Bij de ramp met de Hindenburg kwamen niet alleen op 6 mei 1937 in Lakehurst, New Jersey, 36 mensen om het leven, maar ook decennialang werd het vertrouwen van het publiek in waterstof vernietigd. Het luchtschip was letterlijk een luchtballon van gas. Waterstof is het eenvoudigste element in het universum: één proton, één elektron, het lichtste atoom dat er is. Het levert ook een gewelddadige klap op. Wanneer je de lichtste brandstof met zuurstof mengt en een vonk toevoegt, komt er enorme energie vrij. Het publiek zag die energie vrijkomen in vuur en verwrongen metaal.
De angst kreeg de overhand. De ‘waterstofangstfactor’ werd een permanent onderdeel van de culturele psyche. Lange tijd wilde niemand het spul aanraken met een drie meter lange paal.
Nu kijken we naar een ander soort crisis. De olievoorraden worden krapper. Emissies verstikken de hemel. Energieonderzoekers keren met frisse ogen terug naar waterstof. Het belooft een schoon alternatief. Geen broeikasgassen. Alleen waterdamp en warmte als bijproducten. Het heeft de hoogste energieopbrengst per gewicht van alle beschikbare brandstoffen. Het is er ook in overvloed. Je kunt het uit aardgas halen of uit water splitsen.
Maar er zit een addertje onder het gras. We vragen ons nog steeds af of auto’s op waterstofbrandstofcellen daadwerkelijk veilig zijn. En nog belangrijker: hoe gebruik je het eigenlijk? De technologie bestaat, maar de hindernissen zijn steil.
Het opslagprobleem
Het belangrijkste probleem is niet het opwekken van waterstof. Het slaat het op. Om een zinvolle actieradius uit een waterstofauto te halen, heb je veel benzine nodig. Voor het comprimeren van waterstof is een enorme druk nodig. De meeste huidige systemen comprimeren het gas tot 700 bar. Dat is ongeveer 10.000 pond per vierkante inch.
Het omgaan met die druk brengt nieuwe risico’s met zich mee. Je hebt niet alleen meer te maken met een brandbaar gas. Je hebt te maken met een samengeperste bom. De tanks moeten ongelooflijk sterk zijn. Koolstofvezel gewikkeld rond een plastic voering is tegenwoordig de standaardoplossing. Het is duur. Het is zwaar. En het is complex om op grote schaal te produceren.
Tankinfrastructuur
Waar tank jij? Er zijn geen waterstofstations. Niet echt. Het netwerk is schaars. Mogelijk vindt u een pomp in Californië, misschien in Japan of Duitsland. Maar in het grootste deel van de wereld heb je pech. Deze leemte in de infrastructuur creëert een kip-en-ei-probleem. Mensen zullen de auto’s zonder stations niet kopen. Bedrijven zullen geen stations bouwen zonder auto’s.
Stations bouwen is duur. De pompen moeten veilig kunnen omgaan met hogedrukdosering. Ze hebben gespecialiseerde veiligheidssystemen nodig die benzinestations niet nodig hebben. De kosten voor het bouwen van één waterstofstation kunnen in de miljoenen dollars lopen. Vergelijk dat eens met een standaard benzinepomp of zelfs een elektrische oplader.
De efficiëntievraag
Dan is er het efficiëntiedebat. Voertuigen met waterstofbrandstofcellen worden vaak aangeprezen als schoner dan batterij-elektrische voertuigen (BEV’s). Maar de wiskunde wordt duister. Je moet eerst de waterstof opwekken. Elektrolyse gebruikt elektriciteit om water te splitsen. Dat proces kost energie. Vervolgens comprimeer je het. Dan vervoer je het. Vervolgens stop je het in een brandstofcel om het weer om te zetten in elektriciteit om de motor aan te drijven.
Elke stap voegt verlies toe. Batterij-elektrische voertuigen laden direct op. Minder conversiestappen. Minder energieverspilling. Waterstofbrandstofcellen bieden een ander voordeel: snel tanken en een groter bereik. Maar het geheel
Waterstof is geen bron. Het is een drager.
Denk aan elektriciteit. Je kunt geen elektronen in een zuiger verbranden. Maar je wekt elektriciteit op door steenkool, gas of olie te verbranden. Die elektriciteit gaat naar uw stopcontact. Waterstof werkt op dezelfde manier. Het houdt de energie vast die tijdens de productie ontstaat.
Dit onderscheid is van belang omdat waterstof input nodig heeft. We moeten er energie in stoppen om het eruit te krijgen.
Vergelijk dat eens met olie. Voor olie is boren nodig. Pompen. Verfijning. Verzending. Het is een rommelige, geopolitiek geladen toeleveringsketen. Met waterstof kunnen we lokaal brandstof produceren. Het omzeilt de geopolitieke strijd rond de aardoliereserves.
Het methaanprobleem
De huidige standaard is hervormend. In het bijzonder methaanreforming.
We verbranden aardgas om waterstof van koolwaterstoffen te scheiden. Het is vandaag de dag de meest haalbare methode. Het is ook vies.
We zijn weer terug bij af waar het gaat om de uitstoot van broeikasgassen. De auto stoot niets uit. Maar het productieproces verbrandt fossiele brandstoffen. Er komen broeikasgassen vrij. De overdracht is schoon. De schepping is dat niet.
Schone productiepaden
Schone elektriciteit bestaat. Waterkracht. Wind. Zonne.
Waterstof kan op dezelfde manier worden gemaakt. Onderzoekers testen elektrolyse aangedreven door hernieuwbare energiebronnen. Sommige groepen gebruiken zelfs microben die algen eten. De microben scheiden waterstof uit als afval.
Deze methoden vermijden volledig de verbranding van fossiele brandstoffen. Ze worden nog steeds beoordeeld op betrouwbaarheid. Maar ze bieden een weg naar echt schone brandstof.
Hoe brandstofcellen werken
Auto-ingenieurs hebben waterstofbrandstofcellen gebouwd om de puzzel over opslag en gebruik op te lossen.
Deze cellen maken gebruik van elektrochemische conversie. Waterstof wordt gesplitst. Protonen en elektronen worden gescheiden. Deze splitsing wekt elektriciteit op.
De elektronen stromen door een extern circuit. Dat drijft de motor aan. De protonen en elektronen recombineren met zuurstof. Het enige bijproduct is water.
Eén enkele cel produceert niet genoeg stroom voor een sedan. Ingenieurs stapelen ze op. Brandstofcelstapels verhogen de spanning en stroom. Leg voldoende stapels bij elkaar en de auto beweegt.
Hoofdpijn bij opslag
Het opslaan van waterstof aan boord is het knelpunt.
Er bestaan twee methoden. Gas onder hoge druk. Of extreem koude vloeistof. Cryogene waterstof.
Tanks onder druk werken aan de pomp. Ze zijn zwaar. Omvangrijk.
Voor vloeibare waterstof is een systeem aan boord nodig om het bevroren te houden. Dat systeem voegt gewicht toe. Gewicht doodt efficiëntie. Het voertuig moet de koelinfrastructuur overal naartoe vervoeren. Het is niet praktisch voor de huidige consumentenvoertuigen.
De angstfactor
Onderzoek gaat door. Ingenieurs optimaliseren de opslag. Ze zijn de stapels aan het verfijnen.
Maar er is een menselijk element. Publieke angst.
Mensen stellen zich waterstof voor als benzine. Explosief. Vluchtig. Ze stellen zich voor dat een spatbordbuiger hun auto in een bal van witgloeiende vlammen verandert.
De wetenschap zou de natuurkunde kunnen kraken. Maar als bestuurders weigeren de auto te kopen omdat ze denken dat deze zal ontploffen, faalt de technologie. De volgende stap is niet alleen engineering. Het is psychologie.
Waarom waterstof eigenlijk veiliger is dan benzine
De angst voor waterstof is grotendeels historische bagage. In de praktijk is waterstof vaak veiliger dan de op koolstof gebaseerde brandstoffen die momenteel door onze gastanks stromen. Vloeibare benzine morst en verspreidt zich. Het blijft hangen. Wanneer het ontbrandt, produceert het hete as en intense stralingswarmte die alles in de buurt verbrandt. Waterstof doet dat niet. Zuivere waterstof verbrandt zonder koolstof, waardoor er geen hete as ontstaat en zeer weinig stralingswarmte ontstaat.
Er is ook natuurkunde aan zijn kant. Als waterstof lekt, blijft het niet op de grond liggen. Het stijgt snel op in de atmosfeer. Het heeft minder tijd om zich op te hopen en te verbranden in vergelijking met een zwaardere brandstof zoals propaan of benzinedamp.
De Hindenburg-mythe ontkrachten
Zowel voor- als tegenstanders van waterstofbrandstof grijpen de ramp met de Hindenburg aan. Tegenstanders noemen het een waarschuwend verhaal. Voorstanders beweren dat het eigenlijk een vrijstelling voor waterstof is.
De ramp werd niet veroorzaakt door de waterstof zelf. Het was het aluminiumpoeder dat de huid van de luchtballon bedekte om zonlicht te reflecteren – een materiaal dat gelijkwaardig is aan raketbrandstof. De katoenen stof is waterdicht gemaakt met licht ontvlambaar acetaat. Toen de brand ontstond, brandden de waterstofvlammen omhoog omdat het gas zo licht van gewicht is. Hierdoor bleven de passagiers eronder relatief ongemoeid. Vijfendertig van de 36 sterfgevallen waren het gevolg van passagiers die uit het luchtschip sprongen. Iedereen die aan boord bleef, overleefde.
De opslaguitdaging: staal versus composieten
De echte hindernis is niet de veiligheid tijdens het gebruik. Het is opslag. We hebben tanks nodig die bij een crash geen waarschuwende verhalen worden. Wat maakt de beste opslagtank om te voorkomen dat waterstof explodeert bij een auto-ongeluk?
Staal is een optie. Deze tanks zijn sterk genoeg om waterstofgas betrouwbaar te vervoeren. Bij een ongeval kan een stalen tank een klap weerstaan zonder lek te raken of te scheuren. Maar er zit een addertje onder het gras. Waterstof is lichtgewicht en minder compact dan benzine. Om voldoende brandstof te bevatten voor een redelijk bereik, zou een stalen tank veel groter moeten zijn dan een conventionele benzinetank. Het zou ook zwaar zijn. Dat gewicht doodt de energie-efficiëntie.
Geavanceerde materialen en metaalhydriden
Composietmaterialen zien er veelbelovender uit dan staal. Tanks gemaakt van polyethyleen zijn lichtgewicht en kunnen worden gevormd om op het chassis van een auto te passen. Ze zijn ontworpen om de impactenergie te absorberen door ze tot stof te reduceren, waardoor de waterstof ogenschijnlijk veilig in de atmosfeer terechtkomt.
Waterstof kan uiteindelijk worden opgeslagen in materialen die het element vasthouden en pas vrijgeven als dat nodig is. Metaalhydride is zo’n technologie. Bepaalde metalen vangen waterstofmoleculen op in hun structurele rooster. De waterstof blijft veilig totdat het metaal wordt verwarmd, waarna het gas vrijkomt. Dit is vooral aantrekkelijk omdat de warmte die nodig is om de waterstof vrij te laten, afkomstig kan zijn van de afvalwarmte die door de brandstofcel zelf wordt geproduceerd.
De ‘waterstofangstfactor’ houdt het onderzoek niet tegen. Als de wereld inderdaad zonder olie komt te zitten, moeten die angsten misschien terzijde worden geschoven. De technologie evolueert, maar de infrastructuur is nog steeds bezig met een inhaalslag.
Veel meer informatie
Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen
- Brandstofcelquiz
- Hoe de waterstofeconomie werkt
- Hoe brandstofcellen werken
- Hoe zeppelins werken
- Hoe elektrische auto’s werken
- Alternatieve brandstof
Nog meer geweldige links
- Amerikaanse DOE-startpagina voor energie-efficiëntie en hernieuwbare energie (EERE).
- Rocky Mountain Instituut
- Radio-uitzending Hindenburgramp bij Nationaal Archief
Bronnen
- Edwards, Peter P. “Onze angst voor waterstoftankstations.” De tijden. 21 april 2008.
- Kruszelnicki, Karl S. “Hindenburg en waterstof.” Australische omroepmaatschappij. 2004.
-Murphy, Christen. “Onderscheid maken tussen energiebronnen en dragers.” Consumentenenergieraad van Amerika. 30 juli 2003. - “Brandstofcelvoertuigen.” Energiecommissie van Californië.
- “Brandstofopslag.” Universiteit van Princen.
- “Hoe ze werken: PEM-brandstofcellen.” Brandstofverbruik.gov.
- “Waterstoffeiten.” Consumentenenergieraad van Amerika. 2003.
- “Waterstofproductie en levering.” Nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie. 1 juni 2007.
- “Is waterstof gevaarlijk?” Rocky Mountain Instituut.
- “Metaalhydriden.” Amerikaanse ministerie van Energie. 6 november 2006.
- “Scènes uit de hel: Herb Morrison – Hindenburg-ramp, 1937.” Nationaal Archief.
