Duurzame emissie in de vorm van brandstofcellen

Emissie, brandstofcellen en verschillende soorten brandstoffen

Wereldwijd neemt het besef dat er nu gehandeld moet worden om de opwarming van de aarde, door uitstoot van CO2 en andere schadelijke gassen, te stoppen toe. Dit bewustzijn heeft zich internationaal vertaald in onder andere het klimaatakkoord van Parijs (2015) en in de VN Sustainable Development Goals. Op nationaal niveau is het SER-energieakkoord gesloten. Hierin is bepaald dat in 2035 alle nieuw verkochte personenauto’s in staat moeten zijn om emissievrij te rijden. Als we het hebben over duurzame emissie in de vorm van brandstofcellen, dan is het natuurlijk handig dat je weet wat ‘duurzame emissie’ en ‘brandstofcellen’ zijn. Daarom zullen we hier eerst dieper op in gaan.

Wat is emissie?

Het woord emissie wordt regelmatig gebruikt in de context van milieu en duurzaamheid. Emissie is in dat verband een verzamelnaam voor lozing of uitstoot van milieuverontreinigende stoffen, golven of andere verschijnselen door diffuse bronnen. Er zijn dus verschillende vormen emissiebronnen. De bronnen die uitstoot van schadelijke stoffen veroorzaken kunnen zowel van bedrijven als van particulieren zijn. De lozing kan lucht, water of boden, als het ontstaan van geluid of straling betreffen. Emissie in de vorm van luchtvervuiling kan bijvoorbeeld plaatsvinden door de schoorsteen van een woning of door de uitstoot van de schoorsteen van een fabriek. Maar het kan natuurlijk ook gaan over de uitstoot van schadelijke stoffen in de uitlaat gassen van de auto.

CO2 uitstoot

De in kubieke meters gemeten hoeveelheid luchtvervuiling verschilt per uitstootbron. Auto’s zorgen bijvoorbeeld voor CO2 uitstoot. Koolstofdioxide oftewel CO2 is een schadelijke stof die in grote mate verantwoordelijk is voor het opwarmen van de aarde en vormt al jaren een wereldwijd probleem. De hoeveelheid CO2 die in de lucht wordt uitgestoten door auto’s is afhankelijk van het soort brandstof van de auto. Ook het gewicht van de auto speelt hierin een rol. Hoe meer gewicht, hoe meer vermogen nodig is om de auto in beweging te brengen. Dit zorgt ervoor dat de hoeveelheid verbruikte brandstof per auto verschilt.

De verschillende brandstoffen

Auto’s en andere gemotoriseerde voertuigen rijden op verschillende soorten brandstof. Diesel en benzine zijn de meest gebruikte brandstoffen voor wegverkeer. Dit zijn fossiele brandstoffen.

Om een leefbaar klimaat te behouden, is het noodzakelijk dat we ook voor wegverkeer duurzame energie gaan gebruiken. Daarom zijn er alternatieve vormen van brandstof voor auto’s ontwikkelt. Op het moment is er niet één beste keuze; er zijn namelijk meerdere duurzame alternatieven, denk hierbij aan biobrandstof, waterstof, maar ook aan elektrische auto’s.

Rijden op elektriciteit (100% of plug-in hybride), bio-CNG (biogas) of bio-ethanol en biodiesel uit afval en residuen zijn op dit moment de beste opties. Een opkomend duurzaam alternatief is waterstof.

H2-Brandstofcel, beter bekend als waterstof

Waterstof is schoon, veilig en overal te vinden. Het wordt in 70% van alle materie in het heelal aangetroffen. Het is een soort gas en wordt ingezet als vervanger voor fossiele brandstoffen zoals benzine of diesel. Anders dan bij aardgas wordt dit niet gewonnen uit de grond, maar geproduceerd via elektrolyse. Hierbij wordt water omgezet in waterstof en zuurstof.

Waterstof is een energiedrager. Dat wil zeggen dat de energie die vrijkomt bij het gebruik van waterstof als brandstof voor een auto, er eerst in gestopt moet zijn. Hier is elektriciteit voor nodig. Dit kan met groene stroom emissievrij geproduceerd worden. Bij de omzetting in elektriciteit in een brandstofcel komt geen luchtverontreiniging vrij. Dit maakt waterstof een zero-emissie brandstof.

Momenteel zit waterstof als voertuigbrandstof nog in de ontwikkelfase. De versnelde transitie naar duurzame mobiliteit maakt waterstof naast elektriciteit ook een kanshebber als nieuwe brandstof. Hoewel het aantal hydrogen-auto's nog altijd beperkt is en Nederlanders niet echt enthousiast lijken te zijn over deze nieuwe vorm van brandstof staat de wereld van waterstof niet stil. Nederland beschikt momenteel al over zeven tankstations voor waterstof.

Wat is een brandstofcel?

De brandstofcel is een apparaat, waarin waterstof en zuurstof (of bijvoorbeeld een (bio-)gas) een chemische reactie met elkaar aangaan. Hier komt energie bij vrij in de vorm van elektriciteit (en warmte). Een brandstofcel is dus geen energiebron, maar een manier om de energie die is opgeslagen in de energiedrager (bijvoorbeeld waterstof) om te zetten in warmte en elektriciteit.

Een energiedrager in combinatie met een brandstofcel is vergelijkbaar met een accu of batterij, maar werkt net even anders. Net als bij een brandstofcel vindt bij een accu of batterij een chemische reactie plaats, maar omdat de energie erin is opgeslagen, heeft de accu een beperkte capaciteit. Wanneer deze zijn leeg gelopen of ‘op’ zijn, dan moet je ze weggooien of opnieuw opladen. Dit geldt niet voor de brandstofcel. Je kunt aan een brandstofcel namelijk steeds een energiedrager toevoegen waarmee deze energie kan produceren. Zo is het keer op keer mogelijk om, bijvoorbeeld met waterstof en zuurstof, warmte en elektriciteit op te wekken.

Een standaard elektrische auto moet van tijd tot tijd aan de oplader. Een elektrische auto met een brandstofcel kan ‘gewoon’ weer volgetankt worden, en dan natuurlijk niet met benzine, maar met waterstof.

Rijden met negatieve emissie

Zoals zojuist duidelijk is geworden produceert een waterstof elektrisch voertuig zijn elektriciteit zelf via een reactie tussen waterstof en zuurstof in een brandstofcel. Hij is dus niet afhankelijk van elektriciteit die is opgeslagen in een accu of batterij. Het vullen van de waterstoftank aan de pomp duurt 3 tot 5 minuten. Net als een conventioneel voertuig, maar dan wel emissievrij! Een waterstof elektrisch voertuig gaat zelfs verder dan dat: door de lucht met ingenieuze techniek te filteren, reinigt hij meer lucht naarmate je meer rijdt! Hoe bijzonder is dat?!

Maar hoe werkt dat dan?

Zo’n brandstofcel heeft twee kamers, gescheiden door een membraan (een polymeerelektrolyt- membraan of PEM). In de ene kamer zit waterstof en in de andere zuurstof. Elk van de twee kamers heeft een elektrode, dit is aan de waterstofkant een negatieve (anode) en aan de zuurstofkant een positieve (kathode). De anode werkt als katalysator, waardoor waterstof uiteenvalt in protonen (positief geladen waterstofionen) en elektronen. De elektronen worden afgestoten door de anode. Omdat ze niet door het membraan naar de andere kamer kunnen ontsnappen gaan ze via een elektriciteitsdraad buitenom naar de kathode.

De stroom die door de draad loopt, wordt vervolgens gebruikt om de elektromotor aan te drijven. De positief geladen waterstofionen kunnen wel door het membraan en verbinden zich bij de kathode weer met de elektronen die via de anode komen. Zo ontstaat, na reactie met zuurstof, het enige afvalproduct van de brandstofcel, namelijk: water.

Begrippenlijst

Een korte toelichting op de meest belangrijke woorden uit deze omschrijving.

Elektrode
Een elektrode is een geleider die gebruikt wordt om contact te maken met een niet-metalen deel van het circuit of met een deel van het elektrisch circuit dat niet als vast onderdeel van dat circuit gedacht wordt.

Kathode en Anode
De begrippen kathode en anode hebben betrekking op de richting van de doorgevoerde stroom. In een elektrisch systeem met twee polen of elektroden is de kathode de pool waar de elektronen het systeem ingaan. De tegengestelde pool of elektrode heet de anode.

De anode in een elektrisch of elektronisch apparaat of component is de pool of elektrode van waaruit de elektrische stroom het apparaat of de component binnenstroomt.

Katalysator
Een katalysator is verantwoordelijk voor het neutraliseren van schadelijke stoffen die door de motor worden uitgestoten. In de katalysator worden deze schadelijke gassen door een chemische reactie getransformeerd in onschadelijke stoffen.