Waterstof: het onuitputtelijke alternatief voor olie?

In Burnaby, een voorstad van het Canadese Vancouver, werken de ingenieurs van Ballard Power keihard aan de waterstofeconomie van de nabije toekomst. “Als we erin slagen om de kosten te drukken, veroveren onze brandstofcellen binnen een paar jaar de hele wereld.”

“Daar mag je geen foto’s van nemen”, zegt communicatiemanager Becky Young kordaat tegen fotograaf Robert Leon als hij een machine wil fotograferen. De rest van de dag zal ze zijn doen en laten angstvallig in de gaten houden. Als hij op een onbewaakt ogenblik verdwijnt om naar het toilet te gaan, schiet Becky in paniek. “Waar is Robert? Hij mag hier niet alleen rondwandelen.” Het lijkt wel alsof paranoia een vast onderdeel van de bedrijfscultuur is bij brandstofcelproducent Ballard. “Nee, we zijn niet paranoïde”, lacht Becky. “Maar we investeren handenvol geld in pionierswerk en kunnen bedrijfsspionage missen als kiespijn.”
Sinds 1983 voert Ballard Power Systems diepgaand onderzoek naar het opwekken van elektriciteit door met waterstof aangedreven brandstofcellen. Naar aanleiding van de oliecrisis in de jaren zeventig organiseerde de Canadese regering een onderzoeksproject naar brandstofceltechnologie. “Dat klonk als muziek in de oren van onze toenmalige ingenieurs”, zegt Becky. “
Ballard begon in 1979 als onderzoekscentrum van lithiumbatterijen. In ’83 zijn we overgeschakeld naar brandstofcellen. Ballard Power Systems ontwikkelde zich in sneltreinvaart tot een aantrekkelijk bedrijf voor slimme, creatieve ingenieurs. Nu zijn we wereldleider op de markt van brandstofcellen.”

Nieuwe ontdekking van oude technologie
Eind vorige eeuw werden brandstofcellen de hemel in geprezen als hét schone en duurzame alternatief voor de vervuilende en schaarser wordende olie. “Na de oliecrisis van de jaren zeventig beseften zelfs de grote Amerikaanse autoconstructeurs dat ze op zoek moesten naar een ‘propere’ motor”, zegt Silvano Pozzi, hoofd R&D van Ballard. “Dus hebben een aantal onder hen vanaf het begin veel geld in ons bedrijf geïnvesteerd. Om elektriciteit op te wekken worden brandstofcellen gevoed door de onuitputtelijke bronnen waterstof en zuurstof. De cellen zijn volkomen geluidloos, hebben geen CO2-uitstoot en produceren als enige bijproduct warm water.”

In de beginjaren bouwden de ingenieurs van Ballard voornamelijk prototypes, om de grondbeginselen van de brandstofceltechnologie tot in de finesses te leren doorgronden. Silvano: “Ook al was het principe van de brandstofcel vrij oud, toch stond de technologie begin jaren tachtig nog in haar kinderschoenen.”

De eerste brandstofcel werd halverwege de 19e eeuw ontwikkeld door de Engelse fysicus William Grove. In 1839 beschreef hij een experiment waarbij hij twee platinastrips in zwavelzuur plaatste. Hij bracht de ene strip met waterstof en de andere met zuurstof in contact, en ontdekte dat er een elektrische stroom liep tussen beide. Het zou tot de tweede helft van de 20e eeuw duren vooraleer de ontdekking van Grove de eerste praktische toepassingen kreeg.

“De hoge kost heeft de massaproductie van brandstofcellen altijd in de weg gestaan”, zegt Silvano. “Ons onderzoek focuste zich van bij de start op het drukken van de kosten. Alleen zo kunnen brandstofcellen gecommercialiseerd worden. In samenwerking met Mercedes bouwden we het allereerste prototype voor een brandstofcelcombinatie – een stack – voor de auto. Die stack vertegenwoordigde 5 kilowatt, zoveel als het vermogen van drie vaatwasmachines samen. Dat stond nog heel ver af van het vermogen van een doorsnee verbrandingsmotor. Om een kleine bestelwagen aan de praat te krijgen, moesten we de hele laadruimte vol stacks plaatsen. Maar het lukte. De volgende uitdaging was om de stacks kleiner, lichter, krachtiger en goedkoper te maken.”

Het meest recente ontwerp voor een autobrandstofcelstack heeft volgens Silvano alles in zich om het commercieel helemaal te maken. “De stack produceert 85 kilowatt, of 120 pk, evenveel als een moderne verbrandingsmotor.”

Nieuwe strategie
Wereldwijd rijden er meer dan 100 prototypes rond van op waterstof aangedreven auto’s, powered by Ballard. “Ze moeten in niets onderdoen voor benzine- of dieselauto’s”, zegt Guy McAree, directeur Strategie. “Integendeel, vanuit milieuoogpunt presteren ze stukken beter: ze maken geen lawaai, vervuilen niet en stoten geen gram CO2 uit.” Toch nam Ballard begin november 2007 de ingrijpende beslissing om de commercialisering van brandstofcellen voor auto’s in 2008 af te stoten. “Dat lijkt op het eerste gezicht bizar, maar we hebben geen keuze. We schatten dat het nog minstens een decennium zal duren eer de brandstofcellenauto commercieel haalbaar is. Sinds de start draait Ballard verlies. We kunnen het ons gewoon niet meer permitteren om nog eens tien jaar lang handenvol geld aan de waterstofauto uit te geven. Daarom verkopen we nu onze automobieldivisie aan Daimler en Ford. We houden een stevige vinger in de pap doordat we 20% van de aandelen van de op te richten nieuwe firma in handen zullen hebben. Maar in de nabije toekomst kiezen we ervoor om al onze energie te investeren in brandstofceltoepassingen die wel snel rendabel kunnen worden, zoals stacks voor forklifts, residentiële warmtekrachtkoppelingcentrales, back-upstroom voor de telecom en autobussen.”

De waterstofeconomie begint nu

Waterstofauto’s zijn niet voor morgen, maar welke marktsegmenten zijn wel rijp voor brandstofceltechnologie?De experts van Ballard spelen hun troeven uit.

1. Warmtekrachtkoppeling. Het grootste commerciële succes scoort Ballard met de productie van brandstofcellen voor residentieel gebruik. “Vooral in Japan gooien onze warmtekrachtkoppelingcentrales hoge ogen”, zegt ingenieur Terry Howe. “Japan is gedoemd om 84% van zijn totale energieverbruik te importeren. Daarom heeft de regering een programma opgestart om warmtekrachtkoppeling op basis van brandstofcellen te promoten. In onze warmtekrachtkoppelingcentrale zit een systeem dat vaak gebruikte brandstoffen zoals aardgas, propaan of kerosine omzet in waterstof. De waterstof gaat naar onze brandstofcel die elektriciteit produceert. Het bijproduct, warm water, wordt opgeslagen in een boiler en dient om het huis te verwarmen. De Japanse huizen zorgen met hun warmtekrachtkoppeling volledig autonoom voor hun elektriciteit, warm water en verwarming. Een Japanse familie bespaart zo jaarlijks 600 dollar. 550 gezinnen halen momenteel hun energie uit onze brandstofcellen. Ons systeem kan het totale energieverbruik van Japan met 30% verminderen en reduceert de CO2-emissie met 40%. De Japanse regering geeft subsidies aan mensen die onze warmtekrachtkoppelinginstallatie aanschaffen.”

2. Heftrucks op waterstof. “We hebben ons eerste contract voor de levering van stacks voor heftrucks binnen”, glundert ingenieur Mike Rosenberg. “Eind 2009 hopen we helemaal concurrentieel te zijn. Onze units zijn 14 maanden lang uitgebreid getest in de magazijnen van Wal-Mart en Nissan. En we weten het nu wel zeker: de technologie lost alle verwachtingen in. De Noord-Amerikaanse heftruckmarkt is immens. Elk jaar worden er 700.000 nieuwe conventionele heftrucks op batterijen of diesel verkocht. Onze brandstofcellen zijn milieuvriendelijker dan diesel, en veel duurzamer dan batterijen. Brandstofcellen geven constante energie en kunnen snel hervuld worden. Waterstof tanken duurt minder dan twee minuten. Het grootste bezwaar voor bedrijven om in onze heftrucks te investeren, is dat ze meteen ook veel geld kwijt zijn aan een waterstoftankstation.”

3. Back-upstroom voor telecom. Ingenieur Tony Cochrane voorspelt een voorspoedige toekomst voor brandstofcellen als leverancier van back-upstroom. “Gsm-operatoren hebben over het hele land zendmasten staan. Elke mast moet een voorziening voor back-upstroom hebben, want als de elektriciteit uitvalt, ligt het hele netwerk plat. Vandaag wordt de meeste back-up geleverd door batterijen of dieselgeneratoren. Door de stijgende terreurdreiging is de bezorgdheid over falende netwerken gestegen. Vroeger moesten zendmasten over 4 uur back-up beschikken, nu zijn er regels die tot 24 uur back-up voorschrijven. Dat haal je nooit met gewone batterijen. Met brandstofcellen wel, want hun back–uptijd is oneindig. Ze hebben een kleine ecologische voetafdruk en kunnen alle weersomstandigheden aan. Als we de benodigde waterstof produceren door elektrolyse van water met behulp van wind en zonne-energie, kunnen we back-upstroomunits installeren die totaal autonoom en milieuvriendelijk werken.”

4. Bussen op waterstof. Wereldwijd rijden er dertig Ballard-autobussen rond met brandstofcellen die gevoed worden door waterstof. “Als je een dieselbus vervangt door een bus op waterstof, bespaar je 135 ton CO2 per jaar”, zegt ingenieur Paul Cass. “Omwille van de zero-uitstoot is er veel overheidsinteresse in brandstofcellen voor bussen. Sinds 1992 zijn we bezig met de ontwikkeling van brandstofcelbussen. In het begin van onze experimenten reden al onze bussen alleen op waterstof. Nu opteren we voor hybride versies, waarbij een batterij mee de motor van de bus draaiende houdt. Dat helpt de kosten drukken.”

Op bezoek in de allereerste brandstofcellenfabriek ter wereld

Ballard Power Systems bouwde in 2000 in Burnaby bij Vancouver de allereerste brandstofcellenfabriek ter wereld. In het 5000 m² grote complex worden dag en nacht brandstofcelstacks geproduceerd. Productiemanager Lance Woodring neemt ons op sleeptouw doorheen de fabriek. “Dit is de belangrijkste plaats ter wereld waar commerciële applicaties voor brandstofcellen gemaakt worden”, zegt hij fier. Tweehonderd operatoren, researchers en ingenieurs werken er continu in drie ploegen. De fabriek oogt als een grote, supercleane drukkerij, met printers, persmachines, ovens en computers. De sfeer is relaxed. “How are you guys today?” klinkt het langs alle kanten. “Are you having a good day?”

MEA
De kern van elke brandstofcel is het ‘protonenuitwisselingsmembraan’. “Het membraan geeft vrije weg aan protonen, maar houdt alle elektronen tegen”, zegt Lance. “Als je het membraan aan beide zijden met een katalysator bekleedt, en zuurstof en waterstof met elkaar combineert, zullen die beide stoffen proberen om water te vormen. De protonen kunnen door het membraan dringen, de elektronen niet, en door de stroom van elektronen ontstaat elektriciteit. De membranen van onze brandstofcellen bestaan uit papier van carbonvezel. Die velletjes zijn ideaal omdat ze goede elektrische geleiders zijn. Het grote nadeel is dat ze gulzig water absorberen. Vervelend, want water is het natuurlijke bijproduct van brandstofcellen. Daarom dompelen we het carbonvezelpapier eerst onder in teflon, waardoor het volledig waterafstotend wordt. Het chemische proces in de brandstofcel kickt op platina, dus moeten we ons carbonvezelpapier in platina drenken. Dat maakt het hele proces zo ontzettend duur, want platina kost ongeveer 25 dollar per gram. Om het platinaverbruik tot een minimum te beperken, vullen we de oneffenheden in het papier eerst op met spotgoedkope carboninkt van 2 dollarcent per 500 gram, zodat alle microscopische gaatjes, ‘heuveltjes’ en ‘dalen’ geëgaliseerd worden en het oppervlak geen oneffenheden meer vertoond. Daarna wordt een ultradun laagje platina op het membraan aangebracht.”
Lance toont ons hoe het afgewerkte membraan in een machine tussen twee katalysators geperst wordt. “Het resultaat is een
brandstofcel of MEA, ‘Membraan Electro Assemblage’, met aan de ene kant een kathode – een negatieve pool, en aan de andere kant een anode – een positieve pool.”
Verschillende MEA’s worden samengevoegd tot een stack. “Een kleine stack bestaat uit vijftig brandstofcellen – wat goed is voor 4 kilowatt stroom. In het begin werden de cellen samengehouden door lange vijzen en schroeven. Nu worden ze met lasertechnologie aaneen gelast. Omdat we al die vijzen en schroeven niet meer nodig hebben, is de stack veel kleiner en gebruiksvriendelijker geworden. De huidige generatie stacks
zien er perfect uit: ze lijken op een product, ruiken als een product, en zijn ook een echt product. Ze gaan het helemaal maken.”

Hoe veilig is waterstof?

6 mei 1937. De legendarische Duitse zeppelin Hindenburg wil aanleggen in Lakehurst, New Jersey. Maar tijdens de landing breekt er brand uit aan boord van het 245 meter grote luchtschip. De tank met 198.000 m³ waterstof explodeert en een minuut later rest er van de Hindenburg niets meer dan verwrongen staal en as. 35 mensen komen om. De oorzaak: een lek in de waterstoftank.

Anno 2008 lijkt waterstof hip. Is het licht ontvlambare goedje dan plots zoveel veiliger geworden?
I
ngenieur Tony Cochrane: “Waterstof is stukken veiliger dan diesel of propaan. In Noord-Amerika houden gezinnen ’s zomers een barbecue in de tuin, met een grote tank propaan vlakbij, zonder dat ze beseffen dat ze gevaar lopen. Waterstof is vrij risicoloos. Als er een lek is, vervliegt het snel, in tegenstelling tot benzine. Waterstof is gemakkelijker onder controle te houden dan de meeste brandstoffen die we elke dag gebruiken.”

Communicatiemanager Becky Young: “Een paar jaar geleden hebben we hier op een vrijdag aan onze fabriek een ‘ongeluk’ gehad. Toen we onze tanks lieten vullen, ging er iets fout en ontvlamde er lekkende waterstof. De media reageerden furieus. Ik kreeg op maandag telefoon van een journalist die de grootte en de diepte van de krater wou komen opmeten. De truck was dat weekend intact terug naar Californië gereden, met een chauffeur achter het stuur die blijkbaar iets te lang in de zon had gelegen. Als het een propaantank geweest was, had jij hier niet kunnen rondwandelen, want dan was Ballard helemaal weggeblazen.”

Ballard Power Systems in cijfers

– Gesticht in 1979 als Ballard Research door de Canadese zakenman Geoffrey Ballard

– Stelt 550 mensen tewerk

– Wereldmarktleider in de productie van brandstofcellen

– Genoteerd op de Canadese beurs en de Nasdaq

– Verkochte brandstofcelunits in 2007: ongeveer 400 stuks

– Omzet 2006: 50 miljoen dollar

 

– Verlies 2006: 180 miljoen dollar

© jan@janstevens.be

Advertenties
2 reacties
  1. zkammah zei:

    ik heb een vraag na aanleiding van het verhaal wat ik op deze site heb gelezen allemaal
    wat kost gemiddeld zo, n brandstof cel een ervan , en waarvan is deze gemaakt die de kosten zo hoog maakt?

    Hoe lang gaat zo n brandstof cel mee ?
    Wat is het afval van zo n brandstof cel ?
    kunnen we geen zee water gebruiken en omzetten tot waterstof en waar we alle mineralen en zouten uiteraard eerst uit hebben gevangen ?

    Dit is de eerste keer dat ik een reactie achter laat op zo n site !
    ik hoop dat je mij kunt beantwoorden

    ik was eigenlijk op zoek naar ongelukken op chemische fabrieken en de hoeveelheid
    van deze ongelukken er nu zijn, zoals exxon shell q8 toen stuite ik op dit

    mischien weet jij iets meer hierover lijkt me leuk

    met vriendelijke groet

    Zacharias

  2. jan zei:

    @zacharias

    De juiste prijs van zo’n brandstofcel ken ik niet. Een van de redenen waarom de cellen voorlopig te duur zijn, is dat er platina in zit. Een andere reden is dat ze nog steeds in een testfase zitten, en dat bedrijven als Ballard handenvol geld hebben moeten investeren in het vorstvrij maken van die dingen. In principe gaat zo’n brandstofcel tientallen jaren mee. Een brandstofcel is volledig schoon – haar enige ‘afvalproduct’ is water. Als ze versleten is, kan ze volledig gerecycleerd worden. Van zeewater weet ik alleen dat je er in de zomer in kunt zwemmen.
    Groet!

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s