Auto’s op waterstof

Auto’s op waterstof

*Bovenstaande grafiek gebaseerd op gemiddelde verbruiken.

Allereerst gaan we kijken wat de verschillen zijn met de traditionele benzine, diesel en elektrische auto’s die er in 2023 rondrijden. Steeds meer zien we dat het rendement van auto’s opgegeven wordt van ‘Well-To-Tank’ en aansluitend van ‘Tank-to-Wheel’ om een eerlijke vergelijking te kunnen maken. Voor elektrische auto’s is de term ‘Tank-to-Wheel’ vervangen door ‘Plug-to-Wheel’. Ook voor verwarmingsapparatuur (bijvoorbeeld warmtepompen) is het gebruikelijk om op het energielabel het totale rendement van ‘energiecentrale tot in de woning’ op te geven. In de praktijk komt het er op neer dat men het rendement van de warmtepomp vermenigvuldigt men een door de EU vastgesteld gemiddeld rendement van 40% voor de elektriciteitscentrale.

Brandstof
voor auto
Energie
inhoud
[kWh]
Rendement
auto

[%]
 Actie-
radius
[km]
 kWh
per
km
 
 km
per
kWh
1 kg steenkool 8,1 -- -- -- --
1 liter biobrandstof -- -- -- -- --
1 m³ CNG (aardgas)   8.8 26 16 0.550  1,8
1 liter LPG  7,5 21 11 0.700 1,4
1 liter benzine 9,1 25 15 0.600 1,7
1 liter dieselolie 10,0 35 17 0.588   1,7
Hybride benzine/elektriciteit 9.1* 34 21 0.433 2,3
1 kWh elektriciteit** 1 80 5 0.200 5,0
1 liter waterstof bij 700 bar*** 2,12 45 5 0.424 2,3
*=Toyota Prius
**=Tesla 3 heeft een accu van 50 kWh, en de Tesla model S een accu van 85 kWh
***=Toyota Mirai
Disclaimer: Bovenstaande gegevens zijn gemiddelden en bedoeld om onderling te vergelijken en vervangen dus niet de opgave van de fabrikant voor een specifiek model.

De benzineauto

Het gemiddelde benzineverbruik van een auto is 1:15 (1 liter is nodig om 15 km te rijden). Omgerekend komt men dan op ca. 0,6 kWh dat benodigd is aan energie per kilometer. Oftewel men kan 1,7 km rijden als men 1 kWh aan energie in de auto stopt. De verbrandingswaarde (energie-inhoud) van benzine is 9,1 kWh per liter.

De Dieselauto

Het gemiddelde dieselverbruik van een auto is 1:17 (maar er zijn ook zuinigere auto’s die met 1 liter diesel 25 km kunnen rijden). We gaan hier verder uit van de gemiddelde waarden. De verbrandingswaarde van diesel is 10 kWh per liter. Dat betekend dat we 0,588 kWh nodig hebben om 1 kilometer vooruit te komen. Dat is ongeveer hetzelfde als bij een benzineauto, maar omdat er meer kWh in een liter diesel zit, is de actieradius groter.

De 100% elektrische auto

Hier bepaald de energie-inhoud van de accu de actieradius. Zo kunnen we uitrekenen wat het gemiddeld verbruik is. Nemen we als voorbeeld de Tesla model S met een 270 kW motor met een rendement van 92%. De actieradius is 480 km met een accu van 85 kWh.
Dat betekend dat we 85 / 480 = 0,177 kWh per kilometer verbruiken. Rekenen we ook nog de verliezen van de auto mee (12% verlies plug-to-wheel) dan komen we op een verbruik van 0,177 / (100% -1 2%) = 0,201 kWh/km. Rekenen we dit om naar het verbruik in aantal liters benzine, om te vergelijken, dan zou deze auto 1:45 rijden (energie-inhoud benzine 9,1 / 0,201). Dit is niet helemaal eerlijk, want eigenlijk moet men ook het rendement van de energiecentrale meerekenen. Het rendement van de elektriciteitscentrale stelt men voor dit soort berekeningen op 40% (stand 2023). Dus de Tesla rijdt dan 1:18 (40% van 45).

De waterstofauto

Eigenlijk is de waterstofauto een elektrische auto zonder accu’s. In plaats van accu’s is er een tank gevuld met waterstofgas en een brandstofcel die waterstof omzet in elektriciteit. De energie-inhoud van waterstof is 33,6 kWh per kg. In tegenstelling met de cv-ketel op waterstof die waterstof ook echt verbrand, is er bij auto’s sprake van een conversieslag. Iedere conversie levert verliezen op. Onderstaand een opsomming van de rendementen:
Rendement elektriciteitscentrale om elektriciteit te maken: 40%.
Rendement om waterstof te maken: 60 - 80%.
Rendement van de brandstofcel om uit waterstof elektriciteit te maken: 50 - 70%.
Rendement van de DC-elektromotor in de auto: 90%.

Van bovenstaande rendementen nemen we de gemiddelde waarden om het totale rendement te berekenen:
η =40% x 70% x 60% x 90% = 15%
Dit is een erg laag rendement, wat vooral komt door het lage rendement om waterstof te produceren. In dit voorbeeld zijn we uitgegaan dat waterstof door middel van elektrolyse gemaakt is. De elektrische auto met accu’s heeft een veel hoger rendement. Qua rendement is een waterstofauto op dit moment (2023) geen succes te noemen. Er zijn wel andere voordelen:

  • Snel tanken versus langzaam opladen van accu’s bij een elektrische auto.
  • Gewicht waterstofauto is veel lager (geen zware accu’s).
Daar komen helaas ook nadelen bij:
  • Duur onderhoud aan de brandstofcel.
  • Weinig tankstations.
  • Weinig kennis bij autogarages bij problemen.
Autofabrikanten experimenteren reeds met waterstofauto’s. Zo heeft Toyota als eerste in 2015 de Mirai (Japans voor toekomst) geïntroduceerd. De Mirai bezit twee waterstoftanks van ieder 122 liter. Totaal kan er dan 244 liter waterstof getankt worden, waarmee men ca. 500 km mee kan rijden. De tanks kunnen in ca. 3 minuten gevuld worden, wat een stuk sneller is dan het opladen van een accu voor een elektrische auto. Nadeel is dat de waterstoftanks onder een druk van 700 bar staan, wat hoge eisen aan deze tanks stelt qua veiligheid.
Ook het Koreaanse Hyundai heeft een waterstofauto ontwikkeld: de Nexo, die in 2018 op de markt kwam. Vele andere fabrikanten zijn bezig met de ontwikkeling van een waterstofauto.

Hoe en waar tank je waterstof?

Waterstof kan, net als benzine, diesel en LPG, gewoon aan de pomp getankt worden. Omdat waterstof veertien keer lichter is dan lucht, wordt waterstof via een gasslang onder een hoge druk van 700 bar de tank in geperst. Bij 1 bar is de soortelijke massa van waterstof 0,09 kg/m³. Bij 700 bar is dit gecomprimeerd tot 700 . 0,09 = 63 kg/m³ (dat is 0,063 kg per liter). In een tank van 100 liter past dan 6,3 kg waterstof.

Er gelden strenge veiligheidsvoorschriften voor tankstations met waterstof, vergelijkbaar met LPG-tankstations. Als waterstof vrij komt stijgt het direct op, en kan reageren met zuurstof tot een explosief mengsel. Daarom mogen geen H2-tankstations in woonwijken geplaatst worden. Ook de bevoorrading van tankstations is anders dan bijvoorbeeld bij benzine. Voor 1 tankvrachtwagen met benzine zijn 19 tankwagens met waterstof nodig. Het is dan ook de verwachting dat in de toekomst H2-tankstations via een pijpleiding bevoorraad gaan worden. In California (USA) vindt men al overal H2-tankstations. In Nederland zijn er nog maar een handjevol H2-tankstations.

Bestaande elektrische auto ombouwen naar waterstof

De foto hiernaast is gemaakt in Oekraïne. Door beschietingen is de elektriciteit uitgevallen en kunnen bezitters van elektrische auto's hun accu's niet meer opladen. Door een dieselgenerator achter de auto te monteren kan de auto toch op diesel rijden. In de toekomst misschien ook op waterstof?