Waterstofaandrijving: hoe waterstof voertuigen laat rijden zonder uitlaatgassen
Waterstofaandrijving is een manier om voertuigen te laten rijden op waterstofgas in plaats van benzine, diesel of een accu vol elektriciteit. Het voertuig tankt waterstof in een paar minuten, net zoals je nu benzine tankt, en aan de achterkant komt alleen waterdamp uit de uitlaat. Geen CO2, geen roet, geen stikstofoxiden.
Een goede analogie is een klein energiecentraletje aan boord van het voertuig. In plaats van een grote accu die stroom opslaat, heeft een waterstofauto een compact apparaat — de brandstofcel — dat continu elektriciteit opwekt zolang er waterstof en lucht binnenstromen. Die elektriciteit drijft vervolgens gewoon een elektromotor aan, zoals bij een normale elektrische auto. Het voertuig is dus eigenlijk een elektrische auto die zijn eigen stroom onderweg maakt in plaats van die vooraf op te laden.
Wat is het precies?
Het hart van waterstofaandrijving is de brandstofcel. Daarin laat men waterstofgas (H2) reageren met zuurstof uit de lucht (O2). Die reactie levert drie dingen op: elektrische stroom, water (H2O) en een beetje warmte. Er is geen verbranding bij betrokken — het is een elektrochemisch proces, vergelijkbaar met hoe een batterij werkt, maar dan met brandstof die steeds wordt aangevoerd in plaats van vooraf opgeslagen lading.
Voordat waterstof in de tank kan, moet het eerst gemaakt worden. Dat gebeurt meestal via elektrolyse: met elektriciteit wordt water (H2O) gesplitst in waterstof en zuurstof. Is die elektriciteit afkomstig van zon, wind of ander duurzaam opgewekte stroom, dan spreekt men van groene waterstof. Wordt waterstof gemaakt uit aardgas, dan heet dat grijze waterstof — dat proces stoot juist wel CO2 uit. Vangt men die CO2 af en slaat men die ondergronds op, dan noemt men het blauwe waterstof. Dit onderscheid is belangrijk: waterstofaandrijving is pas echt klimaatvriendelijk als de waterstof zelf duurzaam is geproduceerd.
Om voldoende actieradius te halen, wordt waterstof in het voertuig opgeslagen in stevige tanks onder hoge druk, doorgaans 350 tot 700 bar — dat is enkele honderden keren de druk van een autoband. Die tanks zijn zwaar getest op botsveiligheid en brandbestendigheid.
Er bestaat ook een andere, veel minder gangbare vorm: de waterstof-verbrandingsmotor. Daarbij verbrandt waterstof in een aangepaste motor, net als benzine, in plaats van dat het via een brandstofcel elektriciteit levert. Deze techniek wordt door een enkele fabrikant (onder meer Toyota) getest in racewagens, maar speelt in de praktijk een marginale rol vergeleken met de brandstofcel.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het verminderen van CO2-uitstoot in het transport, vooral daar waar accu's minder goed passen. Zware vrachtwagens, treinen op niet-geëlektrificeerde spoorlijnen, schepen en op termijn mogelijk vliegtuigen hebben enorm veel energie nodig over lange afstanden. Een accu die dat vermogen kan leveren, wordt al snel loodzwaar en neemt veel laadruimte in. Waterstof is per kilogram veel energierijker dan een accu, en tanken duurt slechts enkele minuten in plaats van uren laden.
Daarnaast ziet men waterstof als een mogelijke energiedrager: een manier om overtollige zonne- en windenergie op te slaan en later, of elders, weer te gebruiken. Op momenten dat er te veel groene stroom is, kan die worden omgezet in waterstof en bewaard voor later, bijvoorbeeld voor de industrie of voor transport.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende waterstofprojecten zijn inmiddels verder dan het experimentele stadium en rijden of rijdt hebben gereden in de praktijk:
- Toyota Mirai — een van de eerste in serie gebouwde waterstofauto's, sinds 2014-2015 op de markt, met een grondig vernieuwde tweede generatie vanaf 2020.
- Hyundai Nexo — een waterstof-SUV van Hyundai, geïntroduceerd in 2018, met een actieradius van ruim 600 kilometer.
- Alstom Coradia iLint — 's werelds eerste waterstoftrein in commerciële dienst, sinds 2018 actief op een regionale lijn in Nedersaksen (Duitsland), inmiddels ook getest in andere Europese landen.
- Airbus ZEROe — een reeks conceptvliegtuigen op waterstof, aangekondigd door Airbus in 2020, met als streefjaar voor een operationeel toestel 2035. Dit is nog geen bestaand vliegtuig maar een ontwikkelprogramma.
- Waterstoftrucks, zoals de Hyundai Xcient en voertuigen van het bedrijf Hyzon, worden sinds enkele jaren ingezet in pilotprojecten voor zwaar vrachtvervoer, onder meer in Zwitserland en Nederland.
Hoe ver is de techniek?
De basistechnologie werkt en is bewezen: brandstofcelvoertuigen rijden al jaren rond. Toch blijft grootschalige uitrol lastig, om een paar redenen.
Ten eerste is het tankstationnetwerk voor waterstof nog erg dun. In Nederland en de meeste andere landen zijn er slechts enkele tientallen waterstoftankstations, tegenover duizenden laadpunten voor elektrische auto's. Dat maakt waterstofauto's in de praktijk minder aantrekkelijk voor gewone automobilisten.
Ten tweede is er een fundamenteel efficiëntienadeel. Van de oorspronkelijke groene stroom die gebruikt wordt om waterstof te maken, gaat een flink deel verloren bij elektrolyse, compressie, opslag en de omzetting terug naar elektriciteit in de brandstofcel. Ruwweg blijft daarvan nog maar 30 tot 40 procent bruikbare energie over, tegenover 70 tot 90 procent bij een auto die direct op een accu rijdt. Dit is een indicatieve vuistregel — de exacte cijfers verschillen per bron en per toepassing — maar het geeft aan waarom waterstof voor personenauto's steeds vaker als omslachtig wordt gezien vergeleken met batterij-elektrisch rijden.
Mede daardoor is er de afgelopen jaren een duidelijke verschuiving zichtbaar: fabrikanten als Honda (met de Clarity Fuel Cell) en Mercedes-Benz (met de GLC F-Cell) hebben de ontwikkeling van waterstof-personenauto's gestaakt of sterk vertraagd. De aandacht verschuift naar toepassingen waar het gewicht- en tankvoordeel van waterstof wél doorslaggevend is: vrachtwagens, treinen, scheepvaart en industriële processen zoals staalproductie, waar waterstof ook als grondstof dient.
Wie werken eraan?
Op het gebied van personen- en vrachtwagens zijn Toyota en Hyundai de twee fabrikanten die het langst en het meest consequent op waterstof inzetten. BMW test met een kleine pilotvloot de iX5 Hydrogen. Voor de onderliggende brandstofceltechniek zijn bedrijven als het Canadese Ballard Power Systems, het Duitse Bosch en de Amerikaanse motorenbouwer Cummins belangrijke toeleveranciers. Air Liquide, een Frans industrieel gasbedrijf, speelt een grote rol in de productie en distributie van waterstof.
Op onderzoeksgebied zijn instituten als het Nederlandse TNO, het Duitse ruimtevaart- en energieonderzoekscentrum DLR, en diverse Fraunhofer-instituten in Duitsland actief betrokken bij het verbeteren van brandstofcellen en waterstofopslag.
Landen die stevig inzetten op een waterstofstrategie zijn onder meer Japan en Zuid-Korea, die al vroeg investeerden in waterstofauto's en -infrastructuur, en Duitsland en Nederland, die vooral inzetten op waterstof voor industrie en zwaar transport. Ook de Europese Unie heeft een eigen waterstofstrategie, gericht op het opschalen van groene-waterstofproductie binnen Europa.