Waterstof of batterij elektrische wagens?

Waterstof of batterij elektrische wagens?

We hebben het allemaal al wel eens gehoord: Waterstof, dàt is de toekomst …. ! Maar waar staat de waterstof technologie vandaag en waarom zien we de meeste auto constructeurs volop inzetten op elektrische wagens met een batterij ipv een waterstoftank? Een waterstof auto is immers ook een elektrisch aangedreven wagen. In een fuel cell wordt elektriciteit gemaakt door waterstof (H2) in contact te brengen met zuurstof (O2) en krijg je gewoon water (H2O) via de uitlaat.

Aan de ene zijde heb je bijvoorbeeld Elon Musk van Tesla die zich duidelijk negatief uitsprak over waterstof. Op het Automotive world news congres in Detroit gaf Elon aan dat waterstof ‘ongelooflijk dom’ en een ‘marketing truc’ van de OEM’s is in plaats van een lange termijn oplossing. , Hij is duidelijk voorstander van de batterij technologie. Anderzijds heeft Japan het commitment genomen om de eerste volledige waterstofsamenleving te worden. Zo wil Japan tegen maart 2021 maar liefst over 160 waterstof tankstations beschikken en 40 000 waterstof wagens op de baan hebben.

Opvallend hoe je over eenzelfde technologie en fysica zo verschillend kunt denken. Stroohm zocht het voor jullie uit.

 

Snel tanken en lang rijden !

Waterstof heeft namelijk een hogere energie per gewicht ratio (33.330Wh/kg) dan batterijen (278Wh/kg), dat is 236 keer meer voor waterstof! Maar waterstof is een gas en je kan geen gigantische ballon mee nemen.  Onder enorme druk kan je waterstof gas in volume verkleinen en in een tank meenemen. Waterstof wagens hebben vandaag een range tussen 400 en 700km. Een nog hogere range vraagt weinig gewichtstoename.  Verder duurt het maar enkele minuten om waterstof te tanken . Een batterij volladen vraagt een 40-tal minuten (snel) of +-7u thuis aan de laadpaal (traag). Maar dat kan dan weer elke nacht of op kantoor gebeuren zonder dat je moet wachten zoals bij een tankbeurt. Net als onze GSM, daar wachten we ook niet op tot die opgeladen is.

Wanneer we dus kijken naar het bereik en de laad/tanktijd kunnen we dus begrijpen waarom sommige constructeurs investeren in deze technologie. Dit leunt het dichtste aan bij het tanken wat we vandaag wereldwijd gewoon zijn.

 

Hoe wordt waterstof eigenlijk gemaakt?

Waterstof is géén water. Je auto voltanken via de tuinslang zal dus nooit mogelijk worden. Er bestaan ook geen natuurlijke voorraden van waterstof. Maar hoe wordt het dan gemaakt? Hoewel waterstof het meest aanwezige element is in het heelal, is het altijd nodig om de waterstof los te weken uit bestaande chemische verbinding. En dat vraagt energie, veel energie. Dat kan op verschillende manieren. De 2 meest voorkomende manieren zijn 1. stoomreforming (kraking) van aardgas en 2. elektrolyse.


1. Stoomreforming
Bij stoomreforming wordt stoom aan een zeer hoge temperatuur (>850C) en hoge druk (>25bar) gecombineerd met aardgas waarbij CO2 en waterstof (H2) wordt gemaakt. Het nadeel is echter dat er fossiele brandstoffen worden gebruikt en als bijproduct nog steeds CO2 vrijkomt en veel energie vraagt. Je kan je afvragen of dit de meest ecologisch en economische manier van werken is. Als we ons dus een zo duurzaam mogelijke toekomst inbeelden zal een ander type productie allicht interessanter zijn.

2.Electrolyse
Bij deze methode wordt een elektrische stroom door water geleid, waardoor waterstof vrijkomt als gas. Dit proces vereist meer energie dan stoomreforming maar kan met groene stroom uitgevoerd worden. Er gaat wel 30% van de energie verloren bij het gebruik van electrolyse. Ook nadien moet het waterstof nog worden opgedrukt tot 700bar (en gekoeld) en worden getransporteerd tot aan de bestemming. 

 

Opslag & Transport

Waterstof weegt niet veel maar heeft een groot volume. En daarom moeten we waterstofgas enorm samendrukken om het in de auto mee te kunnen nemen.

Waterstof kan je koelen en zo vloeibaar maken. Echter, door de fysische eigenschappen van waterstof is het, op Helium na, het moeilijkste gas om vloeibaar te maken. Om hierin te slagen moet je de temperatuur doen dalen tot wel – 250°C. Dat vraagt niet alleen enorm veel energie, het is ook minder veilig om in je auto een kokend vat met explosief gasmengsel te houden. Daarom  wordt de druk  verhoogd  naar 350 tot wel 700 bar. Maar dit gebruikt heel wat energie. Ongeveer 13% van de totale energie van de waterstof zelf en dat gas moet dan afgekoeld worden.

Transport gebeurt momenteel voornamelijk via trucks of pijpleidingen waar er eveneens energieverlies zal voordoen. Dit kan gaan van 10% tot 40%. Ter vergelijking: bij transport van elektriciteit via het net verlies je maar 5%. Elektriciteit kan je eenvoudiger transporteren, maar dan wel moeilijker opslaan in de zomer om in de winter te gebruiken.

 

Hoe efficiënt is zo een Fuel Cell?

Wanneer waterstof getankt is moet het weer worden omgezet in elektriciteit om de elektrische motoren aan te drijven. Dit loopt via een brandstofcel. Als de brandstofcel wordt gevoed door zo puur mogelijke waterstof, zal je een rendement tussen de 40 en 60% halen. Een groot deel van de energie zal verloren gaan aan warmte die je in de winter kan recupereren via de verwarming. Een elektrische wagen met batterij haalt een rendement van wel 90%.

 

Waterstof of batterij wagen, wie wint? 

Om een juiste energetische vergelijking te maken moeten we dus alle voorgaande aspecten meerekenen. Bij een waterstof wagen zal 25%  van de oorspronkelijke elektriciteit overblijven om mee te rijden. Voor een elektrische wagen met batterij is dit circa 75% ofwel 3 keer efficiënter.

Als je kijkt naar de autonomie van waterstof wagens zal je al gauw een 100 kilometer per kilogram waterstof kunnen rijden. Met de huidige Hyundai Nexo zou je een 666 km (WLTP) ver komen tov een 449 km (WLTP) met een Hyundai Kona elektrisch. Reken hierbij dat je een waterstofwagen op enkele minuten kan opladen en je ziet al snel dat lange afstanden een grote troef kunnen zijn voor waterstof.

Al zal je voor dat grotere bereik ook meer gaan betalen. Qua prijs spreek je bij waterstof namelijk over een 10 euro per kilo of 10€/100km. Ter vergelijking: een Kona met een verbruik van 16kWh/100km kost je gemiddeld op 4€/100km. Voor een elektrische wagen met batterij betaal je dus minder dan de helft per km. Ook qua aankoop zien we dat zelfde verhaal terugkomen. Een Kona EV (64kWh batterij) kan je kopen vanaf 45000 euro, voor een Nexo is dit eerder 75000 euro.

Wie is dan de uiteindelijke winnaar in de strijd om de technologie?  De batterijwagen voor wie goedkoop wil rijden en onafhankelijk zelf zijn energie wil kunnen opwekken.  De waterstofwagen is de winnaar voor wie lange ritten doet zonder de mogelijkheid om te snelladen of wie niet kan laden thuis of op kantoor.

 

Beide combineren is nog beter!

Wij zijn er echter van overtuigd dat een combinatie van beide technologieën het uiteindelijk zal halen. Een elektrische wagen met een batterij én een fluel cell! Met een kleinere en dus lichtere batterij zal je het merendeel van je verplaatsingen kunnen doen. Bovendien verbruik je dan minder door de gewichtsbesparing. Voeg hieraan een compacte brandstofcel toe die snel kan getankt worden voor extra rijbereik voor de momenten dat je lange afstanden doet.

Mercedes-Benz is een van de eerste die met zulke technologie naar buiten komt in de vorm van de GLC F-Cell: 430 km (NEDC 2.0) op waterstof en een 13,5 kWh lithium-ionbatterij met 51 km (NEDC 2.0). Om deze combinatie succesvol te maken zal je dus je wagen moeten kunnen configureren met een batterij grootte van 40kw – 60kw – 100kw al dan niet aangevuld met een “kleine of grote waterstof tank en Fuel Cell” met een 200 a 600km extra bereik. Zo kan iedereen zijn ideale wagen samenstellen afgestemd op zijn persoonlijk gebruik.

 

De uitdaging in de energie markt zijn aanzienlijk om op een duurzame manier waterstof te kunnen produceren, maar beide technologieën – Waterstof en batterij opslag – zullen doorbreken en de klassieke verbrandingsmotoren vervangen met een elektrische aandrijving.

 

Er zijn vandaag reeds heel wat elektrische wagens beschikbaar, bekijk hier alvast het overzicht van alle elektrische modellen met hun bereik, prestaties en kofferruimte. Dankzij het fiscaal regime en brandstofbesparing komen deze wagens reeds goedkoper uit dan hun tegenhanger met diesel of benzine motoren.

 
 
Bart Massin