Waterstof auto

Een waterstof auto is een elektrische auto die waterstofgas (H2) als brandstof gebruikt voor het aandrijven van een elektromotor. Dit kan al dan niet gepaard gaan met een accu.

In dit kennisdossier bespreken we onder meer:

  • Wat waterstof is en hoe het kan worden verkregen
  • Hoe een waterstofauto werkt
  • Wat de voor- en nadelen zijn van waterstofauto’s
  • Welke auto’s er zijn die op waterstof rijden

Wat is waterstof?

Waterstof (H) is het meest voorkomende, lichtste en kleinste element dat we in de scheikunde kennen. Bij normale temperatuur en druk is waterstof een kleurloos, reukloos en zeer licht ontvlambaar gas (H2). Hierin zijn twee waterstofatomen met elkaar verbonden. In de natuur komt waterstof (H) alleen voor in combinatie met andere elementen, zoals zuurstof en koolstof.

Elektrolyse

Als waterstof moet worden ingezet als brandstof moet deze dus kunstmatig geproduceerd worden. Dit gebeurt bijvoorbeeld door watermoleculen (H2O) te splitsen in waterstof en zuurstof.

Dat gebeurt middels onderstaande scheikundige reactie, genaamd elektrolyse:

2 H2O –> O2 + 2 H2

Belangrijk:

Deze reactie gaat niet vanzelf, maar moet behulp van elektriciteit in gang worden gezet. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van twee elektroden waartussen een elektrische spanning wordt aangebracht. Aan de ene elektrode (genaamd de kathode) komt waterstof vrij. Aan de andere elektrode (genaamd de anode) komt zuurstof vrij.

Groene, blauwe of grijze waterstof

Als de elektrolyse met behulp van duurzame elektriciteit in gang wordt gezet, spreekt men van groene waterstof.

Een andere manier is om waterstof te produceren uit aardgas (CH4), maar daarbij komt wel CO2 vrij. Dit wordt daarom grijze waterstof genoemd. Eventueel kan de CO2 onder de grond worden opgeslagen. Het gaat dan om ‘blauwe’ waterstof.

Hoe werkt een waterstofauto?

Maar hoe werkt een waterstofauto dan?

De precieze werking is behoorlijk ingewikkeld. We proberen het daarom zo eenvoudig mogelijk uit te leggen.

waterstofauto

Werking brandstofcel

Waterstofauto’s maken gebruik van een brandstofcel:

  1. Het waterstofgas (H2) wordt in de brandstofcel door een membraan geleid
  2. Met behulp van een katalysator (een stof die de reactie versneld) splitsen de twee waterstofatomen zich in waterstofprotonen en elektronen
  3. De protonen gaan door het membraan en komen er aan de andere kant weer uit
  4. De elektronen vertegenwoordigen een bepaalde hoeveelheid elektriciteit en kunnen worden gebruikt om een elektromotor te laten draaien en de auto aan te drijven
  5. Zodra de elektronen door de motor zijn geweest komen ze er aan de andere kant van het membraan uit
  6. Onder invloed van zuurstof (uit de buitenlucht) reageren de waterstofprotonen en elektronen met elkaar en vormen ze water (H2O)
  7. De waterstofauto stoot dus waterdamp uit

In deze video wordt de werking van een brandstofcel visueel uitgelegd.

Welke auto’s op waterstof zijn er?

In 2020 zijn er in Nederland twee productieauto’s die op waterstof rijden, namelijk:

  • De Hyundai Nexo: vanaf circa 75.000 euro
  • Toyota Mirai: vanaf circa 80.000 euro

In het buitenland is ook de Honda FCX Clarity te koop.

Op de planning voor Europa staat verder de BMW Vision iNEXT, iX3 en i4.

Wat zijn de voor- en nadelen van een waterstofauto?

De waterstofauto kent een aantal interessante voordelen, maar er zijn ook veel nadelen.

Een overzicht:

VoordelenNadelen
Een waterstof auto kun je in 5 tot 10 minuten voltanken, iets langer dan bij benzine of diesel.Het maken van waterstof is niet efficiënt, omdat er heel veel stroom voor nodig is. Bovendien gaat er bij het gebruiken van waterstof als brandstof (onnodig) energie verloren.
De actieradius van een waterstof auto is vergelijkbaar met de meeste benzine- en dieselauto’s (500 – 800 km).Waterstof is alleen milieuvriendelijk als waterstof wordt geproduceerd met behulp van duurzaam opgewekte stroom.
De accu’s waar waterstofauto’s gebruik van maken zijn veel kleiner dan die van een normale elektrische auto. Er hoeft dus minder gebruik te worden gemaakt van kostbare en schaarse grondstoffen, zoals kobalt en lithium.Er zijn nog maar weinig stations waar je waterstof kunt tanken. Nederland telt er zo’n vijf (peildatum: september 2019). Stroom voor een elektrische auto is overal verkrijgbaar (ook thuis of op het werk).
Het grootschalig opslaan van energie in de vorm van waterstof is efficiënter dan opslaan van energie in accu’s.Waterstof kent een lage energiedichtheid. Dat betekent dat er zeer grote tanks nodig zijn om waterstof op te slaan. Duur en onhandig.
Water is in grote hoeveelheden aanwezig op aarde, waardoor het een oneindige energiebron isEen auto op waterstof is duur om te produceren, omdat de brandstofcel bestaat uit een aantal zeldzame elementen, zoals platinum.

Door de genoemde nadelen is rijden op waterstof op dit moment nog erg duur. Dat zie je vooral terug in de prijs van de auto’s. Ook waterstof tanken is ongeveer even duur als benzine tanken.

Vergelijking met elektrisch rijden

Bij het kijken naar de mogelijkheden van een waterstofauto wordt vaak een vergelijking gemaakt met een elektrische auto. Het verschil met een elektrische auto is dat een waterstofauto zijn energie haalt uit waterstof in plaats van een accu die via het stroomnet moet worden opgeladen.

Waterstofauto is minder efficiënt

Als puur wordt gekeken naar technisch rendement is een waterstof auto veel minder efficiënt dan een auto die rijdt op accu’s.

Dat heeft puur te maken met:

  • Het feit dat waterstof moet worden geproduceerd met een rendement van ongeveer 60 tot 75 procent
  • Dat de waterstof (in een auto) opnieuw moet worden omgezet naar een een bruikbare stroom om de elektromotor aan te drijven (dit gaat met een rendement van ongeveer 55 procent)

Deze twee rendementen kun je met elkaar vermenigvuldigen: 0,55 x 0,75 = 0,41 = 41 procent. Kortom, onderweg gaat er ongeveer 60 procent van de origineel opgewekte stroom verloren.

De efficiëntie gaat verder omlaag door het transport van de waterstof waar energie voor nodig is. Dat betekent dat er ongeveer 2,5 tot 3 keer zoveel wind- of zonneenergie moet worden opgewekt om dezelfde hoeveelheid stroom uit waterstof te krijgen als bij een accu.

Onderstaande infographic van wattisduurzaam.nl laat dat goed zien.

De toekomst van waterstof

Minister Wiebes van Economische Zaken stelde in juni 2020 dat er meer aandacht moet komen voor het gebruik van waterstof. Ook verscheen er in 2020 een rapport van TNO en zo’n 30 bedrijven, waaronder Gasunie, Shell, Boskalis en Van Oord. In dat rapport staat dat waterstof ook op grote schaal op zee kan worden geproduceerd en kan worden gebruikt voor de stroomvoorziening van de industrie, als verwarming in huizen en wellicht ook als brandstof in auto’s en vliegtuigen.

De grootste knelpunten bij waterstof zitten volgens het rapport in de infrastructuur en in de efficiëntie van het systeem.

Vraag en aanbod duurzame energie

Zodra het aanbod duurzame energie groter wordt dan de vraag, kan waterstof echt interessant gaan worden, want dan is er overcapaciteit over om de brandstof te produceren. Soms zijn die overschotten er tijdelijk. Als het hard waait, draaien de windmolens op volle toeren: ze leveren dan tijdelijk meer stroom dan dat er vraag is naar stroom. Dit overschot kan dan (tijdelijk) worden benut om waterstof te produceren en op te slaan als groene energiereserve (brandstof). Op die manier werkt het systeem efficiënt.

Naarmate de techniek van waterstofauto’s beter wordt en er meer duurzame energie beschikbaar is, zullen de nadelen van waterstof kleiner worden en komen de voordelen duidelijker naar voren. Op dit moment is er van structurele overschotten van duurzame energie echter nog lang geen sprake.

Toepassingen

Voor vliegtuigen kan waterstof op kortere termijn al een interessante brandstof worden, omdat het gebruik van accu’s daar niet rendabel is en er in de vliegtuigbranche een grote urgentie om te verduurzamen.

Voor auto’s en veel andere voertuigen lijkt de toekomst weggelegd voor elektrisch rijden op accu’s. De uitdagingen die hier liggen, lijken door technologische ontwikkeling en innovaties overwonnen te worden. Zo worden er accu’s ontwikkeld die grotendeels kunnen worden hergebruikt, waardoor nieuwe kostbare en schaarse grondstoffen zo min mogelijk nodig zijn.

Ondertussen worden er door bedrijven en universiteiten de komende jaren vele tientallen miljarden geïnvesteerd in onderzoek naar nieuwe accu’s die:

  • Nog minder of geen kobalt (een schaarse grondstof) bevatten
  • Een hoge energiedichtheid hebben
  • Sneller opgeladen kunnen worden
  • Langer meegaan
  • Beter kunnen worden hergebruikt

Bronnen

Voor het samenstellen van dit dossier is gebruik gemaakt van onderstaande bronnen:

  • mvwautotechniek.nl/waterstof-en-brandstofcel
  • anwb.nl/auto/elektrisch-rijden/elektrische-autos/waterstofauto-hoe-werkt-het
  • nl.wikipedia.org/wiki/Waterstofauto
  • wattisduurzaam.nl/15443/energie-beleid/tien-peperdure-misverstanden-over-wondermiddel-waterstof/
  • twi-global.com/technical-knowledge/faqs/hydrogen-cars

Vind je deze informatie nuttig?