Zijn waterstofbrandstofcellen de toekomst van elektrische voertuigen?

De adoptie van batterij‑elektrische voertuigen (BEV’s) in Noord‑America lijkt op een obstakel te stuiten. Met slechte wederverkoopwaarden, duurde reparatiekosten en een achterblijvende infrastructuur, zijn de verkopen merkbaar vertraagd – opvallend. Er zijn zelfs omkeringen van beslissingen geweest bij grote verhuurbedrijven zoals Hertz, die hebben besloten een groot deel van hun EV‑vloot af te stoten, terugkerend naar hun verbrandingsmotor‑ (ICE) tegenhangers.

Hoewel dit het geval kan zijn, zou het gek zijn te denken dat de overgang van iets zo alomtegenwoordig als de ICE naadloos zou verlopen. Er zouden altijd tegenslagen zijn, en er zouden altijd valide vragen worden gesteld over de verdiensten van EV’s.

The bottom line is that the shift toward EVs isn’t just a desire by the few; it is a need by the many in the fight against climate change. However, if the current generation of EVs isn’t up to the task, what other options do we have? For many, the answer is one that has been mulled over for many years now and has recently seen critical advancements – Hydrogen Electric Vehicles (HEVs).

Verbeteren van de Duurzaamheid van Waterstofbrandstofcellen

In een recent onderzoek¹ heeft een gezamenlijk onderzoeksteam van wetenschappers van Harvard en Incheon National Universities een nieuwe benadering beschreven om waterstofbrandstofcellen te bouwen die zowel de duurzaamheid als de levensduur verbeteren.

Meer specifiek zag het onderzoek de ontwikkeling van een “categorie van vermoeidheidsbestendige elektrolytmembranen, bestaande uit een interpenetrerend netwerk van Nafion en perfluoropolyether (PFPE).” Bij gebruik werd opgemerkt dat typische vermoeidheid, die zich uit in spanningsbreuken tijdens regulier gebruik van brandstofcellen, sterk kon worden verminderd.

Door het materiaal in elektrolytmembranen binnen een brandstofcel te integreren, toonde het onderzoek aan dat het de “…vermoeidheidsdrempel met 175 % verhoogde en de levensduur van de brandstofcel met 1,7 keer verlengde. Bovendien vertoont de ongewijzigde Nafion‑membranen een levensduur van 242 uur, terwijl de composietmembranen een levensduur van 410 uur lieten zien.”

While the team noted that the introduction of this material slightly degraded the performance of the fuel cells, the staggering improvement in durability/longevity is clearly a worthwhile trade‑off. Moving forward, if hydrogen fuel cells are expected to supplant their battery pack counterparts in the EV sector, these are the types of advancements that need to be made. However, it is important to remember that the best technology does not always win out. First mover’s advantage is real, and battery‑powered EVs are clearly in the lead, despite a recent market slump.

Wat zijn Waterstof‑Elektrische Voertuigen (HEV’s)?

Een elektrisch voertuig is er een die afhankelijk is van motoren die worden aangedreven door elektriciteit in plaats van een motor die wordt aangedreven door brandstofverbranding. Op dit moment maakt de overweldigende meerderheid van elektrische voertuigen gebruik van zware batterij‑packs om de elektriciteit op te slaan en te leveren aan deze motoren. Zoals eerder vermeld, is er een andere benadering van EV’s die in opkomst lijkt – waterstofbrandstofcellen.

In Waterstof‑Elektrische Voertuigen (HEV’s), soms Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV’s) genoemd, wordt de elektriciteit die nodig is om de motor(en) aan te drijven verkregen via een elektrochemische reactie waarbij waterstof, opgeslagen als vloeistof of samengeperst gas, wordt gesplitst in protonen en elektronen. Het volledige proces werkt als volgt:

1. Waterstof opgeslagen in een hogedruktank wordt op aanvraag vrijgegeven naar een brandstofcel.
2. Waterstof die in de brandstofcel wordt geïntroduceerd, wordt gesplitst in protonen en elektronen.
3. Elektronen worden gebruikt om motoren aan te drijven, die vervolgens de wielen laten draaien.
4. Protonen combineren met zuurstof in de lucht, waardoor twee bijproducten ontstaan: warmte & waterdamp.

Interessant genoeg gebruiken een select aantal hybride HEV’s een kleinere batterij‑pack om verloren energie via regeneratief remmen op te vangen, waardoor het beste van beide werelden wordt gecombineerd.

Wat maakt Waterstof aantrekkelijk?

Generatie en Opslag: Batterij‑packs bestaan doorgaans uit materialen die worden gewonnen door grootschalige, invasieve mijnbouwoperaties die de aarde teisteren, waardoor de veronderstelling dat hun gebruik goed is voor het milieu ondermijnd wordt. Waterstof daarentegen kan worden gewonnen via duurzame elektrolyse en mogelijk natuurlijk voorkomende reserves.

Bovendien kan waterstof gemakkelijk tot een vloeistof worden gecomprimeerd en in grote hoeveelheden zonder problemen worden getransporteerd. Het vereist geen transmissielijnen vanaf het punt van productie, waardoor het proces flexibeler is.

Prestaties: Vanuit prestatie‑oogpunt is er niet veel verschil tussen HEV’s en BEV’s. Beide voertuigtypen gebruiken motoren om hun aandrijfwielen aan te drijven, wat betekent dat beide profiteren van het directe koppel en de output die kenmerkend zijn voor de technologie.

Emissies: Op het gebied van emissies is waterstof waarschijnlijk beter. Hoewel het technisch gezien een secundaire uitstoter is, betreft dit alleen waterdamp die uit de uitlaat komt. Ondertussen hebben BEV’s helemaal geen emissies. Waar waterstof zich onderscheidt, is in het fabricageproces, aangezien de batterij‑packs die het vermijdt uitgebreide mijnbouw vereisen, wat de aarde beschadigt.

Tankbeurt: Tankbeurt is een van de grootste aantrekkingskrachten van waterstof, omdat dit een factor is waarmee eindgebruikers regelmatig in aanraking komen. Terwijl BEV’s doorgaans lange laadtijden en gespecialiseerde infrastructuur vereisen, kunnen HEV’s net zo snel tanken als een gewone benzine‑/dieselauto.

Bereik: Hoewel batterijtechnologie verbetert, is voor een BEV om hetzelfde bereik te bieden als een traditioneel ICE‑voertuig een enorme batterij‑pack vereist. Dit leidt tot langere laadtijden, een grotere ecologische voetafdruk en efficiëntieverliezen door gewicht. Waterstof daarentegen biedt bereikcijfers die doorgaans gelijk zijn aan die van ICE, waardoor bereik‑angst volledig wordt weggenomen.

Koude klimaten: Een deel van de bereik‑angst die BEV‑eigenaars treft, hangt samen met de regio. Zeer weinig plaatsen bieden ideale klimaatomstandigheden voor een BEV, wat leidt tot een drastisch verminderd bereik voor veel klanten. Terwijl waterstof enig bereik verliest bij koud weer, is dit verre van dramatisch, waardoor het voor velen een aantrekkelijkere optie is.

Zoals u kunt zien, zijn er verschillende kritieke gebieden waarin HEV’s hun batterij‑packvarianten kunnen overtreffen. Waar ze beginnen achter te blijven, is in complexiteit, de noodzaak om bestaande tankinfrastructuur aan te passen, en de potentiële opkomst van solid‑state batterijen.

Industrie‑spelers die waterstofoplossingen ontwikkelen

De EV‑industrie kan momenteel enkele hobbels op de weg ervaren, maar het blijft duidelijk dat ze de toekomst van transport vormen. Wat minder duidelijk is, is welke vorm EV’s zullen aannemen. Worden ze batterij‑aangedreven? Of zullen ze vertrouwen op waterstofbrandstofcellen? Het volgende duo bedrijven zet in op het laatste en heeft al plannen voor zo’n toekomst gemaakt.

*De onderstaande cijfers waren accuraat op het moment van schrijven en kunnen wijzigen. Elke potentiële investeerder dient de cijfers te verifiëren*

1. Toyota

Als ‘s werelds grootste autofabrikant is het geen verrassing dat Toyota zich heeft begeven in het domein van HEV’s. Interessant genoeg, terwijl het bedrijf actief solid‑state batterijoplossingen ontwikkelt, heeft Toyota zich verzet tegen de huidige batterij‑EV’s. In plaats daarvan heeft Toyota kenbaar gemaakt dat het gelooft dat een helderdere toekomst ligt bij HEV’s en zelfs waterstof‑verbrandingsmotoren.

Opmerkelijk is dat Toyota in 1992 begon met de ontwikkeling van HEV‑technologie, wat leidde tot de introductie van de ‘Mirai’ – een sedan met een tankbeurt van 5 minuten, een bereik van 650 km en nul schadelijke emissies.

2. Plug Power

(PLUG )

Plug Power Inc., opgericht in 1997 en gevestigd in Latham, New York, blijft een sleutelspeler in de vooruitgang van waterstofbrandstofceltechnologie. Opmerkelijk is dat Plug Power zich niet uitsluitend richt op auto’s en vrachtwagens; het bedrijf ontwerpt en produceert dergelijke systemen voor kleinere installaties die elektrische motoren gebruiken.

In recente jaren heeft Plug Power zijn focus uitgebreid voorbij brandstofcellen voor materiaalhandling en richt zich nu op bredere markten. Dit omvat stationaire energiesystemen, vlootvoertuigen voor leveringen en zelfs potentiële toepassingen in de luchtvaart. De strategische overnames van het bedrijf, zoals United Hydrogen en Giner ELX, hebben zijn positie in de waterstofeconomie verder versterkt door de capaciteiten op het gebied van waterstofproductie, vloeibaarmaking en distributie te verbeteren.

Laatste Woord

Met batterij‑EV’s die struikelen, wordt er meer aandacht besteed aan potentiële alternatieven. Zoals het er nu uitziet, staan waterstofoplossingen voorop, en hoewel het gemakkelijk kan zijn om de technologie op het eerste gezicht af te wijzen, moet men onthouden dat het niet alleen Toyota is die waterstof promoot. Partnerschappen en de ontwikkeling van waterstofoplossingen met bedrijven als Honda, GM, Hyundai en meer bestaan al.

Met de toenemende toegang tot duurzaam geproduceerde waterstof die elke dag groeit, kan de toekomst van EV’s er iets anders uitzien dan velen zich realiseren.

Gerefereerde studies:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, D. Y., Lee, W. Y., Choi, W., Kim, D. J., Lee, S. H., Jeong, S. K., Park, J. H., Park, S., & Kim, J. Y. (2024). Vermoeidheidsbestendige elektrolytmembranen voor duurzame polymeer‑elektrolytmembranen brandstofcellen. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}