Onderwerpen:
- Waterstof
- Productie van waterstof
- Waterstof als brandstof voor een Ottomotor
- Brandstofcel
- Opslagtank
- Actieradius en kosten van waterstof
Waterstof:
Waterstof (in het Engels hydrogen genoemd), kan als energiedrager worden toegepast voor het aandrijven van voertuigen. Energiedrager wil zeggen dat er al een energie in de waterstof er al van te voren in gestopt is. Dat is in tegenstelling tot (fossiele) energiebronnen als aardolie, aardgas en steenkool, waarbij de energie verkregen wordt door het verwerken van deze stoffen door deze te verbranden.
Waterstof is dus iets heel anders als waterinjectie, dat bij benzinemotoren niet als energiedrager gebruikt wordt, maar puur als koeling van de verbrandingsruimte.
Met waterstof wil men “zero emission” bereiken; een energievorm waarbij tijdens het gebruik geen schadelijke gassen ontstaan. De overgang van fossiele brandstoffen naar elektrische aandrijving in combinatie met waterstof en een brandstofcel valt onder de energietransitie. Het aandrijven van voertuigen met waterstof kan op twee verschillende manieren:
- Waterstof als brandstof voor de Ottomotor gebruiken. De waterstof vervangt de benzinebrandstof.
- Met behulp van waterstof in een brandstofcel elektrische energie op te wekken. Met behulp van deze elektrische energie zal de elektromotor het voertuig volledig elektrisch aandrijven.
Op deze pagina worden beide technieken beschreven.
Waterstof kan geproduceerd worden met duurzame energie of op basis van fossiele brandstoffen. Dit laatste proberen we zo veel mogelijk te voorkomen, omdat fossiele brandstoffen in de toekomst schaars worden. Ook zal bij het verwerken van de fossiele brandstoffen CO2 worden geproduceerd.
De onderstaande kolommen tonen de energie inhoud van een batterij, waterstof en benzine. Daarin zien we dat er veek
Batterij:
- Energie inhoud: 220Wh/kg, 360 Wh/l
- Zeer efficiënt
- Korte opslag
- Directe energieafgifte mogelijk
- Transport is ingewikkeld
Waterstof (700 bar):
- Energieinhoud: 125.000 kJ/kg, 34,72 kWh/kg
- 30% warmte, 70% H2 (PEM brandstofcel)
- Lange opslag mogelijk
- Omzetting noodzakelijk
- Transportvriendelijk
Benzine:
- Energiewaarde: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- Rendement tot 33%
- Lange opslag mogelijk
- Omzetting noodzakelijk (verbranding)
- Transportvriendelijk
Waterstof komt overal om ons heen voor, maar nooit vrij. Het is altijd gebonden. We gaan het produceren, isoleren en opslaan.
- 1 kg puur waterstof- (H2) gas = 11.200 liter bij atmosferische druk
- H2 is kleiner dan ieder ander molecuul
- H2 is lichter dan ieder ander molecuul
- H2 is altijd op zoek naar verbindingen
Op deze pagina wordt naast de productie en toepassing van waterstof in personenauto’s, ook het opslaan en vervoeren (onderaan de pagina) behandeld.
Productie van waterstof:
Waterstof is een gas dat niet, zoals aardgas, uit de grond wordt gehaald. Waterstof moet men produceren. Dit gebeurt onder meer via elektrolyse, een proces waarbij water omgezet wordt in waterstof en zuurstof. Dat is het omgekeerde van de reactie die in een brandstofcel plaatsvindt. Daarnaast kan waterstof via minder milieuvriendelijke processen worden verkregen. In de onderstaande gegevens zien we hoe anno 2021 waterstof kan worden geproduceerd.
- Kolen: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (temp: 1300C-1500C)
- Aardgas: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (benodigde temp: 700C-1100C)
- Olie: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + zeer veel bijproducten
- Elektrolyse uit water: 2H2O -> 2H2 + O2
Elektrolyse uit water is heel schoon en is de milieuvriendelijkste vorm van waterstofproductie. Hierbij komen waterstof en zuurstof in vrij, in tegenstelling tot het verwerken van fossiele brandstoffen, waar CO2 vrijkomt.
- Elektrolyse van water; Elektrolyse is een chemische reactie waarbij watermoleculen worden gesplitst om pure waterstof en zuurstof te creëren. Waterstof is overal te maken waar water en elektriciteit is. Een nadeel is dat je elektriciteit nodig hebt om waterstof te maken om er daarna weer elektriciteit van te maken. Bij dit proces gaat er tot 50% verloren. Het voordeel is dat in waterstof de energie is opgeslagen.
- Omzetten van fossiele brandstoffen; olie en gas bevatten koolwaterstofmoleculen die bestaan uit koolstof en waterstof. Met een zogenaamde fuel-processor kan waterstof gesplitst worden van de koolstof. Het nadeel is dat de koolstof als koolstofdioxide in de lucht verdwijnt.
De waterstofproductie die met fossiele brandstof wordt verkregen, noemen we grijze waterstof. Hierbij komen o.a. NOx en CO2 in de atmosfeer terecht.
Vanaf 2020 vindt de productie steeds meer “blauw” plaats: CO2 wordt opgevangen.
Het streven is om in 2030 uitsluitend groene waterstof te produceren: groene stroom en water zijn de bronnen voor de meest milieuvriendelijk opgewekte waterstof.
In de scheikundige wereld wordt waterstof aangeduid met H2, dit betekent dat een waterstofmolecuul is opgebouwd uit twee waterstofatomen. H2 is een gas dat niet voorkomt in de vrije natuur. Het H2 molecuul komt voor in allerlei stoffen, de meest bekende is water (H20). Waterstof moet verkregen worden door het waterstofmolecuul los te weken van bijvoorbeeld een watermolecuul.
Het produceren van waterstof door middel van elektrolyse is dus de toekomst.
De volgende afbeelding toont een model die vaak in scheikundelessen wordt gebruikt.
- Plus- en minstaven van een batterij hangen in het water;
- Aan de anode-kant krijg je zuurstof;
- Aan de kathode-kant krijg je waterstof.
Waterstof geproduceerd uit fossiele brandstof, bijvoorbeeld Methaan (CH4) wordt in dit geval via reforming omgezet in H2 en CO2. De CO2 kan worden afgescheiden en ondergronds in bijvoorbeeld een leeg aardgasveld worden opgeslagen. Aldus bedraagt de inzet van aardgas niet of heel weinig bij aan de uitstoot van CO2 naar de atmosfeer. Waterstof kan ook uit biomassa worden gemaakt. Wanneer ook bij dit proces de vrijkomende CO2 wordt afgescheiden en ondergronds opgeslagen, is het zelfs mogelijk om tot negatieve emissie van CO2 te komen; het halen van CO2 uit de atmosfeer en het vastleggen van deze CO2 op aarde.
Waterstof is, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen als aardolie, aardgas en steenkool geen energiebron, maar een energiedrager. Dit betekent dat de energie die vrijkomt bij het gebruik van de waterstof, bijvoorbeeld als brandstof in een auto, er eerst ingestopt moet zijn. Voor de productie van waterstof door middel van elektrolyse is elektriciteit nodig. De duurzaamheid van deze waterstof hangt dan grotendeels af van de duurzaamheid van de gebruikte elektriciteit.
Waterstof als brandstof voor een Ottomotor:
Een Ottomotor is een andere benaming voor een benzinemotor. De benzinemotor is namelijk in 1876 uitgevonden door Nikolaus Otto. In dit geval noemen we het een Ottomotor, omdat de benzine vervangen wordt door een andere brandstof, namelijk waterstof. Bij een motor waar waterstof ingespoten wordt, is er dus geen brandstoftank met benzine meer aanwezig.
Bij de verbranding van waterstof ontstaan er geen CO2 gassen, in tegenstelling tot conventionele Otto- en dieselmotoren, maar alleen water. Wanneer waterstof middels directe injectie ingespoten wordt, zal er een vermogenstoename van 15 tot 17% ontstaan ten op zichten van het benzinebrandstof. Wanneer de waterstof op de inlaatklep ingespoten wordt (bij indirecte inspuiting) vindt er een snelle opwarming door de lucht plaats. Tevens wordt de lucht door de waterstof verdrongen. In beide gevallen stroomt er minder zuurstof (O2) de verbrandingskamer binnen. In het slechtste geval ontstaat er een vermogensverlies van tot wel 50%.
De verhouding tussen lucht- en waterstof luistert niet zo nauw dan bijvoorbeeld een lucht- benzinemengsel. De vorm van de verbrandingskamer is daardoor ook niet van groot belang.
Waterstof kan op twee manieren ingespoten worden:
– Vloeibaar: Bij vloeibare toevoer van waterstof, zal door verdamping de verbrandingstemperatuur relatief dalen, zodat er minder NOx ontstaat.
– Gasvormig: Wanneer de waterstof in vloeibare vorm in de tank opgeslagen is en deze onder omgevingstemperatuur de verbrandingsruimte binnenstroomt, dan moet er een verdamper worden toegepast om de waterstof van vloeibare naar gasvormige toestand om te zetten. De verdamper wordt in dat geval door de koelvloeistof van de motor opgewarmd. Eventuele maatregelen om de NOx te reduceren zijn; het toepassen van EGR, waterinjectie of een lagere compressieverhouding.
In de onderstaande afbeelding zijn vier situaties te zien met drie verschillende uitvoeringen van waterstofinspuiting. In de tweede afbeelding van links wordt de gasvormige waterstof indirect in het inlaatspruitstuk ingespoten. De gasvormige waterstof wordt door de omgevingstemperatuur opgewarmd. Ook neemt de waterstof ruimte in, waardoor er minder zuurstof de cilinder in kan stromen. Dit is de situatie waarbij er het meeste vermogensverlies wordt verkregen.
Bij de derde afbeelding wordt de waterstof vloeibaar toegevoerd. Cryogeen betekent dat de waterstof zeer sterk afgekoeld is (een methode om grote hoeveelheden waterstof in in vloeibare vorm een relatief kleine opslagtank op te slaan). Doordat de temperatuur van de waterstof lager is en deze in vloeibare toestand is, vindt er een betere cilindervulling plaats. Door de lage temperatuur wordt daardoor een bijna net zo hoog rendement behaald als een motor met directe (waterstof)inspuiting. De motor met directe inspuiting is in de vierde afbeelding te zien. De volledige verbrandingsruimte is gevuld met zuurstof. Wanneer de inlaatklep dicht is en de zuiger is de lucht aan het comprimeren, wordt er door de injector een bepaalde hoeveelheid waterstof ingespoten. De bougie zit bij deze motor achter, of naast de injector (deze is niet in de afbeelding te zien).
Het rendement van een Ottomotor is natuurlijk geen 100%, maar in deze afbeelding worden de rendementen van de verbranding van waterstof vergeleken met de verbranding van benzine.
Waterstof heeft een grote energiedichtheid per eenheid van massa (120MJ/kg) en is daarmee bijna drie keer zo hoog als benzine. De goede ontstekingsgewilligheid van waterstof maakt het mogelijk om de motor zeer arm te laten draaien, met een lambdawaarde van 4 tot 5. Het nadeel van het toepassen van een arm mengsel is dat het vermogen lager zal worden en dat de rijeigenschappen minder worden. Om dit te compenseren, wordt er vaak drukvulling toegepast (een turbo).
Door het grotere ontstekingsgebied ten op zichten van benzinebrandstof, is het risico op detoneren of op een backfire groter. Het is daarom zeer belangrijk dat er een goede regeling van de brandstoftoevoer en de ontsteking is. Bij vollast kan de temperatuur in de verbrandingsruimte erg hoog oplopen. Er is dan vaak waterinjectie nodig om voor voldoende koeling te zorgen, en daarmee ook te voorkomen dat er een vroegtijdige ontsteking plaatsvindt (in de vorm van detoneren of een backfire).
Brandstofcel:
In de vorige paragraaf werd uitgelegd hoe waterstof als brandstof voor de verbrandingsmotor kan dienen. Een andere toepassing van waterstof is in de brandstofcel. Een voertuig dat uitgerust is met een brandstofcel heeft geen verbrandingsmotor maar één of meerdere elektromotoren. De elektrische energie om de elektromotoren te laten werken wordt geproduceerd door de brandstofcel. Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat dat chemische energie direct omzet in elektrische energie, zonder dat er thermische of mechanische verliezen plaatsvinden. De energieomzetting in de brandstofcel is dus heel efficiënt. Over het algemeen werkt de brandstofcel op waterstof, maar ook een brandstof als methanol hiervoor kan worden gebruikt.
Een brandstofcel is in principe te vergelijken met een batterij, omdat beide elektriciteit produceren door middel van een chemisch proces. Het verschil is dat de opgeslagen energie in de batterij eenmalig wordt afgegeven. De energie raakt na verloop van tijd op, waardoor de batterij weer opgeladen moet worden. Een brandstofcel levert continue energie, zolang er maar reactanten aan de elektrochemische cel toegevoerd worden. Reactanten zijn chemische stoffen die op elkaar reageren in een chemische reactie.
In een brandstofcel worden waterstof en zuurstof omgezet in H+ en OH- ionen (deeltjes die geladen zijn). De ionen worden in afzonderlijke kamers van de brandstofcel gescheiden door een membraan. De brandstofcel bevat twee poreuze koolstofelektrodes waarop een katalysator is aangebracht; bij de waterstof (H) een negatieve elektrode (anode) en bij zuurstof (O) een positieve elektrode (kathode).
H+ en OH- ionen worden via de elektroden (anode en kathode) naar elkaar toe geleid, waarna de + en – ionen met elkaar reageren. De kathode katalyseert de reactie waarbij de elektronen en protonen met zuurstof reageren tot eindproduct twee, namelijk water. De H+ en OH- ionen vormen samen een H2O molecuul. Dit molecuul is geen ion, omdat de elektrische lading neutraal is. Het plus deeltje en het min deeltje bij elkaar geeft een neutraal deeltje.
Aan de anode vindt de oxidatie van de waterstof (H) plaats. Oxidatie is een het proces waarbij een molecuul zijn elektronen afstaat. De anode werkt als katalysator, waardoor de waterstof wordt opgesplitst in protonen en elektronen.
Aan de kathode vindt reductie plaats door zuurstof (O) toe te voegen. De elektronen, afgesloten door de anode, zullen via een elektriciteitsdraad die buitenom de elektronen verbindt naar de kathode reizen.
Door de elektronenoverdracht niet direct, maar via een externe weg (de stroomdraad) te laten verlopen, komt deze energie grotendeels vrij als elektrische energie. De stroomkring wordt gesloten door ionen in een verbindende elektrolyt tussen reductor en oxidator.
Het deeltje dat elektronen opneemt noemt men een oxidator en wordt daarbij gereduceerd. De reductor staat elektronen af en wordt geoxideerd. Een reductie is het proces waarbij een deeltje elektronen opneemt. Oxidatie en reductie gaan altijd samen. Het aantal afgestane en opgenomen elektronen is altijd gelijk.
Aan de negatieve pool verloopt de volgende reactie:
Aan de positieve pool verloopt een andere reactie namelijk:
In de onderstaande afbeelding is het onderaanzicht van een brandstofcel stack van een Toyota te zien. Deze brandstofcel stack bevindt zich onder de motorkap van de auto. Aan deze stack zit de elektromotor. De elektromotor levert het vermogen aan de transmissie, welke verbonden is met de aandrijfassen om de aandrijfkrachten aan de wielen door te geven.
Aan de bovenzijde van de stack zijn diverse luchtbuizen te zien. Hierin is onder anderen de luchtpomp verwerkt die de lucht, afhankelijk van het vermogen dat de elektromotor vraagt, naar de brandstofcellen pompt.
Deze brandstofcel stack is voorzien van 370 brandstofcellen. Elke brandstofcel levert 1 volt, dus in totaal kan er 370 volt geleverd worden aan de elektromotor. De brandstofcellen bevinden zich allemaal onder elkaar. De rode cirkel geeft een uitvergroting weer, waar de opeenstapeling van de brandstofcellen duidelijk te zien is.
Opslagtank:
Waterstof heeft weliswaar een grote energiedichtheid per eenheid van massa (120MJ/kg) en daarmee bijna drie keer zo hoog als benzine, maar door de lagere soortelijke massa is de energiedichtheid per eenheid van volume zeer gering. Voor opslag betekent dit dat de waterstof onder druk of vloeibaar moet worden opgeslagen om een qua volume hanteerbare opslagtank te kunnen toepassen. Voor voertuigtoepassingen zijn er twee varianten:
- Gasvormige opslag bij 350 of 700 bar; bij 350 bar is het tankvolume qua energie-inhoud een factor 10 groter dan bij benzine.
- Vloeibare opslag bij een temperatuur van -253 graden (cryogene opslag), daarbij is het tankvolume qua energie-inhoud een factor 4 groter dan bij benzine. Bij gasvormige opslag kan waterstof oneindig lang worden opgeslagen zonder brandstofverlies of het inboeten op kwaliteit. Bij cryogene opslag daarentegen ontstaat dampvorming. Omdat de druk in de tank door opwarming toeneemt, zal er waterstof via de overdrukklep ontwijken; een lekkage van circa twee procent per dag is acceptabel. Alternatieve opslagmogelijkheden bevinden zich nog in een onderzoeksstadium.
Op de onderstaande afbeelding zijn twee opslagtanks onder de auto te zien. Dit zijn opslagtanks waarbij de waterstof gasvormig is opgeslagen onder een druk van 700 bar. Deze opslagtanks hebben een wanddikte van ongeveer 40 millimeter (4 centimeter) waardoor ze bestand zijn tegen de hoge druk.
Hieronder is nogmaals te zien hoe de waterstoftanks onder de auto gemonteerd zitten. De plastic buis is de afvoer van water dat is ontstaan bij de omzetting in de brandstofcel.
Waterstof tanken:
In Nederland zijn op het moment van het schrijven van dit artikel slechts twee waterstof tankstations. Eén van deze tankstations staat in Rhoon (Zuid-Holland). In de afbeeldingen zijn de vulpistolen te zien waarmee wordt getankt. De werkdruk van het vullen is 350 bar bij o.a. bedrijfsvoertuigen en 700 bar bij personenauto’s.
De vulaansluiting in de auto bevindt zich achter de gebruikelijke tankklep. Op deze vulaansluiting wordt het vulpistool aangesloten. Na het aansluiten van het vulpistool zal de aansluiting vergrendelen. De opslagtank van de auto zal onder een druk van 700 bar met gasvormige waterstof worden gevuld.
Actieradius en kosten van waterstof
Als voorbeeld nemen we een Toyota Mirai (modeljaar 2021) en bekijken de actieradius en de bijkomende kosten:
- Actieradius van 650 km;
- Verbruik: 0,84 kg / 100 km;
- Brandstofprijs per km: 0,09 tot 13 cent;
- Wegenbelasting €0,-
In vergelijking met een voertuig met een dieselmotor, is een brandstofcelauto niet goedkoop. De kosten van de wegenbelasting spelen weliswaar een grote rol, echter zijn het aantal tankstations in Nederland anno 2021 nog schaars. Hieronder is een vergelijking gemaakt van de kosten per 100 km met de actuele brandstofprijzen:
BMW 320d (2012)
- Diesel: €1,30 per liter;
- Verbruik: 5,8 l/100 km;
- Kosten 100 km: €7,54.
Toyota Mirai (2020):
- Waterstof: €10,- per kg;
- Verbruik: 0,84 kg/100km;
- Kosten 100 km: €8,40
Gerelateerde pagina’s:
- Elektrische aandrijving (overzicht);
- Energietransitie.
