Veilige waterstofopslag dichterbij doorbraak

Geschreven door Nils Verkleij woensdag, 07 april 2010 12:07

Techniek

Auto’s binnenkort uitgerust met speciale waterstof tank
De zero-emmissie auto op waterstof is dichtbij zijn toetreden op de commerciële markt. De grote drijfveer is de reductie van broeikasgassen zonder dat de veiligheid van de auto in het geding komt.

Waterstof moet veilig worden opgeslagen. Het gebruik van lichte metaalhydriden zou deze doorbraak mogelijk maken. “Het CUTE (Clean Urban Transport Europe) project evenals de ‘Hydrogen 7’ van BMW zijn toch wel preludes van waterstof in de vervoerssector” zegt prof. dr. Joop Schoonman, hoogleraar anorganische chemie aan de TU Delft en voormalig wetenschappelijk directeur van het in 2001 opgerichte Delft Instituut voor Duurzame Energie. De publieke angst is nog te groot om waterstof grootschalig toe te passen. Door waterstof in een metaalhydride te absorberen wordt de opslag veilig. Momenteel zijn de opslagmethoden niet voldoende veilig, omdat waterstof heel erg explosief is als het met lucht mengt. Het vormt knalgas. De opslag is bovendien lastig.

Opslagmethoden
Om waterstof vloeibaar te krijgen moet het worden afgekoeld tot een temperatuur van 253 graden Celcius onder nul. Om vloeibare waterstof te vervoeren moet de brandstoftank heel goed geïsoleerd worden. Het grote nadeel is dat de waterstof binnen twee weken heel veel druk opbouwt. De tank laat gas ontsnappen om de druk te verlagen. Er treden dus brandstof verliezen op, wat zonde is, maar ook gevaarlijk. Als het gas in een afgesloten ruimte vrij komt, mengt het met zuurstof en kan het een explosie veroorzaken doordat het knalgas vormt.

Het gas kan ook worden opgeslagen door het onder druk in een cilinder te brengen. Wanneer je dit doet in de buurt van de atmosferische druk dan is het gewicht aan brandstof te gering om ermee van Amsterdam naar Rotterdam te kunnen rijden. Door de druk op te voeren wordt het gas samengedrukt en neemt de hoeveelheid brandstof toe. “Geavanceerde hoge druktanks gemaakt van polymeer en metaal kunnen vandaag de dag een druk tot 700 bar bereiken” zegt Schoonman. Hierdoor worden de mogelijkheden om waterstof als autobrandstof te gebruiken aanzienlijk vergroot. “Een tank onder een druk van 700 bar is natuurlijk nog steeds een risico” zegt Schoonman. Desondanks wordt de toepassing al gebruikt, de drukken in deze tanks lopen op tot 200 bar.

Metaalhydriden
Verreweg de meest veilige methode om het waterstof te vervoeren, is door het op te slaan in een metaal of een metaal-legering. In eerste instantie lijkt dit vreemd, maar het blijkt wel te kunnen. Schoonman: “Het grote voordeel is dat de hoeveelheid massa in het volume van de brandstoftank vele malen hoger is dan wanneer je het opslaat in vloeibare vorm. Bovendien is het ook veel veiliger.” Hierdoor is de actieradius gelijk met die van een benzine-auto.

Met een simpel experiment beschrijft Schoonman het gedrag van verschillende opslagmethoden. “Neem een colafles die gevuld is met vloeibare waterstof, één met gasvormig waterstof en één gevuld met de metaalhydride. Nu schiet je een kogel in de flessen. De fles gevuld met vloeibare waterstof zal in een grote waaier verspreid liggen door de enorme explosie. Dit geldt eveneens voor de fles waar waterstofgas in zat. Dit in tegenstelling tot de fles met metaalhydride. Deze heeft enkel een kogelgaatje waar de waterstof sissend ontsnapt, samen met het metaalpoeder.” Het hydride is dus veruit het veiligst.

Waarom worden metaalhydriden nog niet toegepast in voertuigen? Schoonman: “Vul je de brandstoftank van de auto met ijzer-titaan dan zakt de auto door zijn as” zegt Schoonman. Vandaag de dag worden deze metaalhydriden alleen gebruikt in stationaire toepassingen met een brandstofcel, zoals bijvoorbeeld voor de nood-energievoorziening van een ziekenhuis. Voor de mobiele toepassingen zijn deze metaalhydriden veel te zwaar.

Onderzoek en toepassing
Toch is de hoop nog niet opgegeven. Wetenschappers doen momenteel onderzoek naar metaalhydriden met veel lichtere elementen. Hierbij valt te denken aan atomen als magnesium, aluminium en natrium in combinatie met andere lichte metalen. Zo zijn er lichte metaalhydriden van magnesium die zelfs een hogere opslagcapaciteit hebben en veiliger zijn dan ijzer-titaan. Het probleem is dat de hydride om de waterstof op te nemen veel tijd nodig heeft. “Het is natuurlijk niet de bedoeling dat je drie uur aan de pomp moet wachten totdat je tank vol is” zegt Schoonman.
De opnametijd is door nieuwe technieken teruggebracht tot 3-5 minuten. Wetenschappers sleutelen momenteel aan de reacties op chemisch gebied om ervoor te zorgen dat de ‘reversibiliteit’, de omkeerbaarheid van reacties, op energie gebied, gunstiger verloopt. De 2e tankbeurt levert namelijk problemen op. Doordat waterstof uit de hydride wordt gehaald, reageert het naar een stabieler ontledingsproduct. Hierdoor is de teruggaande reactie naar het oorspronkelijke hydride heel moeilijk. Het kost heel veel energie om de waterstof vervolgens weer in het materiaal te krijgen. Dit zorgt ervoor dat het tanken van waterstof heel slecht op gang te brengen is.

Ondanks dat de lichte metaalydriden nog niet commercieel beschikbaar zijn, wordt waterstof langzaam maar zeker geïmplementeerd in de vervoerssector. Een bekend voorbeeld zijn de CUTE bussen in Amsterdam. Deze bussen, door Daimler-Benz ontwikkeld, zijn door het publiek zeer positief ontvangen. “Mensen wachten zelfs speciaal op de bussen omdat het vervoer heel prettig is. Dit is ook wel begrijpelijk omdat je door de uitrusting van de elektromotor met brandstofcel alleen nog maar het schakelen en de banden hoort.” zegt Schoonman. Niet het uitblijven van geluid draagt bij aan het positieve beeld, er komt ook louter stoom uit de uitlaat. Van het broeikasgas, koolstofdioxide (CO2) is geen sprake.
Toch is het niet allemaal vreugde wat de klok slaat. Er doen zich nog legio problemen voor wil het waterstof, benzine en diesel volledig gaan vervangen. Het is volgens Schoonman een utopie dat we naar een volledige waterstof economie toe gaan: “Op den duur zal er een symbiose ontstaan tussen de auto’s op waterstof en elektriciteit. Wil waterstof op grote schaal doorbreken dan moet het kip ei probleem worden op gelost. We hebben momenteel natuurlijk helemaal geen infrastructuur die geschikt is voor waterstof.”

Het veilige opslagmedium speelt, ondanks de infrastructuur, een centrale rol wil waterstof grootschaals worden toegepast in de vervoerssector. Het negatieve imago dat waterstof na het Hindenburg ongeluk kent, heerst nog steeds bij het publiek. Volgens Schoonman is dit niet nodig. “Neem twee auto’s die vlam vatten, de ene auto rijdt op vloeibare waterstof en de andere auto op benzine. De waterstof komt in één-dimensionale vlam uit de kofferbak, terwijl de auto op benzine in zijn geheel in lichterlaaie staat.” Doordat waterstof zich heel snel verspreidt is er in de open lucht minder gevaar voor explosie dan bij benzine. Dit risico behoort tot het verleden wanneer technici er in slagen het lichte metaalhydride makkelijk op te laden evenals het betaalbaar maken van het polymere membraan. Deze polymeren werken met een platina elektrode die zeer kostbaar is. Als deze problemen opgelost worden, is de weg vrij om de ‘veilige’ waterstofauto op de markt te brengen waarna de pompstations in rap tempo zullen volgen.