Naarmate de prijs van duurzame energie daalt en opslagtechnologieën rijpen, krijgt waterstofbrandstof nieuwe aandacht.

Jorgo Chatzimarkakis was zijn waterstof-brandstofcelauto aan het tanken bij een van de 50-plus tankstations verspreid over Duitsland toen een Tesla-chauffeur, die zijn eigen auto oplaadde, naderde.

De man was opgewonden om een ​​waterstofauto in actie te zien en zat vol met vragen. Chatzimarkakis, secretaris-generaal van Hydrogen Europe, was blij om ze te beantwoorden, en de twee praatten een paar minuten.

Maar tegen die tijd was de waterstofauto volledig bijgetankt, terwijl de Tesla-chauffeur nog lang moest wachten terwijl zijn batterij werd opgeladen.

"Dit is de realiteit", zegt Chatzimarkakis. "Tegenwoordig zijn de tankstations gereed, staat de auto klaar, kan ik mijn reis van Zwitserland naar Denemarken en Noorwegen zonder problemen plannen."

De visie van een waterstofgestookte wereld heeft meer bijna-ongeluk gehad dan Wile E. Coyote. In 1923 stelde de Britse geneticus JBS Haldane zich een voor netwerk van waterstof genererende windmolens Engeland aandrijven, maar er kwam niets van terecht. In 1970 gebruikte de in Zuid-Afrika geboren elektrochemicus John Bockris voor het eerst de term 'waterstofeconomie' in een toespraak en publiceerde later een boek dat beschrijft hoe een wereld met zonne-energie op waterstof eruit zou kunnen zien. Maar nogmaals, er veranderde niets. In 2002 debatteerde de Amerikaanse economische en sociale theoreticus Jeremy Rifkin dat waterstof de olie zou kunnen overnemen en dat het de toekomst van energie lag in waterstof-aangedreven brandstofcellen.

Maar de industrie was nog niet klaar, zegt Chatzimarkakis. "Het was echt heel geldig, wat Jeremy Rifkin zei, maar politici en journalisten willen altijd het bewijs zien", zegt hij. "En in die tijd was het echt ver weg om te worden gerealiseerd, omdat het onderzoek niet geavanceerd genoeg was."

Hydrogen komt van de leeftijd

Misschien is het moment van waterstof eindelijk aangebroken.

Japan is van plan de 2020 Tokyo Olympic Games te gebruiken om zijn Olympische Spelen te demonstreren visie voor een waterstofmaatschappij en heeft US $ 348 miljoen geïnvesteerd in het opzetten van waterstoftankstations en andere infrastructuur. Duitsland heeft 's werelds eerste op de markt gebracht treinen op waterstof als aanvulling op een groeiend aantal waterstoftankstations in het hele land. Zwitserland is aankoop van 1,000-trucks op waterstof, Noorwegen heeft gehad waterstoftankstations sinds 2006 en Zuid-Korea is investeren US $ 2.33 miljard in de komende vijf jaar om waterstoftankstations, brandstofcelvoertuigen, brandstofcelbussen en waterstofopslagsystemen te creëren. En Australië heeft zijn beide gezien nationaal wetenschapsagentschap CSIRO en hoofdwetenschapper Alan Finkel rapporteer afzonderlijk hun visies voor een door waterstof aangedreven land en de exportindustrie.

De Coradia iLint begon met waterstoftransport op waterstof in 2018 in Duitsland. Foto met dank aan Alstom | R Frampe

De kern van de waterstofeconomie is het gebruik van elektriciteit uit hernieuwbare bronnen zoals zonne-, wind- en waterkracht om water te splitsen in zuurstof en waterstof - een proces genaamd electrolyse. Dat 'groene waterstof' kan dan worden gebruikt in brandstofcellen om elektriciteit op te wekken, en de brandstofcellen kunnen afzonderlijk worden gebruikt om voertuigen te besturen of in stapels om een ​​raster te ondersteunen of zelfs van stroom te voorzien. Het beste van alles is dat de uitlaatgassen die worden gegenereerd door waterstofbrandstofcellen water zijn, dat op een dag opnieuw kan worden herwonnen en gerecycled voor elektrolyse.

Economie en klimaat

Dus wat is er veranderd om waterstof eindelijk in de voorhoede van wereldwijde energieplannen te brengen? Jenny Hayward, senior onderzoeker bij CSIRO en co-auteur van zijn 2018 National Hydrogen Roadmap, zegt de gunstiger economie een significante rol gespeeld.

"Je hebt een dalende productie, maar ook het gebruik daalt ten koste van alles," zegt Hayward. Niet alleen is de prijs van elektriciteit uit fotovoltaïsche zonne-energie en wind dramatisch gedaald, maar de elektrolyse-technologie is ook veel goedkoper, grootschaliger en efficiënter geworden. Tegelijkertijd verbeteren waterstofbrandstofcellen ook in efficiëntie en kosten, zegt ze.

Klik om een ​​infographic van het Amerikaanse Ministerie van Energie te zien over waterstofbrandstoffen.

Een andere grote drijfveer is de toenemende urgentie voor substantiële reducties van de uitstoot van broeikasgassen, zegt John Andrews, een deskundige op het gebied van duurzame energie en hoogleraar aan de RMIT University in Melbourne, Australië.

"Het is zo belangrijk om de introductie ervan te koppelen aan het oplossen van de klimaatverandering," zegt Andrews. "Het gaat niet alleen om het krijgen van een alternatieve brandstof; het is een kwestie van een brandstof- en energiesysteem met een nuluitstoot krijgen. "

Het bevorderen van de aanpassing van waterstof als brandstof was niet eenvoudig. Ondanks de eeuwenoude zoektocht naar een waterstofeconomie, zijn er een aantal belangrijke technologische uitdagingen overwonnen om op dit punt te komen - en het is nog steeds een vroege dag.

Het opslagprobleem oplossen

Een belangrijk probleem bij het gebruik van waterstof voor transport is geweest mediaopslag. Het is pas onlangs mogelijk geworden om waterstof in een container te comprimeren die klein genoeg en licht genoeg is om in de rug van een personenauto te passen, terwijl het nog steeds voldoende energie bevat om die auto op zijn minst 300 mijlen te laten rijden.

"Er werd altijd gedacht dat het erg moeilijk zou zijn om een ​​waterstofopslag te krijgen die de doelen van het Amerikaanse Ministerie van Energie voor gebruik met waterstofbrandstofcels zou kunnen verslaan", zegt Andrews. Toen kwam de ontwikkeling van een hogedrukwaterstoftank gemaakt van geavanceerde composieten, die in staat waren om aan de vereisten te voldoen of zelfs te overtreffen.

Brandstofopslag was een grote uitdaging voor transport op waterstof. Recente verbeteringen hebben het bereik van personenauto's uitgebreid tot meer dan 300-mijlen per opvulling. Foto © iStockphoto.com/Tramino

"Ik denk dat hierdoor mensen gingen zitten en ja zeggen, het is mogelijk om een ​​vorm van opslag te hebben die kan worden gebruikt om waterstof aan boord van een voertuig te vervoeren en een bereik te geven dat vergelijkbaar is met conventionele auto's en een vultijd hebben - dit is een kritieke voordeel van waterstof - van slechts enkele minuten, "zegt hij.

Waterstofbrandstofcelvoertuigen komen nu overeen met of overtreffen zelfs het bereik van conventionele benzine- of dieselvoertuigen; Toyota beweert dat zijn Mirai krijgt rond 312-mijlen uit een tank waterstof. Dit maakt hen een veel aantrekkelijker vooruitzicht voor reizen over lange afstanden dan een elektrisch voertuig op batterijen.

Het maakt ze ook een haalbare optie voor meer hardwerkende voertuigen, zegt Lisa Ruf, coördinator van Waterstofmobiliteit Europa en principal consultant bij Element Energy in het Verenigd Koninkrijk.

"In operaties voor vrachtwagens, voor taxi's, voor noodhulpdiensten, moet je het bereik en de tanktijd hebben die vergelijkbaar is met conventionele voertuigen," zegt ze, verwijzend naar de zaak van de Londen Metropolitan Police, dat dit jaar 11 waterstof-brandstofcelauto's heeft gekocht. 

Het raster voeden

Waterstof wordt ook onderzocht als een manier om de stabiliteit van een hernieuwbaar gevoed energienet te handhaven, aldus Morry Markowitz, president van de Fuel Cell and Hydrogen Energy Association in de VS

"Omdat de zon niet altijd schijnt en de wind niet waait, hebben hernieuwbare energiebronnen een probleem met de intermittency, dus je moet een manier kunnen vinden om de elektronen die worden gemaakt effectief op te slaan," zegt hij. Overtollige elektriciteit kan worden gebruikt voor het aandrijven van elektrolyse en het genereren van waterstof die kan worden gebruikt in brandstofcelvoertuigen of stationaire brandstofcellen, of kan worden opgeslagen voor transport.

Dit scenario is vooral aantrekkelijk voor afgelegen gebieden, zoals outback-steden in Australië die anders afhankelijk zijn van dieselgeneratoren. Het aandrijven van steden met een combinatie van hernieuwbare energiebronnen en waterstofopslag zou binnenkort kosteneffectief kunnen worden, vooral omdat de prijs van diesel stijgt, aldus Hayward.

Gasbedrijven zien ook waterstof als een mogelijk alternatief voor aardgas, dat gebruik zou kunnen maken van de bestaande infrastructuur. "Dat zou fantastisch zijn; dan vertrouwen ze niet op vrachtwagens die met diesel binnenkomen, ze hebben alleen hun hernieuwbare energie nodig, "zegt ze. "Ze zouden een systeem kunnen hebben waarin ze een brandstofcel hebben en ze herstellen het water, dus het is een op zichzelf staand systeem."

Gasbedrijven zien ook waterstof als een mogelijk alternatief voor aardgas, dat gebruik zou kunnen maken van de bestaande infrastructuur.

"Vooral als we hoge emissiereductiedoelstellingen gaan gebruiken, zullen ze deze gasinfrastructuur daar laten zitten die niet wordt gebruikt", zegt Hayward. "Wat interessant is, is dat in gasdistributienetwerken, als ze zijn gemaakt van PVC-buizen, 100 procent waterstof kan hebben, hoewel apparaten en meters moeten worden gewijzigd."

Het Hindenburg-effect

Het is onmogelijk om over waterstof te spreken zonder de blimp in de kamer aan te spreken, wat Markowitz het "Hindenburg-effect" noemt. Het spectaculaire waterstofgestookte inferno dat de Hindenburg-luchtschipramp in 1937 in New Jersey was, blijft de waterstofindustrie achtervolgen en de kwestie van de problemen met betrekking tot brandbaarheid en veiligheid van waterstof worden onvermijdelijk opgeworpen in discussies over de waterstofeconomie.

Maar Markowitz zegt dat waterstoftechnologie tegenwoordig ver gevorderd is van de waterstoftechnologie van die tijd.

"Geavanceerde materialen zoals koolstofvezel tanks, sensoren, computers en andere dingen zijn zo dramatisch verbeterd ... veiligheid voor waterstof zou zelfs geen probleem moeten zijn," zegt hij. "In de transportsector en andere gebieden ontmoeten waterstofvoertuigen elkaar of overtreffen ze alles wat er op dit moment onderweg is."

Er zijn ook zorgen dat verhoogde opname van waterstof de ozonlaag zou kunnen beïnvloeden. EEN 2003 studie suggereerde dat als alle energieopwekking door fossiele brandstoffen zou worden vervangen door waterstof, lekkage van het gas in de atmosfeer zou kunnen reageren met zuurstof om waterdamp te vormen die de ozonlaag aanzienlijk zou kunnen verstoren.

Een andere vaak gemaakte kritiek van waterstof is dat een aanzienlijk bedrag nog steeds is geproduceerd met fossiele brandstoffen. In de Verenigde Staten wordt de meeste waterstof geproduceerd via een proces genaamd aardgas reforming, waarbij aardgas in reactie wordt gebracht met stoom op hoge temperatuur om waterstof, koolmonoxide en een kleine hoeveelheid koolstofdioxide te produceren. Het kan ook worden gemaakt door vergassing van bruinkool, wat ook resulteert in CO₂ productie.

"Als je een van die routes volgt om waterstof te krijgen, zijn er een aantal kooldioxide-emissies die afkomstig zijn van die routes, dus de enige manier waarop je die nulemissie kunt maken, is om die te koppelen aan het vastleggen en opslaan van koolstof," zegt Andrews. "En dat is nog steeds een grote vraag of dat levensvatbaar kan zijn, of het veilig zal zijn en we die koolstofdioxide duizenden jaren onder de grond kunnen houden en of het ooit economisch kan zijn."

Gemeten aanpak

Er is een gevoel van urgentie voor discussies over waterstof, wat een weerspiegeling is van de wijdverspreide erkenning dat het nodig is om het vervoer koolstofvrij te maken, zegt Ruf. Ze stelt dat er weliswaar een reeks oplossingen op tafel ligt, maar dat waterstof in staat is om problemen aan te pakken die andere technologieën niet zo gemakkelijk of kosteneffectief kunnen maken.

Maar hoewel er veel opwinding is over het potentieel van waterstof, adviseert Ruf ook voor een afgemeten aanpak.

"Het probleem dat we hebben, denk ik als een sector voor het ondersteunen van waterstofbrandstofceltechnologie, is dat we op onze hoede moeten zijn voor de hype en dat we in staat moeten zijn de verwachtingen te beheren," zegt ze. "Het kost iets dat tijd en investeringen vergt. Het zal niet van de ene op de andere dag gebeuren, maar op lange termijn is het een zeer goede oplossing. "

Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Ensia

Over de auteur

Bianca Nogrady is een freelance wetenschapsjournalist die nog een stuk onderzoek moet tegenkomen dat ze niet fascinerend vindt. Ze schrijft voor verschillende outlets, waaronder Nature, The Guardian, Australian Geographic, BBC Future en de Australian Broadcasting Corporation.  twitter.com/BiancaNogrady biancanogrady.com

Noot van de redactie: De auteur heeft in het verleden contract-schrijven voor CSIRO gedaan, maar niet gerelateerd aan waterstofbrandstof.

Boeken van deze auteur

at InnerSelf Market en Amazon