Waterstofvoertuigen kunnen de toekomst van transport vormen – Zijn er redenen voor veiligheidszorgen?

Waterstofvoertuigen of waterstof‑aangedreven brandstofcelvoertuigen zijn sinds 2015 een fenomeen geworden. Hoewel het nog te vroeg is om de toekomst van waterstofvoertuigen te voorspellen, valt niet te ontkennen dat de belangstelling ernaar voelbaar maar wisselend is. 

Tussen 2022 en 2023 zag het aantal waterstof‑aangedreven brandstofcel‑elektrische voertuigen een daling, van 20.704 naar 14.451. Een jaarlijkse daling is niet voldoende om een trend in consumenteninteresse voor waterstofvoertuigen vast te stellen. Maar er wordt aan beide kanten gediscussieerd. Hoewel er veel voordelen zijn van een waterstofvoertuig, zijn er ook talrijke discussies over hoe veilig een waterstofvoertuig is. In de volgende segmenten bekijken we beide aspecten van waterstofvoertuigen. 

De uniekheid van waterstofvoertuigen

Ondanks dat het een EV is, hebben waterstofvoertuigen geen ingebouwde batterijen. Ze hebben hun eigen energiecentrale aan boord, die de waterstof uit de brandstoftank kan omzetten in elektriciteit. Waterstofauto’s rijden met nul lokale emissies. 

Echter, het grootste voordeel dat het tot nu toe biedt, is de korte tanktijd. In tegenstelling tot andere e‑voertuigen is het tanken van waterstofvoertuigen geen functie van het model van het voertuig en de infrastructuur. Het heeft een lange batterijopslag, en de actieradius is niet afhankelijk van de buitentemperatuur, waardoor achteruitgang bij koud weer wordt uitgesloten. 

Waterstof is ook een zeer efficiënte manier om hernieuwbare energie op te slaan en te transporteren, en de adoptie ervan helpt de kosten op de lange termijn te verlagen. 

Hoewel de voordelen voor iedereen duidelijk zijn, wijzen sommige studies ook op de risico‑ en schadepotentie. We zullen vandaag specifiek een geval bekijken waarin een team van de TU Graz het risico‑ en schadepotentieel van waterstofvoertuigen in tunnels heeft geanalyseerd. De studie heeft ook enkele aanbevelingen gedaan. 

Het risico‑ en schadepotentieel van waterstofvoertuigen: Hoe risico’s te minimaliseren

Onder haar HyTRA‑project heeft de Technische Universiteit Graz verschillende aspecten onderzocht die riskant kunnen zijn. De studie beoordeelde mogelijke incidenttypen, gevaren voor mensen en de tunnelstructuur en stelde maatregelen voor die genomen kunnen worden om deze risico’s te minimaliseren.

Hoewel onderzoekers hebben vastgesteld dat de kans op ongevallen met waterstof‑aangedreven voertuigen in een tunnel laag is, maken de hoge energiedichtheid van waterstof en de aanzienlijke opslagt druk deze door waterstof aangedreven FCEV’s tot een aanzienlijk risico op uitgebreide schade.

Het opslaan van waterstof in autotorens onder een druk van 700 bar kan leiden tot een snelle vrijgave van een grote hoeveelheid energie. Indien ontstoken, kan waterstof branden bij temperaturen boven de 2000 °C. Fabrikanten ontwerpen de brandstoftorens robuust en goed beschermd tegen mechanische impact; echter, ze schieten tekort bij situaties zoals achteroprijdende botsingen met grote vrachtwagens.

Er zijn grofweg drie gevaarlijke scenario’s die kunnen ontstaan als gevolg van zo’n botsing.

In het eerste geval kan het thermische drukontlastingsapparaat (TPRD) activeren wanneer de druk toeneemt door een thermische impact, waardoor waterstof in een gecontroleerde straal uit de tank wordt vrijgelaten. Dit mechanisme helpt de druk op een veilig niveau te houden, waardoor de tank niet barst. Dit kan echter nog steeds gevaar opleveren als de vrijgekomen waterstof zich mengt met lucht en ontbrandt. Desondanks blijft het gevaarlijke gebied beperkt.

Dit scenario verergert als het Thermische Drukontlastingsapparaat faalt, wat kan leiden tot een explosie van de tank. De resulterende schokgolf kan zich door het hele kanaal verspreiden. Het risico op overlijden reikt tot ongeveer 30 meter, terwijl de kans op ernstige interne verwondingen tot 300 meter reikt. Verder weg bestaat nog steeds het risico op gescheurde trommelvliezen.

In het derde scenario, het minst waarschijnlijke, wordt waterstof eerst vrijgelaten zonder te ontbranden. Als het lichtste element in het periodiek systeem stijgt het gas op en vormt een wolk onder het tunnelplafond. Als er een ontstekingsbron aanwezig is, zoals hete lampen of een elektrische impuls, kan dit een explosie van de waterstofwolk veroorzaken, waardoor een aanzienlijke schokgolf ontstaat.

De onderzoekers van het risicoscenario stelden een reeks mitigatiestrategieën voor. Het team suggereerde strengere snelheidslimieten, gecontroleerd via sectiecontrole. Ze adviseerden ook nauwkeurige afstandscontrolestrategieën, ondersteund door een robuust signaleringsmechanisme om bestuurders te waarschuwen wanneer ze te dicht volgen.

Tijdens de bespreking van de risico’s en schadepotentie van waterstofvoertuigen vergat het TU Graz‑team niet de context waarin ze opereren en hoe hun risico‑ en schadepotentieel worden gemeten.

“Moderne waterstoftorens zijn zo veilig gebouwd dat er veel mis moet gaan voordat de waterstof kan ontsnappen.”

– Daniel Fruhwirt, Institute of Thermodynamics and Sustainable Propulsion Systems at TU Graz

De drang naar waterstofvoertuigen

Onderzoekers voorspellen een aanzienlijke toename in de adoptie van waterstofvoertuigen in de komende jaren. Industrieonderzoekers en analisten schatten dat het aantal waterstofvoertuigen wereldwijd in 2027 meer dan één miljoen zal overschrijden, een stijging ten opzichte van iets meer dan 60.000 in 2022, wat een groei van meer dan 1.500 % betekent. De consumentenmarkt wordt verwacht de leidende segment te zijn in de waterstofvoertuigensector, met meer dan 60 % tegen 2027.

Er zijn overheidsinitiatieven die brandstofcelvoertuigen promoten. Bijvoorbeeld, het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, een eenheid onder het Department of Energy, lanceerde H2USA in 2013. In hun officiële verklaring hadden de overheidsautoriteiten het volgende te zeggen over de missie van H2USA:

“De missie van H2USA is de introductie en brede adoptie van brandstofcel‑elektrische voertuigen in heel Amerika te bevorderen. Leden omvatten federale agentschappen, de brandstofcelhandelsvereniging, autofabrikanten, waterstofleveranciers, brandstofcelontwikkelaars, nationale laboratoria en andere belanghebbenden. De samenwerking biedt de Verenigde Staten een platform vergelijkbaar met de publiek‑private samenwerkingen in andere landen die zich richten op waterstof, met name Duitsland, Japan en het VK.”

Volgens berichten heeft H2USA nu meer dan 30 deelnemers.

Naast overheidsinitiatieven zijn er veel prestatieverbeterende onderzoeken gaande die helpen interesse en vertrouwen op te bouwen bij potentiële consumenten voor waterstof‑brandstofcelvoertuigen. 

Bijvoorbeeld, een recente studie uitgevoerd door een team van onderzoekers van Harvard en Incheon National University ontwikkelde een aanpak om brandstofcellen te bouwen die hoog scoren op zowel duurzaamheid als levensduur. De studie draaide om het ontwikkelen van een categorie vermoeidheidsbestendige elektrolytmembranen bestaande uit een interpenetrerend netwerk van Nafion en perfluoropolyether (PFPE). Het team merkte een lichte degradatie van de prestaties van de brandstofcel op in ruil voor een ‘verbazingwekkende verbetering in duurzaamheid/levensduur.’

Een andere opwindende ontwikkeling die bijzonder bemoedigend is voor de fabrikanten, is de introductie van gespecialiseerde enzymen in uitgeputte olieputten. Deze enzymen breken achtergebleven koolwaterstoffen af tot verschillende componenten, waaronder waterstof. Deze vooruitgang zou ertoe kunnen leiden dat talloze uitgeputte en verlaten olieputten wereldwijd veranderen in bronnen van een duurzamere brandstof uit hun diepte – waterstof.

De drang naar waterstofvoertuigen sluit aan bij de visie om meer duurzame transportalternatieven voor de toekomst te creëren, mogelijk zelfs duurzamer dan elektrische voertuigen (EV’s). Dit komt doordat EV’s niet volledig duurzaam zijn; hun emissiepotentieel hangt af van hoe de elektriciteit wordt opgewekt.

Veel bedrijven ontwikkelen waterstofvoertuigoplossingen, in de verwachting dat overheden en transportautoriteiten in de toekomst steeds meer de voorkeur zullen geven aan waterstofvoertuigen boven EV’s. In de volgende segmenten bespreken we een paar van die bedrijven.

#1. Ultium Platform en HYDROTEC Brandstofcel Power Cubes van General Motors

De GM Hydrotec Brandstofcel Technologie beweert een betaalbare brandstofcel‑energioplossing te zijn voor land‑, lucht‑ en maritieme toepassingen. In 2021 kondigden Wabtec Corporation (NYSE: WAB) en General Motors (GM ) (NYSE: GM) een samenwerking aan om GM’s Ultium batterijtechnologie en HYDROTEC waterstof‑brandstofcelsystemen voor Wabtec locomotieven te ontwikkelen en te commercialiseren.

Tijdens het spreken over de meerwaarde die GM’s oplossingen voor Wabtec zouden brengen, had de CEO en President van Wabtec, Rafael Santana, het volgende te zeggen:

“Onze FLXdrive locomotief, ’s werelds eerste 100 % batterij‑aangedreven locomotief, heeft bewezen dat hij de CO₂‑uitstoot met tot 30 % kan verlagen bij een vermogen van 6 MWh. Maar we kunnen daar niet stoppen. Door samen te werken met GM aan Ultium‑batterijen en HYDROTEC waterstof‑brandstofceltechnologieën, kunnen we de spoorwegindustrie versnellen op de weg naar decarbonisatie en naar locomotieven zonder uitstoot door gebruik te maken van deze twee belangrijke voortstuwingstechnologieën.”

GM’s Hydrotec‑oplossing biedt compacte en gemakkelijk te verpakken brandstofcel power cubes voor een breed scala aan toepassingen, waaronder locomotieven. Ultium is de batterijtechnologie die bijdraagt aan de flexibiliteit, efficiëntie, kracht en betrouwbaarheid die spoorwegen nodig hebben.

In 2021 sloot General Motors ook een samenwerking met Liebherr‑Aerospace om een demonstratiesysteem voor waterstof‑brandstofcel‑energieopwekking voor vliegtuigen te ontwikkelen. Het volgende jaar besloot GM met zijn Hydrotec‑oplossing verder te gaan dan de ruimte van voertuigen en autotransport.

Het bedrijf verklaarde haar plannen om meerdere HYDROTEC‑gebaseerde stroomgeneratoren te ontwikkelen die worden aangedreven door GM’s Generation 2 HYDROTEC brandstofcel power cubes. Deze omvatten:

• Een Mobiele Stroomgenerator (MPG) die snelle oplaadmogelijkheden biedt voor EV’s zonder permanente laadpunten te installeren.
• De EMPOWER snelle lader die detailhandelsbrandstofstations in staat stelt betaalbare DC‑snellading toe te voegen zonder het netwerk uit te breiden.
• Een gepalletiseerde MPG om stil en efficiënt militaire kampen en installaties van stroom te voorzien.

Voor het financiële jaar 2023, rapporteerde GM een omzet van $171,8 billion, met een nettowinst toe te rekenen aan aandeelhouders van meer dan $10 billion en een aangepaste EBIT van $12 billion.

#2. Cellcentric: Een 50/50 samenwerking tussen Daimler en Volvo

Cellcentric, een 50:50 joint venture tussen Volvo Group en Daimler Truck (DTG.DE ) AG, is gericht op het worden van een toonaangevende wereldwijde fabrikant van brandstofcellen om de wereld te helpen haar doel te bereiken van neutraal en duurzaam transport tegen 2050.

In mei 2024 kondigde Cellcentric haar NextGen brandstofcelsysteem aan, een oplossing op maat voor langeafstandstrucks in Europa en Noord‑Amerika. Het systeem is een sterk geïntegreerde, compacte en lichtgewicht enkelvoudige systeemoplossing die bij piekprestaties meer dan 350 kW vermogen kan leveren.

Volgens de schattingen van Cellcentric zal de oplossing naar verwachting een brandstofbesparing van 20 percent bieden ten opzichte van de BZA150‑generatie. Het NextGen‑systeem heeft bovendien een toename van de vermogensdichtheid van 30 percent ten opzichte van de huidige generatie en een vermindering van 40 percent in afvalwarmte bij piekbelasting, dankzij het geavanceerde systeemontwerp en optimale prestaties. De oplossing verlaagt ook de koelbehoefte, waardoor de productgeschiktheid verbetert. 

Voor het volledige jaar 2023, verhoogde Volvo haar netto‑omzet met bijna SEK 80 billion tot SEK 553 billion en het aangepaste bedrijfsresultaat tot SEK 77,6 billion (50,5), met een aangepaste operationele marge van 14,0 % (10,7). De omzet van de Daimler Group steeg met 10 % tot een recordniveau van €55,9 billion in 2023.

De toekomst van waterstof‑brandstofcelvoertuigen

Al met al ziet de toekomst van waterstofvoertuigen er veelbelovend uit, aangezien er een groeiende wereldwijde behoefte is aan duurzame transportoplossingen. Om echter efficiënter en veiliger te worden, moeten fabrikanten en technologische onderzoekers aan alle aspecten van een waterstof‑brandstofcel‑elektrische auto werken, inclusief de celstapel, brandstofinlaat, brandstoftank, controller en thermisch systeem. 

Deze voertuigen bieden verschillende voordelen, waaronder direct koppel en soepele, consistente vermogenskenmerken, lage onderhoudsvereisten, snelle tankvoordelen, nul emissies en meer. Fabrikanten moeten echter meer aan de kosten werken. 

De aanschaf van een brandstofcelauto kan meer kosten dan vergelijkbare conventionele auto’s. Er zijn echter verschillende stimuleringsmaatregelen beschikbaar in ontwikkelde economieën, zoals een terugbetaling van $4.500 ($7.500 voor inkomensgerechtigde kopers) van California’s Clean Vehicle Rebate Project en andere. Hoewel deze stimuleringsmaatregelen de adoptie en zichtbaarheid op korte termijn zouden verhogen, zal het langetermijnsucces alleen worden gedreven door de normen voor veiligheid en prestaties die worden geboden.

Klik hier om te leren wat waterstof opnieuw een aantrekkelijke energiebron maakte.