Waterstof: alles over de brandstofcelwagen (FCEV)

Voor elektrische auto’s is een brandstofcel op waterstof een alternatief voor de batterij. Veel modellen zijn er nog niet op de markt, maar daar zou verandering in komen. Alles wat je over deze technologie moet weten, vatten we hier samen.

• Geschiedenis
• Werking van de brandstofcel
• Waterstofproductie
• Tanken in België en Europa
• Beschikbare modellen
• Voordelen
• Nadelen

Een beetje geschiedenis

De brandstofcel is uitgevonden in… 1839. Ze kon werken op alcohol, petroleum of waterstof. Maar het zou nog duren tot de Maanlanding in de jaren 1960 (de Apollo-missie) voor de technologie uit de laboratoria trad. In de ruimte werkte de brandstofcel op waterstof, het meest efficiënte gas om tot de chemische reactie te komen die elektriciteit opwekt. Het was ook in die periode dat General Motors met de technologie testte in een conceptcar, in 1966.

Vanaf de jaren 1990 begon de auto-industrie echt iets voor het idee te voelen, met steeds meer conceptcars in de jaren 2000. Honda, Hyundai, Mazda, Mercedes en Toyota ontwikkelden zelfs prototypes die ze onder realistische omstandigheden testten, soms in het kader van een leasingovereenkomst met “doorsnee” automobilisten, zoals Honda vanaf 2007 met de FCX Clarity. De eerste echt commercieel verkrijgbare waterstofauto kwam in 2013 op de markt (2015 bij ons) met de Hyundai ix35 FCEV en de Toyota Mirai.

De markt zou tegen 2030 kunnen groeien tot een verwacht marktaandeel van 2 procent, vooral dankzij de aangekondigde verboden op verbrandingsmotoren op diesel en benzine in bepaalde steden of landen. De technologie zou haar weg moeten vinden naar taxi’s en de wagenparken van het openbaar vervoer of van grote bedrijven (auto’s, bestelwagens, bussen). Temeer omdat deze voertuigen zouden kunnen gaan tanken in privé-installaties die relatief eenvoudig te plaatsen en te gebruiken zijn, op voorwaarde dat bepaalde veiligheidsvoorschriften worden nageleefd.

Brandstofceltechnologie: hoe werkt het?

Een brandstofcel is een elektrochemische generator. Hij gebruikt twee elektrodes – een anode en een kathode – en een elektrolyt. De brandstof – waterstof – wordt over de anode geleid. Daar valt ze uiteen in elektronen en ionen. De elektronen worden tegengehouden door het elektrolytmembraam waar de ionen vrijelijk doorheen kunnen bewegen naar de kathode. De elektronen worden dus langs een andere weg gedwongen. Die omweg via een buitencircuit naar de kathode levert gelijkstroom op. Een omvormer moet daar dan wisselstroom van maken om de elektromotor aan te drijven.

Aan de kathode komen de ionen, de elektronen en zuurstof (O2) weer bij elkaar. Daarbij ontstaat warmte en water, dat verdampt aan de uitlaat. Om de chemische reactie te versnellen is een katalysator nodig. Die is doorgaans gemaakt in het zeldzame en dure platina, dat echter gedeeltelijk of volledig kan worden vervangen door nanomaterialen of polymeren. Die verminderen de productiekost en de milieulast.

Waterstof

Om te kunnen functioneren heeft een brandstofcel zuurstof nodig, die ze gewoon uit de omgevingslucht aanzuigt, en waterstof, die de auto in gecomprimeerde vorm in zijn tanks opslaat. Dit gas is overvloedig aanwezig en is brandbaar. Het is ook geur- en kleurloos. Het is echter wel zeer stabiel. Daarom kruipt er enorm veel energie in de extractie ervan. Vandaag wordt het hoofdzakelijk gewonnen via uit stoomhervorming van methaangas en gasomvorming van steenkool, wat bijzonder energievretende methodes zijn. Het kan ook via elektrolyse. Dan wordt via elektrodes stroom door water gejaagd om de zuurstof O2 van de waterstof H2 te scheiden.

Voor deze elektrolyse is elektriciteit nodig. Hoe die laatste wordt opgewekt, heeft dus een invloed op de koolstofbalans en de algemene voetafdruk van de auto. Omdat het gas bovendien licht en weinig dens is, moet het worden gecomprimeerd om het te kunnen opslaan en vervoeren. Een ‘groene’ oplossing is om de waterstof rechtstreeks in het tankstation te produceren, bij voorkeur met stroom van windmolens en zonnepanelen. In dat geval is de balans van bron tot wiel (“Well to Wheel”) positief voor brandstofcelwagens. Maar in vergelijking met een elektrische auto is die balans echter veel minder gunstig voor een waterstofauto: een FCEV of brandstofcelwagen haalt een gemiddeld rendement van 22 procent, een elektrische auto met batterij zit vandaag aan 73 procent.

In de auto wordt de waterstof (H2) onder hoge druk opgeslagen in koolstofvezel tanks. In een volume van 125 liter past zo’n 5 kilo H2 onder een druk van 700 bar, wat moet volstaan voor een rijbereik van 500 kilometer. Tussen de brandstofcel en de elektromotor zit een bufferbatterij. Die kan de overproductie van de brandstofcel opslaan en de vertragingsenergie van de auto recupereren.

Netwerk in ontwikkeling

Om je waterstofauto volop te kunnen benutten, moet je kunnen tanken. In 2023 is er sprake van slechts 7 waterstoftankstations in België: 6 in Vlaanderen en eentje in Wallonië. Toch blijft dit netwerk zeer dun gezaaid. Grote bedrijfsvloten zouden echter een (of meerdere) eigen productieplek(ken) voor waterstof kunnen inrichten om op hun sites te kunnen tanken.

Ook internationaal gezien is het netwerk schaars, zelfs al zouden tegen 2019 al 100 waterstoftankstations in Duitsland te vinden moeten zijn. 12 Europese landen hebben echter beloofd om deze technologie te gaan ondersteunen: België, Denemarken, Duitsland, Frankrijk, IJsland, Italië, Luxemburg, Nederland, Noorwegen, Oostenrijk, het Verenigd Koninkrijk en Zweden. Vanaf 2025 mogen we dus een verveelvoudiging van het aantal waterstoftankstations verwachten. Dat zou constructeurs het nodige duwtje kunnen geven om op grote schaal FCEV’s op de markt te brengen.

Vandaag verkrijgbare FCEV’s

• Hyundai Nexo
• Toyota Mirai
• Hyundai ix35 FCEV (tweedehands)

LEES OOK - BMW iX5 Hydrogen

De Mercedes GLC F-Cell (prototype) onderscheidt zich door zijn batterij die zich aan de stekker laat opladen zoals bij een elektrische auto.

De voordelen

• Rijbereik
• Tanken in 5 minuten, zoals benzine
• Stoot enkel water uit aan de uitlaat
• Elektromotor
• Voordelige ecovignetten (toegankelijkheid lage-emissiezones)
• Vandaag nog gunstige fiscaliteit
• Minder grote batterij dan elektrische auto

De nadelen

• Beperkt aantal tankstations
• Vergt platina (maar steeds minder)
• Prijs van de modellen
• Beschikbaar aantal modellen
• Energieverslindende H2-productie, niet altijd zeer “groen”
• Transport van H2 indien niet in het tankstation geproduceerd

Alles over CNG

Benzine of diesel: hoe te kiezen?