Kunnen waterstofbrandstofcellen EV-batterijen overtreffen als toekomstige energiebron?

Er is een groeiende consensus in de auto-industrie dat de toekomst van het landtransport elektrische voortstuwing is. Maar nu e-mobiliteit weer als concept opdook (vergeet niet dat aan het begin van het autotijdperk ICE en elektrische auto’s naast elkaar bestonden), is er een discussie ontstaan ​​over de manier waarop de elektromotor van elektriciteit kan worden voorzien? De eerste optie is het gebruik van accupakketten aan boord van de auto - tegenwoordig duidelijk de meest populaire optie. Er is echter een andere manier, in de waterstofbrandstofcellen.

Wat is een brandstofcel?

Sommigen zagen de lage energie-inhoud van de huidige batterijtechnologie en stelden een andere aanpak voor. Het produceren van elektriciteit aan boord van de auto zonder dat er zware en omvangrijke batterijen nodig zijn. De technologie is niet echt nieuw, aangezien deze voor het eerst in de jaren zestig door NASA werd gebruikt om elektriciteit op te wekken tijdens de Gemini- en Apollo-missies naar de maan. Er zijn verschillende soorten brandstofcellen, maar in de auto-industrie worden vrijwel uitsluitend protonenuitwisselingsmembraanbrandstofcellen (PEMFC) gebruikt.

Hoe produceren we elektriciteit in een brandstofcel? Het is een relatief eenvoudig proces. De brandstofcel bestaat uit drie hoofdonderdelen. De anode, de kathode en de separator. In de anode wordt H2 vanuit een tank gevoed. H2 bestaat uit twee elektronen en twee protonen. Positief geladen protonen passeren de separator, terwijl negatief geladen elektronen door een extern circuit reizen en zo elektrische stroom creëren.

Bij de kathode ontmoet atmosferische luchtzuurstof de protonen van de waterstof - die eerder door de scheider zijn gegaan - en de elektronen van het externe circuit. Door deze combinatie ontstaat er water dat vervolgens uit de uitlaat van de auto wordt verdreven. Een uitlaat waar je uit kunt drinken!

Waterstofproductie

Waterstof is het meest voorkomende element in het universum, maar is op aarde niet in vrije vorm beschikbaar. Dit betekent dat we een manier moeten vinden om het te verwerven. Momenteel zijn er 3+1 manieren om waterstof te produceren.

Grijze waterstof, zoals het wordt genoemd, wordt geproduceerd door stoomreforming van aardgas. Aardgas wordt gebombardeerd met zeer hete waterstoom onder hoge druk. Bij deze reactie ontstaat H2 en CO2. Deze manier van waterstof produceren is het minst milieuvriendelijk.

Blauwe waterstof lijkt sterk op grijze waterstof, behalve dat systemen voor het afvangen en opslaan van koolstof (CCS) in het productieproces zijn geïntegreerd, waardoor wordt voorkomen dat de vrijkomende CO₂ de atmosfeer bereikt.

De derde productieroute is elektrolyse, waarbij groene waterstof ontstaat. Deze methode werkt tegengesteld aan die van een brandstofcel: een elektrische stroom splitst watermoleculen in hun samenstellende gassen: waterstof en zuurstof.

De “+1”-benadering staat bekend als turquoise waterstof. Bij deze techniek wordt aardgas door een bad van gesmolten metaal geleid, wat waterstof en vaste koolstof oplevert. Hoewel het concept veelbelovend is, is het nog niet op commerciële schaal geïmplementeerd.

Van de bestaande opties houdt groene waterstof de grootste belofte in voor een duurzame productie met weinig impact, op voorwaarde dat de elektriciteit die het proces aandrijft afkomstig is van hernieuwbare bronnen zoals wind- of zonne-energie.

Waterstof staten

Er zijn twee mogelijke waterstoftoestanden die kunnen worden gebruikt. Gas- en vloeibare vorm, die beide hun voor- en nadelen hebben.

Omdat waterstof het minst dichte element in het heelal is, moet het, om het in een auto te kunnen gebruiken, flink worden gecomprimeerd. In de huidige toepassingen wordt waterstof gecomprimeerd tot 700 bar. Dat is veel druk en daarvoor zijn speciale en dure tanks nodig.

Het andere alternatief is vloeibare vorm. Maar om waterstof vloeibaar te maken moet het worden gekoeld tot 20°C boven het absolute nulpunt – dat is min 253°C. Het is duidelijk dat we, om beide vormen van waterstof te realiseren, energie moeten gebruiken – hetzij voor superhoge compressie, hetzij voor koeling.

Het voordeel van het gebruik van waterstof is echter enorm: 1 kg waterstof bevat 33,3 kWh energie. Dit betekent dat hij per kg 167 keer meer energie vervoert dan het meest geavanceerde huidige accupakket!

Batterijen versus waterstof

Dus, wat is de meest geprefereerde manier? Uw elektriciteit vervoeren of aan boord van de auto produceren? De auto-industrie lijkt op dit moment om een ​​aantal redenen de voorkeur te geven aan accupakketten.

Allereerst ligt de efficiëntie van PEMFC rond de 60%. Stoomreforming van aardgas is 70% efficiënt, terwijl elektrolyse 75% efficiënt is. Het comprimeren van waterstof is ongeveer 89% efficiënt, terwijl het vloeibaar maken ervan ongeveer 66% efficiënt is. In de volgende tabel zijn alle verliezen samengevat en vergeleken tussen de accupakketten en waterstof. Voor waterstof zijn de meest efficiënte scenario’s gehanteerd.

Gegevens uit de voorgaande tabel geven aan dat brandstofceltechnologie een efficiëntieprofiel oplevert dat vrijwel identiek is aan dat van benzinevoertuigen met een verbrandingsmotor (ICE). Gegeven de huidige stand van zaken biedt de inzet van brandstofcellen in personenauto’s weinig praktisch voordeel. Bijgevolg geeft de meerderheid van de autofabrikanten de voorkeur aan de aanpak met accupakketten, ondanks de inherente beperkingen ervan.

Het is ook de moeite waard om te benadrukken dat het afleggen van een gelijkwaardige afstand de kosten voor het tanken van waterstof zeven tot acht keer hoger brengt dan het thuis opladen van een elektrisch voertuig. Hoewel waterstof vanwege de uitzonderlijke energiedichtheid een niche kan vinden in het zware vrachtvervoer, is dit potentieel afhankelijk van de ontwikkeling van duurzame methoden voor de productie ervan.