Waterstof, de brandstof van de toekomst!
Maakt de uitputting van fossiele brandstoffen door auto’s het noodzakelijk om een oplossing te vinden in waterstof als alternatieve brandstof?
Voorwoord
Er zijn een paar redenen waarom wij voor dit onderwerp hebben gekozen. Een voor ons actueel onderwerp daar wij van die generatie zijn die zeker met het probleem van fossiele brandstoftekorten geconfronteerd zal worden. Het baart ons zorgen dat er in verhouding met andere actualiteiten weinig gepubliceerd wordt over dit aankomende probleem. Een probleem dat sneller op ons afkomt dan de meeste mensen verwachten. Het is zo vanzelfsprekend dat je stopt bij een pompstation en je tank volgooit. Ook bij het omhoog zetten van je thermostaat wordt niet nagedacht met uitzondering van het kostenaspect. Dit is geen nationaal-, maar een wereldprobleem, waardoor dit onderwerp nog interessanter wordt.
Samenvatting
Waterstof (H2) is een scheikundige stof met de speciale eigenschap dat er energie mee opgeslagen kan worden. Waterstof is een schone brandstof. Door de combinatie van de uitputting van de huidige fossiele brandstoffen en milieunoodzaak zal de verdere ontwikkeling van waterstof sterk gestimuleerd worden. Bij elektrolyse van water komt waterstof en zuurstof vrij. Met een duurzame energiebron wordt elektriciteit gegenereerd. Een deel daarvan wordt meteen gebruikt. Het overschot wordt dan verbruikt voor het ‘splitten’ van water. Door middel van de brandstofcel kan waterstof, bij toevoeging van zuurstof, weer omgezet worden in energie en water. Maar maakt de uitputting van fossiele brandstoffen door auto’s het noodzakelijk om een oplossing te vinden in waterstof als alternatieve brandstof?
De waterstofenergievoorzieningen hebben nu nog verschillende gebreken. Er zijn een aantal technische gebreken en daarnaast zijn de kosten van een brandstofcel nog hoog.
Op een gegeven moment zal er wel overgestapt moeten worden van fossiele brandstoffen op waterstof als brandstof, omdat de fossiele brandstoffen op zullen zijn.
De lezer van dit literatuuronderzoek kan slechts één conclusie trekken, namelijk dat verdere ontwikkelingen en investeringen een absolute noodzaak zijn om ons te verzekeren van een toekomstige alternatieve brandstof. Het is reeds bewezen dat het einde van de fossiele brandstof in zicht is en dat we in de situatie “OP = OP” terecht zullen komen.
Inleiding
Naar aanleiding van een documentaire op televisie over waterstof als nieuwe energiebron kwam het plan om in dit literatuuronderzoek dieper in te gaan op de vraag:
“Maakt de uitputting van fossiele brandstoffen door auto’s het noodzakelijk om een oplossing te vinden in waterstof als alternatieve brandstof?”
Onze hypothese is dat de uitputting van fossiele brandstoffen door auto’s het noodzakelijk maakt om een oplossing te vinden in waterstof als alternatieve brandstof. Nu ontstaan er teveel schadelijke stoffen omdat de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te groot is. Door waterstof zal de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen afnemen en er zullen dus minder schadelijke stoffen ontstaan. Waterstof is daarnaast duurzaam terwijl de fossiele brandstoffen na verwachting na ca. 35 à 40 jaar op zullen zijn.
De volgende deelvragen zijn gebruikt om de hoofdvraag te beantwoorden:
• Wat is waterstof?
• Waarom waterstof?
• Wat is een brandstofcel?
• Wat is de energiebron voor het verkrijgen van waterstof?
• Waar wordt waterstof nu voor gebruikt?
• Wat zijn nu nog de gebreken?
• Wat zijn de verder mogelijkheden?
De hoofdvraag behoort tot de algemene natuurwetenschappen, omdat het te maken heeft met natuur- en scheikunde.
Wat is waterstof?
Bij kamertemperatuur en normale druk is zuivere waterstof een gas. Waterstofgas heeft geen smaak, is geurloos en kleurloos. Een waterstofmolecuul bestaat uit twee waterstofatomen. Het scheikundige symbool voor waterstof is daarom H2. Waterstof is veel lichter dan lucht. Het heeft een dichtheid van 9,0 kg •10-3/m3 en de dichtheid van lucht is 1,0 kg•101/m3. Het waterstofatoom is het kleinste en lichtste atoom dat er bestaat. Op helium na heeft waterstof het laagste kook- en vriespunt. Het kookt bij -252.8° C en bevriest bij –259.14° C.
Waterstof is kleurloos in kleine hoeveelheden, maar lichtblauw als het dik op elkaar zit. Vaste waterstof is kleurloos. Het is het op tien na meest voorkomende element op aarde. Toch is minder dan 1 procent van de massa van de aarde waterstof, omdat het zo licht is.
Waterstof komt normaal gesproken alleen voor in samenstellingen. Zuivere waterstof komt bijna niet voor in de natuur, hoewel zich in sommige vulkanen en oliebronnen kleine hoeveelheden waterstofgas bevinden. Veel levende organismen bestaan voor een groot deel uit waterstof. Ook in de voedingsstoffen die energie leveren aan het lichaam zit veel waterstof.
Er bestaan drie verschillende isotopen van waterstof: protium 1H, deuterium 2H, tritium 3H. Normaal gesproken reageert waterstof niet met andere stoffen bij kamertemperatuur, maar door een vonk of een vlammetje kan waterstof heftig reageren met de zuurstof in de lucht. De reactievergelijking 2H2 + O2 => 2H2O laat zien dat de twee waterstofatomen uit elkaar gaan en aan een zuurstofatoom vast gaan zitten en zo samen water vormen. Door elektrolyse kan je deze reactie weer terugdraaien. (volgens Engelse Encarta Encyclopedie 2003)
Waarom waterstof?
“Shell ziet waterstof als de brandstof van de toekomst” zegt Herman Kuipers (Shell Global Solutions).
Waterstof kan gemaakt worden met duurzame energie. Door middel van elektriciteit kan men water scheiden in waterstof en zuurstof. Een schone bron maakt een schone brandstof. Duurzame bronnen lijken er ook genoeg te zijn, maar energie van duurzame bronnen laat zich slecht bewaren en dat is het grote voordeel van waterstof, energie kan nu opgeslagen worden. (volgens Jeremy Rifkin, politiek adviseur en schrijver van het in 2002 verschenen boek: “De waterstof economie” , VS)
Volgens prof. Kohler, die bij DaimlerChrysler verantwoordelijk is voor de research voor voertuig- en aandrijftechniek is waterstof de optimale energiedrager voor de toekomst, maar zeker niet het enige middel dat DaimlerChrysler zal gebruiken in het streven naar een niet-verontreinigende brandstof “We zullen ook aan andere brandstoffen werken, zoals synthetische benzine en diesel. Ook die zouden heel milieuvriendelijk, bijvoorbeeld uit de enorme voorraden aardgas of uit biomassa, kunnen worden gemaakt en via de uitlaat minder vervuiling brengen. Maar hoe dan ook: waterstof blijft dé brandstof van de toekomst.”
Door de combinatie van politiek en milieunoodzaak zal de verdere ontwikkeling van waterstof sterk gestimuleerd worden. De afhankelijkheid van fossiele brandstoffen zal sterk afnemen. Amerika zal dus minder afhankelijk zijn van het Midden-Oosten en er zullen minder schadelijke stoffen ontstaan.
Wat is een brandstofcel?
De brandstofcel brengt net zoals een batterij elektriciteit voort op chemische wijze. Het grote verschil is echter dat de energie van een batterij opgeslagen is in de batterij zelf, terwijl de energie van een brandstofcel wordt toegevoerd als brandstof, meestal in de vorm van waterstof. Het is deze eigenschap die brandstofcellen zo interessant maakt. Als men in een batterij aangedreven auto meer energie wil meenemen, bijvoorbeeld om de actieradius (afstand die een vervoermiddel kan afleggen zonder nieuwe brandstof in te moeten nemen) te verhogen, dienen er meer batterijen te worden bijgeplaatst. Bij brandstofcellen hoeft alleen de opslagtank te worden vergroot, terwijl het aantal kostbare brandstofcellen gelijk blijft.
Een brandstofcel bevat twee elektrodes, een anode en een kathode, die gescheiden zijn door een elektrolyt (zie Figuur 5.1). Het elektrolyt is geleidend voor protonen, maar isolerend voor elektronen. Waterstofgas (H2) wordt aangevoerd aan de anodezijde en zuurstof (O2) aan de kathodezijde. In het protonengeleidende elektrolyt vermengen de protonen, positief geladen waterstofionen (H+), zich door het elektrolyt om samen met zuurstof water te vormen (H2O). De elektronen die vrijkomen, worden afgevangen via een extern circuit. Zodoende ontstaat een spanning tussen de anode en de kathode.
Figuur 5.1 Principeschema van de werking van een brandstofcel. H2O komt vrij aan de anode of aan de kathode, maar niet aan beide. (bron: Brandstofcellen, Commissie Ampère – Groep F N.V.T)
Dit zijn de reactie
vergelijkingen:
Aan de Anodezijde:
2H2 => 4H+ + 4e-
Aan de Kathodezijde:
O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
De uiteindelijke reactie:
2H2 + O2 => 2H2O
De spanning kan worden opgevoerd door een aantal brandstofcellen te stapelen tot zogenoemde ‘stacks’. Een enkele brandstofcel levert namelijk maar een spanning van ongeveer 0,7 Volt. Door middel van deze ‘stacks’ zijn brandstofcellen multi-inzetbaar voor de energievoorziening van zowel kleine mobiele toepassingen (mobiele telefoons), middelgrote toepassingen (golfkaren, auto’s) en grote toepassingen (elektriciteitscentrales). Er zijn vele typen brandstofcellen. Ze worden meestal ingedeeld op het type membraan. De verschillende brandstofcellen hebben allen verschillende werkingstemperaturen. De auto-industrie geeft de voorkeur aan een lage werkingstemperatuur. Om die reden wordt gebruik gemaakt van de zogenaamde Polymer Exchange Membrane (PEM) brandstofcel die een werkingstemperatuur van 80°C kent. PEM brandstofcellen gebruiken waterstof als brandstof, en hebben in autotoepassingen een efficiëntie van circa 40-45%. (volgens Robert van den Hoed, “Brandstofcelauto’s in ontwikkeling”, Technieuws, jaargang 39, maart 2001)
Wat is de energiebron voor het verkrijgen van waterstof?
Waterstof wordt nu nog vooral uit aardgas gewonnen. Maar als straks de olie op is, gaat het aardgas ook op raken. Dus dit helpt alleen voor een overgangsperiode. Waterstof kan ook uit steenkool gehaald worden, maar dan is de uitstoot van kooldioxide het probleem. Het kan ook gemaakt worden met kernenergie, maar dan wordt er weer kernafval geproduceerd en toekomstige generaties wil men niet opzadelen met nog meer kernafval. Daarnaast willen de nutsbedrijven ook geen kerncentrales bouwen, dat kunnen ze niet betalen. Het is niet eens slim om kerncentrales te bouwen om waterstof te maken.
Er is een andere oplossing. Waterstof kan ook gewoon uit water gehaald worden. Het begint met duurzame energiebronnen: wind, zon, waterkracht en biomassa. Daarmee wordt elektriciteit gegenereerd waar dat kan. Een deel daarvan wordt meteen gebruikt. Het overschot wordt dan verbruikt voor het ‘splitten’ van water. De resulterende waterstof is opgeslagen energie die dan weer gebruikt kan worden in auto’s met brandstofcellen of voor tijden dat duurzame bronnen niet functioneren. Dit laatste omdat bijvoorbeeld de zon niet schijnt, het water te laag staat of de wind niet waait. (volgens Jeremy Rifkin, politiek adviseur en schrijver van het in 2002 verschenen boek: “De waterstof economie” , VS)
Waar wordt waterstof nu voor gebruikt?
De chemische industrie gebruikt waterstofgas in veel industriële processen. Waterstof wordt gebruikt om verschillende stoffen te verkrijgen. De belangrijkste stof die met waterstof wordt verkregen is wel ammonia omdat men met ammonia weer andere belangrijke producten kan maken. Scheikundigen gebruiken waterstof ook in grote hoeveelheden om mengsels te maken zoals de brandstof methaan en het alcohol methanol. De voedselindustrie maakt ook gebruik van waterstof. Aan vloeibare olie wordt waterstof toegevoegd en daardoor wordt de olie een vast vet. Dit wordt bijvoorbeeld gedaan bij het maken van margarine. Verder wordt waterstof gebruikt om zuivere metalen te scheiden van zuurstoffen.
Fysici gebruiken vloeibare waterstof om lage temperatuureffecten om nucleaire reacties te onderzoeken.
Vroeger werd waterstofgas ook gebruikt in zeppelins, omdat waterstof zo licht is. Maar omdat waterstof zo brandbaar en explosief is gebeurt dat nu niet meer. Toch wordt het nog wel gebruikt om weerballonnen omhoog te krijgen en in de ruimtevaart wordt waterstof gebruikt als raketbrandstof.
Sommige industrieën gebruiken waterstof al om energie mee te verkrijgen. (volgens Engelse Encarta encyclopedie op internet)
Er zijn al een paar auto’s gemaakt die half op waterstof kunnen rijden en half op benzine. Deze hybrides worden aangedreven door een elektromotor en een verbrandingsmotor, of door een combinatie van beide. Toyota kwam 1997 al met de Prius, de eerste in de serie geproduceerde hybride. (volgens Rien van de Steen in het artikel “Verbrandingsmotor zoekt de uitgang” uit het Eindhovens Dagblad 14-11-2003)
Ook zijn er nu al auto’s die alleen op een brandstofcel rijden, zoals de NECAR van DaimlerChrysler. (volgens de website van DaimlerChrysler)
Wat zijn nu nog de gebreken?
Zuivere waterstof is in de natuur bijna niet te vinden. Daarom moet men het zelf maken. Door elektrolyse van water kunnen de waterstofatomen van de zuurstofatomen worden gescheiden en zo kan men zuiver waterstof verkrijgen. Alleen voor deze techniek is duur omdat er veel energie nodig is om elektriciteit door water te laten lopen. En omdat men schone energie wil moeten zonnepanelen, windmolens of waterkrachtcentrales worden gebruikt. Dit kost ook veel geld. (volgens de website van Thinkquest)
Ook de auto’s met brandstofcellen zijn nu nog zeer duur. Nu zijn de kosten per kilowatt die de cel levert meer dan 300 dollar. De belangrijkste technische problemen zijn:
• Een te groot volume en gewicht
• Een te hoge complexiteit
• Het gebruik van kostbare materialen
• Een onduidelijke levensduur voor sommige componenten
• Onacceptabele eigenschappen: opwarmtijd, responstijd, toleranties voor bijvoorbeeld vorst en hitte
• Een slechte aansluiting bij huidige brandstofvoorzieningen
Door onder andere het gebruik van kostbare materialen is de prijs een stuk hoger. (volgens de website van Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN))
Wat zijn de verdere mogelijkheden?
De brandstofcel in een waterstofauto levert zo veel elektriciteit, dat hij een rijdende elektriciteitscentrale wordt. De functionaliteit wordt enorm uitgebreid als de brandstofcel zo veel vermogen heeft. De stroom die opgewekt is kan gebruikt worden voor apparaten binnen of buiten de auto. Op een camping of werkplek kunnen dan bijvoorbeeld elektrische apparaten aangesloten worden op de brandstofcel van de auto die de energie levert. (volgens Daniel O’ Connel, onderzoeker bij General Motors, VS)
Daniel O’ Connel: “De consument zou dolgraag zelf stroom kunnen genereren met zijn auto voor allerlei activiteiten.” Waterstofauto’s leveren 75 tot 100 kilowatt. Thuis of op een werkplek verbruikt men 7 tot 10 kilowatt stroom per dag. De auto levert tien keer zoveel stroom als de hoeveelheid stroom die nodig is op één dag. Hiermee kan men veel. Als er bijvoorbeeld een stroomstoring is in een stad, kunnen auto’s met een brandstofcel aangesloten worden op het elektriciteitsnet. Californië bijvoorbeeld vele malen te kampen gehad met stroomstoringen als gevolg van stroomtekorten. Als in die periode één op de 25 auto’s was voorzien van brandstofcellen die je kon aansluiten op het elektriciteitsnet, dan was de stroomcapaciteit verdubbeld.
Waterstof kan ook het gas vervangen. Er zijn plannen om waterstof via het gasnet naar woningen toe te laten stromen om gasgestookte warmtepompen en kleine brandstofcellen te voeden. Maar er kunnen ook grote brandstofcellen in een auto gevoed worden. Dit maakt het voor de mensen een stuk gemakkelijker om van de waterstofauto gebruik te maken omdat elk huis nu een waterstoftankstation is. (volgens een artikel op de website van het economisch onderzoeksbureau Profundo)
Conclusie
De hypothese was dat de uitputting van fossiele brandstoffen door auto’s het noodzakelijk maakt om een oplossing te vinden in waterstof als alternatieve brandstof. De fossiele brandstoffen raken op en er moet iets nieuws komen.
De hypothese is bevestigd door de antwoorden op deelvragen. In de toekomst zal er overgestapt moeten worden van fossiele brandstoffen op waterstof. De bronnen van fossiele brandstoffen zullen daadwerkelijk uitgeput zijn. In de huidige samenleving wordt het milieu vervuild en de belangrijkste oorzaak daarvan is de auto die door de verbranding van fossiele brandstoffen schadelijke stoffen uitstoot. Waterstof is een schone brandstof, want als je waterstof door middel van een brandstofcel met zuurstof laat reageren zijn de enige reactieproducten energie en water.
De waterstofenergievoorzieningen hebben nu nog wel verschillende gebreken die verholpen moeten worden. Er zijn een aantal technische gebreken en daarnaast zijn de kosten van een brandstofcel nog hoog.
Er zijn al hybriden, voertuigen die beurtelings worden aangedreven door een elektromotor en een verbrandingsmotor of een combinatie van beide, gemaakt als overgang op de toekomstige vervoermiddelen met een brandstofcel.
Discussie
Wij hebben ons bij dit verslag geconcentreerd op de mogelijkheden en de noodzaak van een alternatieve brandstof. Er blijven uiteraard een aantal aspecten over die wij weliswaar niet behandeld hebben maar zeer zeker invloed zullen hebben op de toekomst van een alternatieve brandstof:
• Wat voor rol zullen en kunnen oliemaatschappijen spelen?
• Infrastructuur tankstations
• Kosten voor de eindverbruiker
• Wie gaat exploitatie bekostigen en uitvoeren?
• Wat is de rol en de invloed van de automobielfabrikant?
Wat dit onderzoek vollediger en interessanter zou kunnen maken is de mening van betrokken instanties zoals oliemaatschappijen, automobielfabrikanten en onderzoeksinstanties zoals gespecialiseerde technische universiteiten en de TNO. Als wij meer tijd hadden gehad, vergelijkbaar met het PLATO-project, hadden we deze instanties zeker gecontacteerd.