Auteurs: Adwin Martens

Dossier: De opmars van waterstof

Gasthoofdredacteur: Ad van Wijk

De eerste tractor op waterstof werd al in de jaren 60 van de vorige eeuw getest en voor de eerste missie naar de maan werden al waterstof en brandstofcellen gebruikt. Is waterstof in mobiliteit ‘boerenverstand’ of ‘rocket-science’? Het is een combinatie van de twee en die wint momenteel sterk een terrein. Deze bijdrage gaat over het waarom, de stand van zaken en de toekomst van waterstof in mobiliteit. 

‘Rijden op waterstof’ is ‘elektrisch rijden’

In de media wordt vaak de strijd aangehaald tussen ‘elektrisch rijden’ en ‘waterstof’, maar die discussie is niet relevant. Als gesproken wordt over elektrisch rijden, dan wordt doorgaans gedacht aan auto’s die uitgerust zijn met batterijen. Hoe werkt een auto op waterstof? Bij een auto wordt de getankte waterstof in de auto zelf via een brandstofcel direct omgezet naar elektriciteit. Dus: een auto op waterstof is ook een elektrische auto, met als belangrijkste verschil dat je niet op voorhand de batterijen moet opladen, maar dat je op voorhand waterstof moet tanken.

Dat ‘tanken van waterstof’ gebeurt op dezelfde manier als ‘tanken van CNG’ (Compressed Natural Gas). Door cijfer 5 te onthouden, ken je meteen de belangrijkste karakteristieken van de eerste generatie auto’s op waterstof. Op minder dan 5 minuten kun je ruim 5 kg gasvormig waterstof tanken, waarmee je meer dan 500 km elektrisch kunt rijden. De volgende generatie zal een actieradius hebben van meer dan 600 km en de verwachting is al uitgesproken dat auto’s op waterstof richting 1000 km actieradius zullen gaan. Met deze actieradius en snelle tanktijd vormen de auto’s op waterstof een volledig zero-emissie-alternatief van de bestaande auto’s op fossiele brandstoffen. 

Tankstations voor waterstof

Het gebruiksgemak en de flexibiliteit van auto’s op waterstof zijn een groot voordeel, maar een belangrijke noodzakelijke voorwaarde is de beschikbaarheid van waterstoftankstations. In Nederland zijn er momenteel publieke tankstations in Rhoon (bij Rotterdam), Helmond, Arnhem en Den Haag. Bij het tankstation in Rhoon van Air Liquide wordt waterstof afgetapt van de waterstofleiding, terwijl in Helmond ter plaatse waterstof via elektrolyse wordt geproduceerd uit groene stroom (figuur 1). Bij de tankstations in Den Haag en Arnhem wordt waterstof via een trailer aangevoerd. 

Voordeel van het tanken van waterstof is dat de tankprotocollen over de hele wereld gestandaardiseerd zijn. Er wordt enkel onderscheid gemaakt tussen tanken op 700 bar (personenauto’s) en op 350 bar (bussen, vrachtwagens, vuilniswagens, heftrucks, vaartuigen). De opslagdruk bij personenauto’s is hoger, omdat hierbij het beschikbare volume kleiner is dan bij voertuigen voor zwaar vervoer.

Figuur 1: Binnen 5 minuten een auto vol groene waterstof tanken in Helmond

Hoewel het aantal tankstations beperkt is, rijden er in Nederland ondertussen meer dan 200 auto’s op waterstof rond. Momenteel worden auto’s op waterstof geleverd door Toyota en Hyundai. 

Daarnaast zijn er nog 18 tankstations waarvan de financiering met de hulp van de overheid rond is en die naar verwachting in 2020-2021 gerealiseerd zullen worden. Ook in België en in Luxemburg worden de eerste tankstations voor waterstof gebouwd. In totaal zullen er naar verwachting in de Benelux de komende jaren zo’n 30 tankstations voor waterstof operationeel zijn, waarbij er momenteel nog meer dan 30 stations in ontwikkeling zijn (figuur 2). 

Ondertussen zijn er inmiddels in Duitsland meer dan 80 waterstoftankstations gebouwd en in Japan zijn anno 2020 meer dan 100 tankstations voor waterstof operationeel. 

Figuur 2: Status van ontwikkeling van meer dan 60 waterstoftankstations in de Benelux

Vrachtvervoer: vuilniswagens en vrachtwagens

Hoewel de eerste batterij-elektrische vrachtwagens momenteel getest worden, biedt vooral de vrachtwagen op waterstof interessante mogelijkheden om te komen tot een volledige decarbonisatie van de transportsector. Voor vrachtwagens is immers actieradius van extreem belang en ook het snel kunnen tanken van waterstof in een vergelijkbare tijdspanne als het tanken van diesel is erg belangrijk voor de logistieke dienstverlening. Uit gesprekken met transportbedrijven is gebleken dat juist deze flexibiliteit essentieel is, aangezien de marges in deze sector zeer laag zijn. Het volledig aanleggen en onderhouden van de benodigde laadinfrastructuur voor batterijen voor vrachtwagens is erg duur en beperkt ook zeer sterk de logistieke operaties van bedrijven. Wereldwijd zijn er nog maar enkele tientallen vrachtwagens op waterstof, maar in 2018 heeft Hyundai aangekondigd om de komende jaren met een vloot van 1600 vrachtwagens naar Zwitserland te komen. In deze vrachtwagens zal Hyundai de bewezen brandstofceltechnologie van de personenauto’s integreren. Hiermee kan Hyundai zijn ervaring met de zelf ontwikkelde brandstofcellen maximaal benutten voor toepassing in een nieuwe sector. Daarnaast verhoogt een nieuw toepassingsgebied de productieaantallen voor brandstofcellen, waardoor de prijs van de brandstofcellen verlaagd wordt. 

In Nederland worden overigens momenteel door VDL twee vrachtwagens op waterstof gebouwd: een bakwagen van 27 ton en een truck-trailer combinatie van 40 ton. Beide voertuigen worden in 2020 op de weg bij transportbedrijven in reële omstandigheden getest. 

Een specifieke toepassing voor waterstof binnen het zware vervoer is die van de vuilniswagens. Een vuilniswagen heeft relatief veel energie nodig tijdens zijn functioneren: niet alleen voor het rijden, maar vooral voor het het samenpersen van het afval is veel energie nodig. Daarnaast is zero-emissie rijden voor deze vuilniswagens erg belangrijk, niet alleen voor de luchtkwaliteit in de bebouwde omgeving, maar ook voor de mensen die met de vuilniswagens werken. Er zijn testen gedaan met batterij-elektrische vuilniswagens, maar deze kunnen maar voor een periode van 4 tot 6 uur rondrijden. Om een volledige route te doen biedt waterstof de oplossing. Bij de vuilniswagens spreken we van een hybride-concept, een combinatie van batterijen en brandstofcellen. Het batterijpakket wordt op voorhand geladen en de vuilniswagen wordt getankt met waterstof (10-15 kg). De vuilniswagen vertrekt en rijdt op de elektriciteit afkomstig van de batterij. Als de batterij voor een bepaald percentage leeggetrokken is, springt de brandstofcel bij om de batterij weer vol te laden. Op deze manier kan de actieradius van de vuilniswagen meer dan verdubbeld worden, dan wanneer enkel met batterijen zou worden gewerkt. 

Het Nederlandse bedrijf E-Trucks is momenteel Europees leider voor de ontwikkeling en productie van vuilniswagens op waterstof. De eerste gehomologeerde vuilniswagen rijdt in een testprogramma in de buurt van Eindhoven (figuur 3). E-Trucks heeft inmiddels bestellingen ontvangen voor 40 vuilniswagens vanuit diverse landen in Europa. 

Figuur 3: Vuilniswagen op waterstof van E-Trucks

Maritieme toepassingen op waterstof

Ook binnen de maritieme sector is er een sterk stijgende belangstelling naar het verduurzamen van het transport. Daar waar vroeger bijna uitsluitend olie als brandstof werd gebruikt, worden nu allerlei mogelijkheden onderzocht. Zo zijn er vaartuigen op LNG (vloeibaar aardgas) en ook aan vaartuigen met batterijen wordt gedacht. Maar, zoals bij zware vrachtwagens is ook voor schepen de opslag van elektriciteit te beperkt om daarmee de klassieke technische eisen te kunnen realiseren op vlak van actieradius en autonomie. Daarom wordt voor de scheepvaart sterk gekeken naar waterstof als brandstof. In de haven van Antwerpen vaart de eerste ferryboot op waterstof, waarbij waterstof verbrand wordt in een omgebouwde dieselmotor. Ook in Nederland zijn diverse ontwikkelingsprojecten voor binnenvaartschepen met waterstof in ontwikkeling en ook voor jachten worden de eerste ontwerpen voor aandrijving met waterstof gemaakt. 

Vliegtuigen op waterstof  

Hoewel zoals eerder gemeld raketten al decennia gebruikmaken van waterstof en brandstofcellen, is toepassing van waterstof in de burgerluchtvaart een enorme uitdaging. Vooral de opslag van grote hoeveelheden waterstof is een probleem. In de ruimtevaart wordt gebruikgemaakt van vloeibare waterstof, maar dit is voor de burgerluchtvaart technisch en vooral economisch nog geen optie. De eerste stap naar verduurzaming van de luchtvaart via waterstof wordt in Nederland gezet door het gebruik van groene waterstof bij de productie van biokerosine. In een latere fase kan mogelijk vloeibare waterstof ook direct in de burgerluchtvaart ingezet worden. 

Waterstof: grote autonomie gekoppeld aan maximale flexibiliteit

Uit bovenstaande is gebleken dat waterstof voor mobiliteit voordelen biedt: de grote actieradius en het snelle tanken vormen een essentiële meerwaarde voor de flexibiliteit en eenvoud van duurzaam transport. Een aantal grote industriële spelers heeft het laatste decennium zwaar ingezet op de ontwikkeling van de noodzakelijke componenten zoals brandstofcellen en anno 2020 is de uitrol van waterstoftankstations en de productie van personenauto’s in volle gang. Voor wat betreft het vrachtvervoer op de weg, het water en de lucht worden de eerste demonstratieprojecten gelanceerd en ook hier kijken de gebruikers met veel ongeduld naar de eerste resultaten.

Adwin Martens

1984 – 1990 Elektrotechnisch ingenieur Technische Universiteit Eindhoven

1990 – 2008 Project manager bij VITO, Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek, sinds 2000 verantwoordelijk voor programma waterstof en brandstofcellen

2000 – heden Oprichter en directeur van WaterstofNet, kennis- en samenwerkingsplatform rond waterstof met de focus op Zuid-Nederland en Vlaanderen, gericht op het ontwikkelen van grensverleggende waterstofprojecten  Coördinator van een cluster van een kleine 60 bedrijven rond waterstof