Technologische en economische haalbaarheid van waterstofmotoren.

Abstract

Nu het einde van het olietijdperk in zicht komt, wordt er volop gezocht naar alternatieve manieren om energie op te wekken. Steeds meer aandacht gaat er naar het onderzoek naar waterstof als schone en duurzame brandstof. Vooral de toepassing van waterstof als brandstof voor auto’s wordt de laatste jaren druk onderzocht. Deze thesis geeft op basis van een uitvoerige literatuurstudie een overzicht van de huidige stand van zaken van dit onderzoek. Er wordt aangegeven waarom men op zoek is naar een alternatief voor olie, waarom waterstof gezien wordt als een interessante alternatieve brandstof en wat de betekenis is van het begrip waterstofeconomie. In het technische gedeelte worden de soorten brandstofcellen, de opslagmethodes, de productie van waterstof en enkele andere knelpunten uitvoerig belicht. In de ecologische analyse wordt de invloed op het milieu van het gebruik van waterstof als brandstof bekeken. De economische analyse geeft aan welke kosten er gepaard gaan met het gebruik van waterstof als brandstof voor voertuigen en geeft informatie over hoe de overstap naar een waterstofeconomie begeleid kan worden. Daarna wordt er een overzicht gegeven van bedrijven die via hun activiteiten te maken hebben met waterstof en ter afronding wordt er een algemeen besluit getrokken. Het olieverbruik stijgt de laatste jaren sneller dan ooit. De EIA verwacht dat tegen 2025 de vraag naar olie met 52,5% zal stijgen. De transportsector is momenteel verantwoordelijk voor meer dan de helft van het olieverbruik en hun aandeel zal in de toekomst nog verder toenemen. Over de voorraad olie die nog rest, zijn de meningen verdeeld, maar verwacht wordt dat de olieproductie haar piek zal bereiken tussen 2010 en 2040, wat kan resulteren in een nieuwe oliecrisis. Naast de uitputting van de olievoorraden is er nog een ander probleem dat minstens evenveel aandacht verdient: de invloed van de energieconsumptie op het milieu, meerbepaald het broeikaseffect. Er wordt verwacht dat onder de invloed van schadelijke emissies er een radicalisering van de neerslag zal plaatsvinden en een verhoging van de temperatuur op de continenten. Beide veranderingen zullen grote gevolgen hebben voor het leefmilieu. De transportsector is met 24% de tweede grootste verantwoordelijke voor de uitstoot van CO2. 75% hiervan is te wijten aan het wegverkeer. Een correcte uitvoering van het Kyoto-protocol heeft weinig of geen invloed op de globale klimaatseffecten. Het is dus nodig dat er uitgekeken wordt naar andere mogelijke manieren om de uitstoot van broeikasgassen terug te dringen. De overschakeling naar een waterstofeconomie zou een mogelijke oplossing kunnen zijn. Zowat het hele energiesysteem dat nu gebaseerd is op fossiele brandstoffen zou kunnen omgeschakeld worden tot een op waterstof gebaseerde energievoorziening. Het gebruik van waterstof en brandstofcellen blijft niet beperkt tot de automobielsector: er is de mogelijkheid tot het opzetten van een systeem van decentrale elektriciteitsopwekking, waarbij stationaire brandstofcellen of de wagen gebruikt kunnen worden als energiecentrale. Zowel de Europese als de Amerikaanse overheid geloven in een overschakeling naar een waterstofeconomie. Op het vlak van de technologie is er echter nog heel wat onderzoek nodig voor waterstof als brandstof gebruikt kan worden. De minder efficiënte waterstofvonkontstekingsmotor is bijna klaar voor productie, maar de techniek van de veel efficiëntere brandstofcel staat nog niet op punt. Momenteel wordt de Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) beschouwd als meest geschikt om in auto’s te gebruiken. Ook andere types van brandstofcellen worden ontwikkeld. De meest voorkomende knelpunten bij het onderzoek zijn de hoge kosten van onderdelen (zoals de platina katalysator), een lage energie-efficiëntie, een korte levensduur en een hoge gevoeligheid voor onzuiverheden in de gebruikte waterstof. De opslag van waterstof vormt ook een probleem. Zowel de opslag in gasvorm, de cryogene opslag en de opslag in vaste vorm zijn niet in staat de vooropgestelde doelen te behalen. De kosten van opslagtanks voor wagens worden momenteel geschat op 600 tot 800 USD/kg H2, terwijl de targetprijs van het US-DOE 67 USD/kg H2 bedraagt. De opstarttijd van brandstofcellen moet verbeterd worden en het gebruik van een reformer in voertuigen moet ontmoedigd worden, gezien de hoge kost en de lage efficiëntie. Het is belangrijk het gebruik van waterstof als brandstof te zien over de hele cyclus. Een well-to-wheel beschouwing van de hele cyclus geeft het belang aan van de productiemethode van waterstof. Het is immers de productiewijze die bepaalt in hoeverre het gebruik van waterstof duurzaam genoemd kan worden. Waterstof kan geproduceerd worden met fossiele brandstoffen, via reforming van aardgas en de vergassing van steenkool. Wanneer deze methodes gebruikt worden, wordt er echter nog steeds CO2 uitgestoten bij de productie van waterstof. Deze dient opgevangen en opgeslagen te worden. Elektrolyse van water is een schone maar dure manier om waterstof te produceren, maar moet nog verder geperfectioneerd worden. Fotoelektrolyse en fotobiologische elektrolyse zijn naast decompositie op hoge temperatuur en waterstof uit biomassa andere manieren om waterstof te produceren. Deze methodes staan technisch echter nog niet op punt en zullen pas op langere termijn toegepast kunnen worden. Reforming van aardgas en elektrolyse op kleine schaal vormen de methodes die op korte termijn gebruikt zullen worden. In het economische gedeelte wordt uitgelegd dat men verwacht dat de prijzen van waterstofwagens zullen dalen in de toekomst, terwijl de kosten van conventionele voertuigen zullen stijgen. De kost van de fuel cell stack is voor een groot stuk verantwoordelijk voor de hoge kost van brandstofcelwagens. Verwacht wordt dat deze kost kan dalen naar 100 USD/kW in plaats van 1.800 USD/kW vandaag. De ‘balance of plant’-kosten en de opslag van waterstof zijn de andere grote kostendrijvers van een FCV. De richtprijzen voor opslag lopen uiteen van 67 USD/kg H2 tot 600 USD/kg H2. Men verwacht dat een FCV tegen 2030 tussen de 2.500 en 7.625 USD meer zal kosten dan een conventioneel benzinevoertuig. De kostprijs en de prijs van de distributie van waterstof wordt verwacht hoger te zullen liggen dan die van benzine, wat betekent dat de overheden maatregelen zullen moeten treffen om waterstof concurrentieel te maken tegenover benzine of andere brandstoffen, bijvoorbeeld in de vorm van een gunstig belastingsregime voor waterstof. In het Snapshot 2020 scenario geeft Europa weer hoe ze de transitie naar een waterstofeconomie ziet verlopen en welke stappen er belangrijk zijn. Hierin wordt aangenomen dat tegen de periode 2030-2040 brandstofcellen helemaal doorgebroken zullen zijn als brandstof voor transporttoepassingen. De Amerikaanse overheid beschouwt 2015 als belangrijke datum. Op dat ogenblik zullen ze de beslissing nemen om waterstof te commercialiseren of niet. De overheden kunnen een belangrijke rol spelen in het slagen van de overstap naar een waterstofeconomie. CO2-reducerende maatregelen kunnen hier als nuttig instrument gebruikt worden. Een maatregel ter waarde van 50 USD/t CO2 kan de uitstoot koolstofdioxide halveren in vergelijking met het ontbreken van dergelijke maatregelen. De hoge efficiëntie van brandstofcellen zorgt ervoor dat er grote ecologische voordelen voortkomen uit het gebruik van brandstofcellen in combinatie met de productie van waterstof op basis van hernieuwbare energiebronnen zoals biomassa en windenergie. Ook het gebruik van aardgasreforming gecombineerd met brandstofcellen kan de uitstoot van broeikasgassen tot 30% verminderen. Wanneer het effect van het gebruik van waterstof vergeleken wordt met dat van andere alternatieve brandstoffen, is te merken dat waterstof tegen 2050 een netto-vermindering van 5% in de CO2-emissies kan veroorzaken en een netto-vermindering van 2% in het olieverbruik. Als besluit kan er gesteld worden dat waterstof als brandstof voor wagens kan doorbreken op twee voorwaarden. Ten eerste moet de technologie verder groeien om alsnog de vereiste doelstellingen te halen met betrekking tot prestaties en kosten. Daarnaast is een kader van beleidsmaatregelen onontbeerlijk om de waterstofeconomie een succes te laten worden. Als deze twee voorwaarden vervuld zijn, is de kans groot dat waterstof als één van de nieuwe alternatieve brandstoffen kan bijdragen tot het terugdringen van de CO2-emissies en de afhankelijkheid van olie.