleen waterdamp overblijft. Vergelijk het met een batterij die je niet oplaadt met stroom uit het stopcontact, maar met brandstof die je erin tankt: zolang er waterstof binnenstroomt, blijft de cel stroom leveren.
Een auto op brandstofcellen tank je binnen enkele minuten vol met waterstofgas, net als bij benzine, maar de motor is in feite een elektromotor die zijn stroom niet uit een accu haalt, maar rechtstreeks uit de brandstofcel. Zo combineert de techniek het gemak van tanken met de stilte en efficiëntie van elektrisch rijden. Diezelfde chemische truc wordt ook gebruikt om stroom te leveren aan gebouwen, schepen en zelfs ruimtevaartuigen.
Wat is het precies?
Een brandstofcel bestaat uit twee elektroden, een anode (min-pool) en een kathode (plus-pool), gescheiden door een membraan dat alleen bepaalde deeltjes doorlaat. Het meest gebruikte type voor auto's en veel andere toepassingen heet een PEM-brandstofcel, wat staat voor 'proton exchange membrane', oftewel protonenuitwisselingsmembraan.
Aan de anode stroomt waterstofgas (H2) naar binnen. Een katalysator, een stof die een reactie versnelt zonder zelf te verbruiken, meestal het edelmetaal platina, splitst elk waterstofmolecuul in protonen en elektronen. De protonen (positief geladen deeltjes) glippen door het membraan naar de andere kant; de elektronen kunnen dat niet en worden gedwongen een omweg te maken via een extern circuit. Die stroom elektronen is de elektrische stroom die we gebruiken.
Aan de kathode komen de protonen, de elektronen (via de draad) en zuurstof uit de lucht weer samen. Daar ontstaat water (H2O) en warmte. Dat is het enige uitlaatproduct: geen CO2, geen roet, geen stikstofoxiden, alleen waterdamp, mits de waterstof zelf op een schone manier is opgewekt.
Naast PEM-cellen bestaan er andere typen, zoals de SOFC (solid oxide fuel cell, vaste-oxide brandstofcel), die op zeer hoge temperatuur werkt (600 tot 1000°C) en geschikt is voor grootschalige, stationaire stroomvoorziening, en de alkalische brandstofcel, die onder meer in de ruimtevaart wordt gebruikt. Elk type heeft eigen voor- en nadelen op het gebied van temperatuur, brandstof, kosten en levensduur.
Belangrijk detail: een brandstofcel produceert zelf geen waterstof, die moet apart worden gemaakt. Dat gebeurt meestal met elektrolyse, het omgekeerde proces waarbij elektriciteit water splitst in waterstof en zuurstof. Alleen als die elektriciteit uit zon, wind of een andere duurzame bron komt, spreekt men van 'groene waterstof'. Komt de waterstof uit aardgas, nu nog de gangbare methode, dan heet het 'grijze waterstof' en komt er wél CO2 vrij, alleen dan bij de productie in plaats van bij het gebruik.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter brandstofceltechnologie is het verminderen van CO2-uitstoot in sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn met accu's alleen. Batterijen zijn zwaar en duren lang om op te laden; voor personenauto's is dat inmiddels goed te doen, maar voor vrachtwagens, schepen, treinen en vliegtuigen die grote afstanden moeten afleggen met weinig stilstand, is een lichte energiedrager met snel tanken aantrekkelijker.
Een tweede doel is energieopslag op grote schaal. Zonne- en windenergie leveren niet altijd stroom op het moment dat we die nodig hebben. Door overtollige groene stroom om te zetten in waterstof, via elektrolyse, kan die worden opgeslagen en getransporteerd, om later in een brandstofcel weer stroom te worden.
Daarnaast speelt energieonafhankelijkheid mee: landen zonder grote olie- of gasvoorraden zien waterstof als kans om zelf energie te produceren, of te importeren van bevriende partners, in plaats van afhankelijk te zijn van fossiele-brandstofexporteurs.
Voorbeelden uit de praktijk
Toyota Mirai is wellicht de bekendste brandstofcelauto. De eerste generatie kwam rond 2014-2015 op de markt, een sterk verbeterde tweede generatie volgde rond 2020. Hyundai bracht in 2018 de Nexo uit, eveneens een volledig elektrische auto die zijn stroom uit een brandstofcel haalt in plaats van uit een grote accu.
In het spoorvervoer reed de Coradia iLint van treinbouwer Alstom als een van de eerste waterstoftreinen ter wereld in Nedersaksen, Duitsland, waar sinds 2018 op waterstof wordt gereden op trajecten zonder bovenleiding.
In de zware industrie test mijnbouwbedrijf Anglo American een op waterstof-brandstofcellen aangedreven mijnbouwtruck, onderdeel van het nuGen-project, bij de Mogalakwena-mijn in Zuid-Afrika, als alternatief voor de diesel die normaal in dit soort enorme voertuigen wordt verbrand.
Voor gebouwen en datacenters levert het Amerikaanse Bloom Energy stationaire brandstofcelsystemen, de zogeheten Bloom Energy Servers, die al sinds het einde van de jaren 2000 bij bedrijven als Google en eBay stroom opwekken zonder dat daarvoor een aansluiting op het elektriciteitsnet nodig is.
In de luchtvaart onderzoekt Airbus binnen het in 2020 aangekondigde ZEROe-programma hoe waterstof, deels via brandstofcellen en deels via directe verbranding, vliegtuigen zou kunnen aandrijven, met als ambitie een uitstootvrij vliegtuig rond het midden van de jaren 2030.
Hoe ver is de techniek?
De brandstofcel zelf is geen nieuwe uitvinding: het principe werd al in 1839 beschreven door de Welshe wetenschapper William Grove. Voor ruimtevaartprogramma's zoals Apollo en de spaceshuttle werden brandstofcellen al decennia geleden gebruikt om astronauten van stroom én drinkwater te voorzien. De grote uitdaging zit tegenwoordig niet zozeer in de basiswetenschap, maar in kosten, opschaling en infrastructuur.
Platina als katalysator is duur, wat de cellen prijzig maakt; onderzoekers proberen daarom het platinagebruik te verminderen of alternatieve katalysatoren te vinden. Ook de levensduur van membranen en de gevoeligheid voor verontreinigingen in de waterstof blijven aandachtspunten.
Een groter obstakel is misschien wel de infrastructuur: wereldwijd zijn er nog maar enkele honderden tankstations voor waterstof, tegenover honderdduizenden benzinestations en een snel groeiend netwerk van laadpalen voor batterij-elektrische auto's. Zonder tankstations kopen weinig mensen een waterstofauto, en zonder klanten bouwen weinig bedrijven tankstations, een klassiek kip-ei-probleem.
Ook de energie-efficiëntie is een discussiepunt. Van groene stroom naar waterstof (via elektrolyse) naar weer stroom (via de brandstofcel) gaat relatief veel energie verloren, oplopend tot 60 à 70 procent van de oorspronkelijk opgewekte elektriciteit. Bij een batterij-elektrische auto blijft veel meer van de opgewekte stroom bruikbaar. Daarom richt de sector zich steeds meer op toepassingen waar batterijen minder goed werken, zoals zwaar transport, industrie en langeafstandsvervoer, in plaats van op personenauto's, waar batterij-elektrisch de overhand lijkt te krijgen. Zelfs Honda en enkele andere fabrikanten hebben hun personenauto-programma's met brandstofcellen inmiddels afgebouwd of gepauzeerd.
Wie werken eraan?
Japan en Zuid-Korea investeren al decennia zwaar in waterstoftechnologie, met Toyota, Honda en Hyundai als voorlopers op het gebied van brandstofcelauto's. Japan ziet waterstof mede als oplossing voor zijn beperkte eigen energiebronnen.
In Europa loopt Duitsland voorop, met bedrijven als Siemens Energy en onderzoeksinstituten als het Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE), dat uitgebreid onderzoek doet naar brandstofcellen en elektrolyse. De Europese Unie steunt de sector via subsidieprogramma's gericht op groene waterstof.
In Noord-Amerika zijn onder meer Plug Power (bekend van waterstof-aangedreven vorkheftrucks), Bloom Energy en Cummins actief, terwijl het Canadese Ballard Power Systems een belangrijke leverancier is van brandstofcellen voor bussen en vrachtwagens wereldwijd. Ook het Amerikaanse ministerie van Energie financiert al jaren onderzoeksprogramma's op dit gebied.
China investeert de laatste jaren fors in waterstofbussen en -vrachtwagens, mede om lokale luchtvervuiling in steden te verminderen, en probeert zo ook een eigen industrie rond brandstofcellen op te bouwen.