MANAGEMENTSAMENVATTING

MANAGEMENTSAMENVATTING In de zoektocht naar milieuvriendelijke brandstoffen (voor voertuigen) wordt waterstof vaak genoemd als potentiële bron van onbeperkte schone energie. Vooral in het kader van de CO2-problematiek kan waterstof een meerwaarde bieden. De termijn waarop de introductie van waterstof als voertuigbrandstof moet gezien worden is nog niet helemaal duidelijk. Internationaal wordt veel onderzoek rond waterstoftechnologie verricht. Dit bewijzen de talrijke Europese, Amerikaanse en Japanse overheidsprogramma’s rond ontwikkeling, demonstratie en toepassing van waterstof als energiedrager. EU-voorzitter Prodi heeft een ‘High Level Hydrogen Group’ opgericht om de toekomstige onderzoeksprogramma’s op vlak van waterstof zo gericht mogelijk uit te werken. Begin 2003 heeft de Amerikaanse president Bush aangekondigd de onderzoeksinspanningen voor waterstoftechnologie sterk op te drijven. Belangrijk is dat de ‘milieuvriendelijkheid’ van waterstof als energiedrager bepaald wordt door de productiecyclus. De emissies bij gebruik zijn over het algemeen zeer laag tot nul en worden bepaald door de aandrijftechnologie. In deze studie werden de mogelijkheden van waterstof als brandstof voor bussen onderzocht. Zowel de waterstofproductie, -opslag als –aandrijftechnologieën werden vergeleken op basis van beschikbare literatuur. Waterstof kan geproduceerd worden op grote schaal in speciale H2-productieplants of kleinschalig in locale productiefaciliteiten. Daarnaast is ook productie van waterstof aan boord van het voertuig met behulp van een reformer mogelijk. Over het algemeen is grootschalige productie economischer maar kleinschalige productie (on-site) heeft het voordeel dat de geproduceerde waterstof niet getransporteerd dient te worden. Waterstofproductie in het voertuig zelf heeft het voordeel dat geen waterstofinfrastructuur nodig is. Het rechtstreeks gebruik van waterstof (zonder reformer) voor bussen is het meest aangewezen. De milieu-impact voor centrale productie is lager dan voor waterstofproductie aan boord van het voertuig. Momenteel wordt het grootste deel van waterstof geproduceerd uit fossiele brandstoffen aan de hand van verschillende thermochemische reformtechnieken. Stoomreformers (op basis van aardgas) zijn momenteel de meest efficiënte, economische en wijdverspreide technieken voor het produceren van waterstof. Voor verbruik (MJ/MJ) en broeikasgasemissies scoort reforming uit aardgas beter dan elektrolyse (op basis van Belgische netstroom). De CO2 zou bovendien opgeslagen kunnen worden om zo de milieu-impact nog te verkleinen. De impact van de productie van waterstof op basis van elektrolyse wordt bepaald door de wijze waarop de electriciteit wordt opgewekt. Waterstof geproduceerd via elektrolyse uit hernieuwbare energie vormt de grootste opportuniteit om de emissies van voertuigen te verminderen. De vraag die zich stelt is of bij een toename van de vraag nog voldoende ‘groene stroom’ geleverd kan worden.

1

Bij rechtstreeks gebruik van waterstof in het voertuig vormen opslag en uitbouw van tankinfrastructuur de grootste uitdagingen. Waterstof heeft een lage energiedichtheid waardoor de actieradius beperkt is. De opslag van waterstof kan gebeuren gasvormig onder druk, vloeibaar en als hydriden. Hydriden zijn veilig maar de opslagsystemen zijn zwaar en duur. Vloeibaar waterstof is geschikt voor transport over lange afstanden omwille van de relatief hoge energiedichtheid (in MJ/kg). De productie van vloeibaar waterstof vraagt extra energie en bovendien zijn er verdampingsverliezen (boil-off) waardoor een deel van de waterstof verloren gaat. Het nadeel van gasvormige opslag is de lage energiedichtheid. Opslag onder hogere druk (700 bar) en lichtere tanks zijn in ontwikkeling en kunnen dit gedeeltelijk verbeteren. Een voordeel is de relatief lage kostprijs. Een doorbraak in on-board opslag voor waterstof is nodig om een aanvaardbare range te bereiken in vergelijking met conventionele brandstoffen. Voor het gebruik van waterstof in bussen is het probleem van opslag minder cruciaal omdat voldoende plaats beschikbaar is op het dak van het voertuig. In het Europese demonstratieproject CUTE (Clean Urban Transport for Europe) met 30 brandstofcelbussen op waterstof werd gekozen voor gasvormige opslag bij 350 bar. Voor bussen lijkt momenteel deze opslagvorm het meest geschikt. Waterstoftankinfrastructuur is momenteel nog onbestaande in België. Demonstratieprojecten zijn een vitale stap in de uitbouw van een waterstoftankinfrastructuur. De emissies geproduceerd bij gebruik (in bussen) worden bepaald door de aandrijftechnologie. Waterstof kan aangewend worden in brandstofcellen of in een aangepaste verbrandingsmotor. Momenteel zijn meer prototypes uitgerust met brandstofcellen dan met een verbrandingsmotor. Indien brandstofcellen gebruikt worden (op basis van waterstof, zonder reformer) zijn de emissies bij gebruik nul (enkel water en restwarmte worden geproduceerd). Bij een verbrandingmotor op waterstof zijn de emissies echter niet altijd te verwaarlozen. Het grootste probleem zijn de NOx-emissies. Brandstofcellen zijn momenteel nog zwaar en duur maar worden verder ontwikkeld zodat een verlaging van de kostprijs en gewicht te verwachten is. Bovendien wordt algemeen verwacht dat de kostprijs zal dalen indien massaproductie mogelijk is. Een verbrandingsmotor op waterstof scoort in dit opzicht beter. De voorkeur voor brandstofcellen voor mobiele toepassingen ligt momenteel bij PEMbrandstofcellen omwille van hun hoge vermogendichtheid, korte opstarttijd, snelle respons op variabele belasting en potentieel om te produceren aan relatief lage kostprijs. Een nadeel van de PEM-brandstofcel is de intolerantie voor onzuiverheden in de brandstof. In de meeste demonstratieprojecten wordt momenteel gebruik gemaakt van PEM-brandstofcellen. In een eerste introductiefase zijn eerder kleinschalige productie-eenheden vereist. Kleinschalige eenheden op basis van elektrolyse zijn reeds beschikbaar en kunnen onmiddellijk ingezet worden om waterstofinfrastructuur uit te bouwen. Kleinschalige stoomreformers daarentegen zijn nog niet commercieel. Wanneer waterstof verder doorbreekt kan het op grotere schaal geproduceerd worden. Zowel stoomreformers als elektrolyseurs zijn geschikt om waterstof op grote schaal te produceren. Mogelijk worden in de toekomst beide productiemethoden gebruikt.

2

De Europese onderzoeksinspanningen geven niet alleen de interesse aan voor waterstof als ‘schone brandstof’, maar geven ook aan dat er nog onderzoek en ontwikkeling nodig is om grootschalige introductie mogelijk te maken. Verdere ontwikkeling is nodig, zowel wat betreft de aandrijftechnologie als de opslag aan boord van het voertuig. Ook is het nodig om verder onderzoek te doen naar veiligheids- en gebruiksaspecten van waterstof en de implementatie hiervan in standaarden codes en regelgeving. Het belang van demonstratieprojecten voor de introductie van waterstof werd reeds eerder aangegeven. Momenteel lopen een aantal demonstraties in Europese steden waar België niet vertegenwoordigd is. In de toekomst moet in deze initiatieven meegegaan worden wil België waterstof als brandstof voor transporttoepassingen invoeren. Zeer belangrijk bij een demonstratieproject is de samenwerking tussen overheid en industrie. Belangrijk is ook om voertuigfabrikanten en energieleveranciers samen te brengen en zo een gecoördineerde inspanning te kunnen leveren en de ‘kip of het ei’ discussie uit de weg te gaan. Demonstratieprojecten geven de mogelijkheid om een eerste ervaring met deze nieuwe technologie op te doen en dragen bij tot de publieke aanvaarding van de nieuwe technologie. Indien een eerste demonstratiefase positieve resultaten heeft opgeleverd kunnen verdere stimulansen van de overheid (vb. taks- en accijnsverlaging) bijdragen tot een grootschalige introductie van waterstof. Ondersteuning vanuit het beleid is nodig om de introductie van waterstof mogelijk te maken. Het is nodig om een concreet traject op te stellen voor de invoering van waterstof als brandstof voor voertuigen in België. Indien de nodige technologische en andere hinderpalen overwonnen worden, ziet het er naar uit dat waterstof een belangrijk potentieel vormt als schone brandstof voor de toekomst, vooral in het kader van CO2-reductie. Het tijdsperspectief voor grootschalige introductie dat momenteel vooropgesteld wordt is 2020 tot 2030. Het is daarom vanuit milieustandpunt belangrijk om in de nabije toekomst inspanningen te blijven leveren om conventionele technologieën ‘schoner’ te maken. Daarnaast is het ook aangewezen om deel te nemen aan (Europese) demonstratie- en andere projecten om in Vlaanderen en België ervaring rond waterstof op te bouwen en zich internationaal te positioneren.

3

Managementsamenvatting ....................................................................................................... 1 1 Inleiding ........................................................................................................................... 6 2 Eigenschappen van waterstof........................................................................................... 7 2.1 Fysische eigenschappen ........................................................................................... 7 2.2 Energetische evaluatie ............................................................................................. 7 2.3 Veiligheidsaspecten van waterstof........................................................................... 9 3 Productie van waterstof ................................................................................................. 10 3.1 Centrale en on-site productie van waterstof .......................................................... 11 3.1.1 Elektrolyse ..................................................................................................... 11 3.1.2 Thermochemische reforming......................................................................... 14 3.1.3 Waterstof uit biomassa .................................................................................. 22 3.1.4 Conclusie ....................................................................................................... 24 3.2 Waterstofproductie aan boord van het voertuig..................................................... 24 3.2.1 Reformers ...................................................................................................... 25 3.2.2 Brandstofopties voor on-board reforming ..................................................... 25 3.2.3 On-board versus off-board waterstofproductie.............................................. 32 3.2.4 Conclusies on-board reforming ..................................................................... 36 3.3 Waterstofopslag ..................................................................................................... 36 3.3.1 Gasvormig waterstof...................................................................................... 36 3.3.2 Vloeibaar waterstof........................................................................................ 38 3.3.3 Hydriden ........................................................................................................ 40 3.3.4 Ondergrondse opslag ..................................................................................... 41 3.3.5 Alternatieven.................................................................................................. 42 3.3.6 Conclusies waterstofopslag............................................................................ 42 3.4 Conclusies.............................................................................................................. 44 4 Voertuigtechnologieën voor waterstof........................................................................... 46 4.1 Verbrandingsmotor op waterstof ........................................................................... 46 4.1.1 Technische karakteristieken........................................................................... 46 4.1.2 Vroegtijdige ontsteking en mogelijke oplossingen........................................ 47 4.1.3 Performantie: algemene bevindingen van een waterstofverbrandingsmotor. 48 4.1.4 Prototypevoertuigen....................................................................................... 49 4.2 Brandstofcellen ...................................................................................................... 52 4.2.1 Technische karakteristieken........................................................................... 52 4.2.2 Types brandstofcellen .................................................................................... 53 4.2.3 Brandstofcelsysteem ...................................................................................... 57 4.2.4 Voor- en nadelen van brandstofcellen ........................................................... 58 4.2.5 Brandstofcellen in bussen .............................................................................. 59 4.3 Vergelijking van brandstofcel (FC) met verbrandingsmotor (ICE)....................... 62 4.3.1 Efficiëntie ...................................................................................................... 62 4.3.2 Emissies ......................................................................................................... 66 4.3.3 Kostprijs......................................................................................................... 69 4.4 Conclusies: Gebruik van waterstof in bussen ........................................................ 70 5 Infrastructuur ................................................................................................................. 71 5.1 Infrastructuur in België .......................................................................................... 71 5.2 Relevante activiteiten binnen Europa .................................................................... 72 5.3 Hoe een waterstofinfrastructuur uitbouwen: kritische paden ................................ 76 5.4 Pijpleidingennetwerk ............................................................................................. 78 4

5.5 Standaarden en normen.......................................................................................... 79 5.6 Kostprijs infrastructuur.......................................................................................... 81 5.7 Conclusies.............................................................................................................. 82 6 Algemene conclusie....................................................................................................... 84 Appendix A: Overzicht van de brandstofcel-prototypevoertuigen ........................................ 88 appendix B: overzicht projecten waarbij waterstofinfrastructuur wordt uitgebouwd. .......... 92 Afkortingen............................................................................................................................ 97 REFERENTIES ..................................................................................................................... 98

5

1

INLEIDING

In de zoektocht naar milieuvriendelijke brandstoffen (voor voertuigen) wordt waterstof vaak genoemd als potentiële bron van onbeperkte schone energie. Vooral in het kader van de CO2-problematiek kan waterstof een meerwaarde bieden. Bovendien heeft waterstof ook het potentieel om andere emissies terug te dringen. Waterstof wordt niet beschouwd als energiebron - omdat het niet als dusdanig gewonnen kan worden - maar als energiedrager. De primaire energiebron aangewend voor de productie van waterstof zal het CO2-effect en de uitstoot van andere emissies bepalen. Internationaal wordt veel onderzoek rond waterstoftechnologie verricht. Europese, Amerikaanse en Japanse overheidsprogramma’s rond ontwikkeling, demonstratie en toepassing van waterstof als energiedrager nemen sterk toe. EU-voorzitter Prodi heeft een ‘High Level Hydrogen Group’ opgericht om de toekomstige onderzoeksprogramma’s op vlak van waterstof zo gericht mogelijk uit te werken. Begin 2003 heeft de Amerikaanse president Bush aangekondigd de onderzoeksinspanningen voor waterstoftechnologie sterk op te drijven. Het gebruik van waterstof als brandstof voor mobiele toepassingen is vaak gelinkt aan de introductie van brandstofcellen. Daarnaast kan waterstof ook gebruikt worden in een aangepaste verbrandingsmotor. De milieuvriendelijkheid van waterstof wordt bepaald door het gebruikte productieproces en de voertuigtechnologie. Voor het gebruik van waterstof in mobiele toepassingen kan het wel belangrijk zijn de uitstoot van schadelijke polluenten in een bepaalde omgeving (zoals steden) zoveel mogelijk te beperken, ook als dit tot gevolg heeft dat de emissies ‘upstream’ verhogen. Het is daarom belangrijk om zowel de productiecycli van waterstof te evalueren als de manier waarop waterstof wordt aangewend in het voertuig. De bedoeling van deze studie is de mogelijkheden van waterstof als brandstof voor bussen na te gaan. In een eerste inleidend hoofdstuk worden de eigenschappen van waterstof beschreven. In hoofdstuk 3 worden verschillende waterstofproductiecycli vergeleken. Naast de technologie van de productie zal ook de opslagvorm worden beschouwd. Ook de impact van het gebruik van een reformer in het voertuig zal worden nagegaan. Vergelijking van verschillende waterstoftechnologieën met conventionele dieseltechnologie zal uitgevoerd worden in hoofdstuk 4. In een laatste hoofdstuk worden de noden met betrekking tot waterstofinfrastructuur besproken.

6

2

EIGENSCHAPPEN VAN WATERSTOF1,2

2.1 Fysische eigenschappen Waterstof is een kleurloos en reukloos gas. De dichtheid van gasvormig waterstof bedraagt 0.08988 g/L. Ter vergelijking: lucht heeft een dichtheid van 1.29 g/L, methaan en benzine van respectievelijk 0.70 en 0.72 g/L bij STP omstandigheden (273 K en 1 atm). Het kookpunt van waterstof bedraagt -252.77°C, het smeltpunt -259.14°C. Vloeibaar en vast waterstof hebben een dichtheid van respectievelijk 70.8 g/L (-253°C) en 70.6 g/L (262°C). Met bovenstaande eigenschappen heeft waterstof de grootste energie/massaverhouding van alle brandstoffen. 1 kg waterstof heeft dezelfde energie-inhoud als 2.1 kg aardgas of 2.8 kg benzine. De energie/volume-verhouding bedraagt ¼ van deze van petroleum en 1/3 van aardgas. Waterstof verbrandt in lucht bij concentraties van 4-75 volume%. Ter vergelijking: methaan bij 5-15% en propaan bij 2-9%. De maximale verbrandingstemperatuur voor waterstof is 2318°C bij een volumeconcentratie van 29%. Waterstof in een zuurstofatmosfeer kan temperaturen bereiken tot 3000°C. Voor methaan en propaan bedragen de maximale verbrandingstemperaturen respectievelijk 2148 en 2385°C. De minimale vereiste ontstekingsenergie bedraagt voor waterstof 0.02 mJ, voor methaan 0.29 mJ en voor propaan 0.26 mJ. Zelfs de statische elektrische ontlading van een boogvonkontlading is voldoende om aardgas te ontsteken dus is het eigenlijk weinig relevant dat waterstof slechts een tiende van deze energie nodig heeft voor ontsteking. De temperatuur voor spontane ontbranding bedraagt 585°C voor waterstof, 540°C voor methaan en 487°C voor propaan. De explosielimieten voor waterstof liggen tussen 13-59% en 6.3-14% voor methaan. De range voor waterstof is groter maar de explosielimiet voor methaan wordt reeds bereikt bij een veel lagere concentratie. De diffusiecoëfficiënt voor waterstof is 0.61 cm3/s en is 4 keer groter dan deze voor methaan. Waterstof mengt dus veel sneller met lucht wat een voordeel is in open ruimten maar een risico inhoudt op slecht geventileerde plaatsen. Zowel waterstof als aardgas zijn lichter dan lucht en stijgen snel. Propaan en benzinedampen daarentegen zijn zwaarder dan lucht en blijven op de grond, resulterend in een grotere kans op explosie.

2.2 Energetische evaluatie De belangrijkste verbrandingsgerelateerde eigenschappen van waterstof zijn samengevat in onderstaande tabel. Ter vergelijking zijn ook de waarden voor methaan (hoofdbestanddeel van aardgas) en propaan (een van de hoofdbestanddelen van LPG) weergegeven.

7

Tabel 1: Verbrandingsgerelateerde eigenschappen van waterstof in vergelijking met methaan en propaan1

Onderste verbrandingswaarde

Bovenste verbrandingswaarde

Dichtheid Gasconstante Ontstekingstemperatuur in lucht Ontstekingslimiet in lucht Maximale vlamsnelheid (*)

kJ/kg kWh/kg MJ/Nm3(*) kWh/Nm3(*) kJ/kg kWh/kg MJ/Nm3(*) kWh/Nm3(*) Kg/m3 J/kgK °C Volume% Cm/s

H2 119.972 33.33 10.783 2.995 141.890 39.41 12.745 3.509 0.08988 4124 530 4.1-72.5 346

CH4 50.020 13.90 35.882 9.968 55.530 15.42 39.819 11.061 0.7175 518.8 645 5.1-15 43

C3H8 46.350 12.88 93.215 25.893 50.410 14.00 101.242 28.123 2.011 188.5 510 2.5-9.3 47

Nm3 = Normaal m3 = m3 onder STP (1 atm, 273 K)

Waterstof heeft de hoogste energie-inhoud (kJ/kg) van alle brandstoffen. Daarom wordt waterstof als brandstof gebruikt in de ruimtevaart waar massa een belangrijke rol speelt. De energiedichtheid (MJ/Nm3) is echter lager dan de andere brandstoffen. In onderstaande tabel worden de massa- en volumegerelateerde energiedichtheden voor verschillende opslagvormen van waterstof weergegeven en vergeleken met enkele andere energiedragers. Hierbij dient opgemerkt te worden dat het ook nodig is om het gewicht van de opslagvorm in rekening te brengen Dit gewicht is afhankelijk van het gebruikte materiaal en de producent en hangt af van de grootte van de opslageenheid. Om een idee te hebben geven we hieronder een vergelijking van een 100L-opslageenheid. Stalen gasflessen van 100 L (voor aardgas of waterstof onder druk) hebben een gewicht van ongeveer 100 kg. Gasflessen uit aluminium/composiet en volledig composiet hebben een gewicht van respectievelijk ongeveer 65 en 30 kg. Een 100 L waterstoftank voor vloeibaar waterstof weegt ongeveer 90 kg. In het geval van metaalhydride stockering voor waterstof is het gewicht reeds in rekening gebracht bij de gegeven energiedichtheid zodat de extra gewicht verwaarloosbaar is. Dit is ook het geval voor batterijen. Voor gas en vloeibare stockeringseenheden stijgt het gewicht in relatie met het volume tot de 2/3e macht indien de wanddikte van de tank dezelfde blijft.

8

Tabel 2: Energiedichtheid in massa en volume voor waterstof in vergelijking met andere brandstoffen1 Brandstof

Opslagvorm

Waterstof

gas (200 bar) gas (300 bar) vloeibaar (-273°C) metaalhydride gas (200 bar) vloeibaar (-162°C) vloeibaar vloeibaar vloeibaar vloeibaar Pb batterijen

Aardgas LPG methanol benzine Diesel Elektriciteit

Energiedichtheid in massa (kWh/kg) 33.3 33.3 33.3 0.58 13.9 13.9 12.9 5.6 12.7 11.6 0.03

Energiedichtheid In volume (kWh/L) 0.53 0.75 2.36 3.18 2.58 3.01 7.5 4.42 8.76 9.7 0.09

In deel ‘waterstofopslag’ zal dit verder besproken worden.

2.3 Veiligheidsaspecten van waterstof Het gebruik van waterstof als brandstof voor transporttoepassingen houdt zekere veiligheidsrisico’s in. De risico’s zijn gerelateerd aan het ongewild vrijkomen van waterstof in de atmosfeer. Waterstof is immers een klein molecule dat een grotere neiging heeft om via kleine openingen te ontsnappen (omwille van de hoge diffusiecoëfficiënt) dan andere gasvormige brandstoffen. Anderzijds heeft methaan een 4 maal grotere energie-inhoud per volume dan waterstof zodat bij ontbranding meer energie vrijkomt. Het grootste probleem stelt zich wanneer waterstof vrijkomt in gesloten ruimten (vb. door ‘boil-off’ bij vloeibare waterstofopslag: zie verder) omdat het dan zeer explosief is en een grote vlamsnelheid heeft zodat de brand zich snel verspreid. Anderzijds zal in open ruimten minder snel explosie optreden (omdat waterstof lichter is dan lucht) en zal een brand sneller doven in vergelijking met aardgas en benzine. Waterstof is niet intrinsiek explosief maar moet een ontbrandbaar mengsel vormen met zuurstof; de range is echter breder dan voor andere brandstoffen. Een waterstofvlam is onzichtbaar omdat het geen roetdeeltjes bevat en de afwezigheid van roetdeeltjes resulteert ook in lagere stralingswarmte van de vlam naar de omgeving. Dit houdt een zeker gevaar in omdat de vlam van op afstand dan moeilijk te detecteren is. Bovendien is waterstof zelf kleur- en reukloos wat het opsporen van lekken zeer moeilijk maakt. Benzine en diesel zijn vloeistoffen bij omgevingstemperatuur. Benzine is vluchtig en brandbaar; het heeft een lagere ontstekingstemperatuur en een lagere onderste ontstekingslimiet (1 – 7.6%) dan waterstof. Diesel is minder vluchtig en heeft een hogere ontstekingstemperatuur en is dus minder gevaarlijk. De nodige voorzieningen zijn getroffen in tankstations om deze brandstoffen veilig te kunnen gebruiken. 9

We kunnen besluiten dat - hoewel waterstof in sommige opzichten ‘veiliger’ is dan andere gasvormige brandstoffen - de nodige aandacht moet besteed worden aan het uitwerken van veiligheidsaspecten indien het gebruikt wordt als motorbrandstof.

3

PRODUCTIE VAN WATERSTOF

De vergelijking van de waterstofproductiecycli naar emissies en energieverbruik gebeurt op basis van een aantal studies uit de literatuur. In de Europese studie “GM Well-to-wheel Analysis of Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Advanced Fuel Vehicle Systems – a European Study”3 wordt een WTW (wellto-wheel) analyse uitgevoerd voor nieuwe brandstoffen en aandrijfsystemen. In de studie worden een aantal waterstofproductiecycli vergeleken (verbruik en GHG-emissies), zowel voor gasvormige als vloeibare waterstof. In een andere Europese studie “Pathways for Natural Gas into Advanced Vehicles”4 worden ook een aantal waterstofproductiecycli vergeleken. In de ESTO studie “Trends in Vehicle and Fuel Technologies” worden eveneens nieuwe technologieën en brandstoffen vergeleken.5 In de Amerikaanse studie ‘A Full Fuel-Cycle Analysis of Energy and Emissions Impacts of Transportation Fuels Produced from Natural Gas’6 werd de impact van de productie en gebruik van verschillende brandstoffen uit aardgas onderzocht. In de brandstofproductiecycli worden volgende processen beschouwd: productie, transport en opslag van primaire energieproduct, productie, transport en opslag van de brandstof. Daarnaast wordt in deze studie ook het gebruik van de brandstof in het voertuig beschouwd (verbranding van de brandstof en andere chemische conversies). In deze studie worden 3 GHG beschouwd (CO2, CH4 en N2O), uitgedrukt als CO2-equivalent. Daarnaast worden 5 andere polluenten beschouwd nl. VOS, CO, NOx PM10 en SOx. De productiepaden die vergeleken werden in deze studie zijn centrale productie (gasvormig en vloeibaar), productie in tankstations (gasvormig) uit aardgas en productie van vloeibaar waterstof uit ‘flared gas’. De Canadese studie ‘Life-Cycle Value Assessment (LCVA) of Fuel Supply Options for Fuel Cell Vehicles in Canada’7 onderzoekt de levenscyclus van een aantal brandstofopties voor personenwagens (NECAR 4) en bussen (NEBUS) in Canada. Naast conventionele technologieën worden in de vermelde studie brandstofcelvoertuigen met gasvormig waterstof geproduceerd volgens verschillende productieprocessen onderzocht. Deze levenscyclusanalyse onderzoekt de situatie in 3 verschillende steden. Hoewel hier een Canadese situatie bekeken wordt kunnen de relatieve verschillen tussen de productiecycli een zekere indicatie geven over de meest geschikte productieproces voor waterstof. Op Europees vlak werd op 10 oktober 2002 de ‘High Level Group on Hydrogen and Fuel Cells’ opgericht.8 De bedoeling is een eenduidige Europese visie te formuleren over de mogelijke rol die waterstof en brandstofcellen kunnen spelen om te komen tot duurzame energie. Recent werd een draft document9 gepubliceerd waarin ze hun bevindingen weergeven. Deze zullen ook in onderstaande worden vermeld.

10

3.1 Centrale en on-site productie van waterstof 3.1.1

Elektrolyse3,4

De eenvoudigste manier om waterstof te produceren is door elektrolyse. Hierbij wordt water onder invloed van elektrische stroom omgezet in waterstof en zuurstof. Water wordt geoxideerd aan de anode ter vorming van zuurstof (O2 + 4H+ + 4 e-) en gereduceerd aan de kathode ter vorming van waterstof (H2 + 4 OH-). De elektrodes zijn gescheiden door een elektrolyt en een ionengeleidende scheidingswand (diafragma). De anode bestaat typisch uit Cu en Ni gecoat met metaaloxiden (zoals Mn, Tg, Ru) terwijl de kathode meestal is gemaakt van Ni gecoat met kleine hoeveelheden Pt.2 Dit proces is eenvoudig en zeer goed gekend maar energie-intensief (zie verder). Momenteel wordt slechts 0.2% van de waterstof wereldwijd op deze manier geproduceerd. De milieu-impact van waterstofproductie door elektrolyse hangt af van de productiemethode van de elektriciteit nodig voor de elektrolyse. Elektrolyse is het enige productieproces dat geen fossiele brandstoffen vereist op voorwaarde dat de elektriciteit niet met fossiele brandstoffen wordt opgewekt. Het geproduceerde waterstof heeft een hoge zuiverheid en kan zowel op grote als kleine schaal geproduceerd worden.2 Indien waterstof geproduceerd wordt door elektrolyse van water met elektriciteit geproduceerd uit niet-vervuilende hernieuwbare energie - zoals waterkracht, fotovoltaïsche zonnecellen, thermische zonnecellen, windenergie - kan men spreken van een schone energie(drager). In de GM-studie worden verschillende waterstofproductiecycli op basis van elektrolyse vergeleken. De elektrolyse van waterstof wordt in de GM-studie op 3 schaalgroottes bekeken: 1. Productie van CGH2 door elektrolyse op regionale schaal. De waterstof wordt dan via een pijpleiding (over max. 50 km) getransporteerd naar de tankstations. 2. Productie van CGH2 door elektrolyse on-site. Dit betekent dat de waterstof geproduceerd wordt door elektrolyse in het tankstation. 3. Productie van LH2 in centrale elektrolyseplant. De vloeibare waterstof wordt dan getransporteerd met een vrachtwagen over 300 km. De elektriciteit nodig voor de elektrolyse beschouwd in de GM-studie is afkomstig van: 1. EU-elektriciteitsmix 2. (on- en off-shore) windkrachtcentrales 3. CCGT (Combined Cycle Gas Turbine) plant. Onderstaande figuren geven de vergelijking van het energieverbruik (in MJ energie verbruikt per MJ H2 geproduceerd) en de GHG-emissies (in g CO2 equivalent per MJ) van de verschillende productiecycli op basis van elektrolyse weer. Indien we rekening houden met de specifieke Belgische situatie in elektriciteitsproductie dan zullen de GHG-emissies voor de Belgische mix lager liggen dan voor de Europese. De vermindering bedraagt ongeveer 40% om wille van het groter aandeel kernenergie.5 In Figuur 2 (GHG-emissies) is ook de Belgische situatie weergegeven. Ter vergelijking: volgens dezelfde studie bedragen 11

het verbruik en broeikasgasemissies voor benzine 1.16 MJ/MJ brandstof en 13.2 g CO2/MJ brandstof en voor diesel 1.12 MJ/MJ brandstof en 10.4 g CO2/MJ brandstof. 6

5

MJ/MJ

4

3

2

1

gi on aa l

l C G

H 2/ w in

d/ re

T/ re gi

on aa

al gi on a

C

G

C G

H

2/

EU

H 2/ CC G

m ix

/re

w in d/ o

nsi te

te C G H 2/

T/ on -s i

te nsi C G

H 2/ C C G

/o m ix

C G H

2/

LH 2/

LH 2/

EU

W in d/

G C C

ce nt ra

en tr a T/ c

en tr a /c m ix EU LH 2/

al

al

al

0

Productiecyclus

Figuur 1: Energieverbruik (MJ per MJ waterstof) voor verschillende productiecycli op basis van elektrolyse zoals berekend in de GM-studie3

GHG-emissies (g CO2eq/MJ)

250

200

50

Belgische mix

100

Belgische mix

Belgische mix

150

gi on aa l

l

d/ re H 2/ w in

C G

H 2/ CC G

T/ re gi

on aa

al gi on a C G

C

G

H

2/

EU

m ix

/re

w in d/ o

nsi te

te C G H 2/

C G

H 2/ C C G

T/ on -s i

te nsi /o m ix EU

2/ C G H

W in d/ LH 2/

G C C LH 2/

ce nt ra

en tr a T/ c

en tr a /c m ix EU LH 2/

al

al

al

0

Productiecyclus

Figuur 2: GHG-emissies (gCO2eq per MJ waterstof) voor verschillende productiecycli op basis van elektrolyse zoals berekend in de GM-studie3

12

Uit bovenstaande blijkt dat de productie van waterstof door elektrolyse op basis van windenergie het best scoort (dwz minst energieverlies en laagste broeikasgasemissies). In de geciteerde studie is men ervan uitgegaan dat de efficiëntie van de elektriciteitsproductie op de windkrachtcentrale 100% bedraagt. Dit is een te optimistische inschatting; in andere bronnen wordt een efficiëntie van slechts 30% gegeven.2 Verder is duidelijk dat elektrolyse, indien niet gebeurt op basis van hernieuwbare energie, zeer energie-intensief is (zoals reeds eerder werd aangehaald). Algemeen kunnen we stellen dat indien de elektrolyse gebeurt met hernieuwbare energie (eventueel van verafgelegen gebieden), deze manier van waterstofproductie een interessante optie is. Dit wordt bevestigd door de VTT-studie4, waarin gesteld wordt dat waterstofproductie door elektrolyse op grote schaal technologisch nog verder verbeterd kan worden en daarnaast gebruik kan maken van hernieuwbare energie op meer afgelegen plaatsen zoals zonneenergie, geothermische energie (in IJsland) en windenergie (in Noorwegen) . Verder blijkt uit de GM-studie dat regionale en on-site productie beter scoren dan centrale productie. Verbruik en GHG-emissies zijn bijna gelijk voor on-site en regionale productie waarbij de waterstof over max. 50 km getransporteerd wordt via pijpleiding. In de Canadese studie7 worden eveneens een aantal productiepaden van waterstof door elektrolyse onderzocht. Deze zijn decentrale elektrolyse op basis van windenergie, waterkracht, nucleaire energie, aardgas en steenkool. De conclusies uit deze studie zijn de volgende: Windkrachtgebaseerde elektrolyse heeft de laagste milieu-impact. Toch zijn er nog uitdagingen voor deze technologie in de kostprijs, beschikbaarheid en selectie van plaats voor windturbines. Elektrolyse op basis van waterkracht heeft eveneens zeer lage emissies. De impact van hydro-elektrische reservoirs op mens, fauna en flora is echter niet te verwaarlozen. Elektrolyse op basis van nucleaire energie scoort ook zeer goed met betrekking tot emissies. De problematiek van radioactief afval dient echter ook in beschouwing genomen te worden. Elektrolyse op basis van aardgas vertoont geen emissies bij het gebruik van het voertuig maar verhoogt de emissies bij productie van de brandstof in vergelijking met conventionele technologieën. Elektrolyse op basis van steenkool is zeer ongunstig voor de emissies. Productie-eenheden met capaciteiten van 1 kWel – 125 MWel zijn beschikbaar. De kostprijs van grote commerciële electrolyseurs bedraagt 250 – 500 €/kW. Kleinere zijn duurder (tot 5000 €/kW. De efficiëntie bedraagt 50-70%1 (of tot 85%2), afhankelijk van de grootte van de plant. Kleinere plants hebben doorgaans een lagere efficiëntie. De kostprijs per geproduceerde hoeveelheid waterstof werd hier niet weergegeven. Nieuw zijn de electrolyseurs die werken bij hogere drukken (tot 5 bar). De kostprijs hiervan is echter hoger. Elektrolyse kan gebruikt worden om op kleine schaal waterstof te maken om 1 of 2 voertuigen van brandstof te voorzien. Verschillende kleinschalige waterstofproductieeenheden zijn reeds betrokken in allerhande demonstratieprojecten voor het voorzien van waterstof voor een kleinschalige vloot.10

13

Figuur 3: Kleinschalige waterstofproductie (elektrolyse) voor personenwagens en bussen10 Vandenborre Hydrogen Systems11 is een Vlaams bedrijf (recent samengegaan met Stuart) en wereldleider in on-site en ‘op-vraag’ waterstofgeneratoren op basis van elektrolyse. Vandenborre Hydrogen Systems leverde in het kader van het CUTE-project (zie Hoofdstuk 5) waterstofproductie-eenheden op basis van elektrolyse (IMET elektrolyseur) voor tankstations in Barcelona, Amsterdam en Porto. IMET staat voor Inorganic Membrane Elecrolysis Technology. Deze technologie heeft volgens de fabrikant een zeer hoge efficiëntie van 3.9 kWh/Nm3 en kan zonder gebruik van een compressor gassen aanleveren bij een relatief hoge druk van 10 bar. Stuart leverde een tankstation aan de stad Stockholm dat in staat is zuivere waterstof te produceren, opslaan en verdelen op basis van elektrolyse van water. Het vullen van een bus zou zo snel gebeuren als het tanken van benzine. Het station zal geleverd worden in 2003 en zal in staat zijn 120 kg zuivere waterstof te genereren (elke bus heeft per dag 40 kg nodig). 3.1.2

Thermochemische reforming

Momenteel wordt het grootste deel van de waterstof geproduceerd uit fossiele brandstoffen aan de hand van verschillende thermochemische reformtechnieken.4 Hieronder worden de verschillende reformtechnieken besproken. Reforming is een chemisch proces waarbij H-houdende brandstoffen in de aanwezigheid van stoom en/of zuurstof worden omgezet in een H2-rijk gasmengsel. Wanneer dit proces wordt toegepast op een vaste brandstof spreekt men van vergassing (‘gassification’).

3.1.2.1 Stoomreforming De belangrijkste thermochemische reformtechniek momenteel is de stoomreforming van aardgas.4 Stoomreforming (STM) is de endotherme katalytische conversie van lichte koolwaterstoffen met waterdamp. Aardgas (of andere koolwaterstoffen) worden samengevoegd met stoom. Processen op industriële schaal worden normaal uitgevoerd bij temperaturen van 850°C en drukken van 2.5MPa. Air Products and Chemicals, de grootste producent van H2 gebruikt STM van aardgas als primaire methode om waterstof te produceren.

14

CnHm + n H2O → nCO + (n+m/2) H2 Stoomreforming wordt meestal gevolgd door de watergas-shift-reactie. CO + H2O → CO2 + H2 Deze behandeling verhoogt het waterstofrendement door de omzetting van CO en water in CO2 en waterstof. De CO2 wordt verwijderd (door adsorptie of membraanscheiding) uit het mengsel wat verder gezuiverd wordt om andere ongewenste componenten te verwijderen.1,4 De efficiëntie van STM bedraagt 70 tot 80%. De conversie-efficiëntie is beperkt door het endotherm karakter van de reactie waardoor een deel van de brandstof verbruikt wordt om de temperatuur te verhogen (± 15 – 20 % van de totale verbrandingswaarde van de brandstof).5 De kostprijs bedraagt ongeveer 40 eurocent/Nm3.1 Omgerekend komt dit overeen met 1.16 euro/L benzine-equivalent. Air Liquide geeft eveneens een prijs op van 40 – 50 eurocent /Nm3 indien de waterstof gecomprimeerd per truck wordt geleverd.12

3.1.2.2 Partiële oxidatie Partiële oxidatie bestaat er eveneens in koolwaterstoffen en stoom samen te voegen maar daarbij wordt ook zuurstof aan het mengsel toegevoegd. Bij partiële oxidatie wordt de brandstof zelf dus gedeeltelijk verbrand wat een verlies aan waterstof betekent. De reactie is exotherm. Zo wordt een synthesegas geproduceerd dat bestaat uit H2, CO en CO2. De relatieve verhoudingen van brandstof, zuurstof en water bepalen de opbrengst van reactieproducten. Onderstaande reactie stelt algemeen het proces voor: CnHm + x O2 + (2n – 2x –p) H2O → (n-p) CO2 + p CO + (2n – 2x – p + m/2) H2 Het gasmengsel kan dan verder omgezet worden in zuivere waterstof aan de hand van de water gas shift reactie zoals reeds vermeld onder stoomreforming. Meestal worden zware koolwaterstoffen gebruikt (bv. residuele olie uit de behandeling van ruwe olie). Partiële oxidatie kan ook gebeuren met cokes of steenkool, in dat geval spreekt men van vergassing.1,13 Het is belangrijk dat de juiste zuurstof/brandstof-verhouding wordt gekozen. Deze verhouding moet zo gekozen zijn dat reactie exotherm (voldoende zuurstof aanwezig) is maar dat niet teveel waterstof verloren gaan aan verbranding. Indien lucht gebruikt wordt zullen stikstofoxiden gevormd kunnen worden. Vaak wordt zuivere zuurstof gebruikt om deze NOx-vorming tegen te gaan.13 Een POX-reactor opereert bij temperaturen rond 1000°C of in een katalytische versie rond 700°C.1 De waterstofopbrengst bij partiële oxidatie is lager dan bij stoomreforming. Voor aardgas bedraagt de opbrengst voor STM en POX respectievelijk 0.503 en 0.377 kg H2/kg methaan. Stoomreforming vereist toevoegen van extra energie wat bij deze inschatting niet in rekening werd gebracht.4 De efficiëntie van het proces bedraagt ongeveer 50%.

15

De kostprijs bedraagt ongeveer 50 eurocent/Nm3. De kostprijs van partiële oxidatie uit steenkool bedraagt ongeveer 60 eurocent/Nm3. 1

3.1.2.3 Autotherme reforming Autotherme reforming is een combinatie van stoomreforming en partiële oxidatie. Door beide processen te combineren in één reactor kan de warmte geproduceerd bij POX gebruikt worden bij STM.

3.1.2.4 Vergelijking van thermochemische reformprocessen In de GM-studie werden een aantal productiemethoden van waterstof uit aardgas vergeleken. Hierbij werd een onderscheid gemaakt tussen de herkomst van het aardgas en de schaal waarop de productie gebeurt (centraal, on-site in tankstation). Centrale productie kan gebeuren met Russisch of Europese-mix aardgas. Voor de productie van gasvormig waterstof wordt aangenomen dat een stoomreformer gebruikt wordt met verlies van stoomwarmte. Bij de centrale productie wordt aangenomen dat de waterstof over een afstand van 50 km getransporteerd wordt via pijpleiding naar het tankstation. Bij de productie van vloeibare waterstof wordt een stoomreformer verondersteld die gebruik maakt van de exceswarmte in de stoomreformer voor elektriciteitopwekking. De geproduceerde elektriciteit wordt aangewend bij het vloeibaar maken van de waterstof. Voor de resterende benodigde energie voor de liquificatie wordt elektriciteit geproduceerd uit aardgas met CCGT. De reformer en liquificatieplant zijn steeds geïntegreerd in deze studie. Bij de productie van vloeibaar waterstof uit ‘remote gas’ wordt de waterstof over een afstand van 10200 km getransporteerd per schip gevolgd door een cryogeen transport per truck over een afstand van 500 km. Bij de productie uit Europees of Russisch aardgas dient het transport van waterstof slechts over een afstand van 300 km per truck te gebeuren. Onderstaande figuren geven het verbruik en de GHG-emissies van de vergeleken productiepaden in de GM-studie weer. Hieruit blijkt dat het verbruik en de GHG-emissies bij productie lager zijn voor de productie uit EU-mix aardgas in vergelijking met Russische of ‘remote gas’. De centrale productie van gasvormig waterstof uit Europees aardgas scoort beter dan de on-site productie en de centrale productie van vloeibaar aardgas. Dit is te wijten aan de hogere efficiëntie van de centrale plants en het verlies aan energie bij de liquificatie. In vergelijking met elektrolyse, ligt het energieverbruik lager voor deze reformprocessen. Ook de broeikasgasemissies liggen lager voor de reformproductieprocessen in vergelijking met de elektrolyse (rekening houdend met de Belgische elektriciteitsmix).

16

3

2,5

MJ/MJ

2

1,5

1

0,5

en tr a us si s

LH 2/

ch /c

re m ot e

al

al en tr a /c m ix EU

R

2/

LH 2/

LH

C G H 2/ EU m ix /o nsi te

C G

C G

H

2/

EU

H 2/ R us si s

m ix

ch /c

/c

en tr a

en tr a

al

al

0

Productiecyclus

Figuur 4: Verbruik (MJ per MJ waterstof) voor verschillende waterstofproductiecycli op basis van aardgasreforming onderzocht in de GM-studie3 200

GHG-emissies (g CO2eq/MJ)

180 160 140 120 100 80 60 40 20

re m ot e

en tr a ch /c us si s LH 2/

R

LH 2/

al

al en tr a /c m ix EU 2/ LH

C G H 2/ EU m ix /o nsi te

ch /c H 2/ R us si s C G

C G

H

2/

EU

m ix

/c

en tr a

en tr a

al

al

0

Productiecyclus

Figuur 5: GHG-emissies (gCO2eq per MJ waterstof) voor verschillende waterstofproductiecycli op basis van aardgasreforming onderzocht in de GM-studie3

17

In de Amerikaanse studie werden (naast andere brandstoffen) een aantal productiecycli van waterstof uit aardgas vergeleken. De bedoeling van deze studie was een aantal technologieën te vergelijken en daarom werd de impact van productie tot gebruik bekeken. De resultaten worden daarom weergegeven in g/km. In onderstaande figuur worden de emissies voor productie weergegeven zoals berekend voor de brandstofceltechnologie (zonder de impact van gebruik). Dit laat een relatieve vergelijking toe van deze productiecycli. Hieruit blijkt dat de centrale waterstofproductie beter scoort dan de productie in tankstations. Dit bevestigt de resultaten uit de GM-studie. De productie van vloeibaar waterstof uit aardgas scoort voor de meeste emissies tussenin maar voor SOx beter en voor PM10 en GHG-emissies slechter. In de vermelde studie werd nog een productiepad voor vloeibaar waterstof onderzocht waarbij niet aardgas als grondstof gebruikt werd maar wel het ‘fade gas’ (FG). Dit is het gas dat normaal afgefakkeld wordt bij raffinaderijen en zo een verlies betekent, vandaar de soms negatieve waarden.

18

energieverbruik (kJ/km), emissies (g/km), GHG (g CO2-eq /km)

180 GH2/centraal/aardgas GH2/tankstations/aardgas LH2/centraal/aardgas LH2/FG

160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20

energie (kJ/km)

VOS (mg/km)

CO (mg/km)

NOx (mg/km) PM10 (mg/km) Sox (mg/km)

GHG (g/km)

Figuur 6: Verbruik en emissies voor verschillende productiecycli van waterstof als brandstof voor brandstofcelvoertuigen6 Er moet hierbij opgemerkt worden dat de studie gebaseerd is op de Amerikaanse situatie en dit de impacts van vb. transport naar tankstations en productieplants kan beïnvloeden. In een andere Amerikaanse studie wordt een levenscyclusanalyse van waterstofproductie via NG stoomreforming uitgevoerd.14 In deze studie worden de GHG-emissies en andere emissies bekeken. Hierin wordt een conventionele stoomreformer beschouwd. De netto 19

energieratio (MJ H2 geproduceerd per MJ energieverbruik voor productie) berekend in deze studie bedraagt 0.66 ofwel 1.52 MJ/MJ H2 geproduceerd. De berekende GHG-emissies bedragen 11888g CO2eq per kg H2 geproduceerd. (Omgerekend met een onderste verbrandingswaarde van 119.972 kJ/kg komt dit neer op 99 g CO2/MJ H2) Beide waarden komen goed overeen met de Europese GM-studie (zie bovenstaande figuren). De andere emissies bedragen (in g/kg H2) 5.9 voor CO, 146.3 voor CH4, 12.6 voor NOx, 26.3 voor NMKWS, 2.0 voor PM 9.7 voor SOx. De emissies CO, CH4, NMKWS en NOx komen voornamelijk vrij bij de productie en transport van aardgas. Deeltjes worden in belangrijkste mate geproduceerd bij constructie en afbraak, daarnaast ook bij de productie en distributie van aardgas. Conclusie van deze studie is dat hoewel waterstof als schone brandstof aanzien wordt, het belangrijk is te onderkennen dat de productie (uit methaan via stoomreforming) een niet te verwaarlozen milieu-impact heeft. De vergelijking met andere productiepaden dient echter onderzocht. Emissies zijn sterk verschillend met deze uit de andere Amerikaanse studie; ze liggen een factor 10 tot 100 hoger. Een verklaring werd hiervoor niet gevonden. A. D. Little onderzocht de energie-efficiëntie en emissies van verschillende productiecycli van brandstoffen voor transport.15 In onderstaande figuur worden de resultaten van 3 productiecycli weergegeven. Voor elektrolyse werden verschillende scenario’s berekend: voor de gemiddelde Amerikaanse elektriciteitsmix, voor elektriciteitsproductie uit enkel kernenergie en enkel hernieuwbare energie. Er dient hier opgemerkt te worden dat de gemiddelde Amerikaanse elektriciteit voor bijna de helft wordt opgewekt uit steenkool, voor 18 % uit kernenergie, voor 17 % uit aardgas en 11 % uit waterkracht en andere hernieuwbare energiebronnen. Uit onderstaande figuur blijkt duidelijk dat elektrolyse voor wat betreft emissies de beste optie is indien de elektriciteit wordt opgewekt uit kernenergie (de problematiek van kernafval wordt hier niet beschouwd) of hernieuwbare energie. De emissies voor H2-productie uit elektrolyse met de Amerikaanse elektriciteitsmix liggen veel hoger dan voor STM uit aardgas en vergassing uit steenkool. Hierbij dient evenwel opgemerkt te worden dat de elektriciteitsmix in België er heel anders uit ziet: bijna 60% wordt geproduceerd door kerncentrales, 13% in STEG (Stoom-en gasturbines), 17% in klassieke thermische centrales (waarvan een 25% gevoed door aardgas, de overige hoofdzakelijk gestookt met steenkool), 6.5% uit warmtekrachtkoppeling en 1.8% wind- en waterkracht.16 Indien echter een belangrijke hoeveelheid waterstof via elektrolyse geproduceerd zou worden is het mogelijk dat nieuwe centrales nodig zijn om aan de stijgende energievraag te voldoen, in dat geval is een gemiddelde elektriciteitsmix voor België geen goede referentie.

20

1000

Emissies (g/GJ), CO2 (kg/GJ)

NG/STM 900

steenkool/vergassing electrolyse/Amerikaanse Mix

800

electrolyse/kernenergie electrolyse/hernieuwbare

700 600 500 400 300 200 100 0 CO2

SO2

NOx

CO *10

NMKWS *10

CH4

PM*5

Figuur 7: Emissies voor verschillende H2-productiemethoden, berekend voor de Amerikaanse situatie volgens A. D. Little15 In de Canadese studie wordt centrale en decentrale waterstofproductie uit aardgas De belangrijkste conclusie uit de Canadese LCVA studie is dat vergeleken.7 brandstofcelvoertuigen op waterstof gevormd via elektrolyse met hernieuwbare elektriciteit de grootste opportuniteit vormen om de negatieve milieu-impact van voertuigen en brandstoffen te verminderen (zoals hierboven reeds werd aangegeven). Het nadeel is echter dat de kostprijs nog hoog is met de huidige maturiteit van de technologie. Indien geen hernieuwbare energie voorhanden is blijkt - volgens deze studie - STM de meest milieuvriendelijke bron van waterstofproductie. De belangrijkste hinderpalen zijn de distributie voor centrale eenheden (Canadese situatie) en operationele aspecten voor decentrale eenheden. Verwacht wordt dat de efficiëntie voor de decentrale productie zal verbeteren resulterend in een reductie van de levenscyclus emissies. De decentrale STM wat nog een prototype is - heeft een lager verbruik van aardgas (-8%) maar een hoger elektriciteitsverbruik (+47%) dan de meeste commerciële grootschalige productie-eenheden. Resulterend liggende levenscyclus emissies enkele procenten lager (waterkracht voor elektriciteitsproductie) tot een 20% hoger (steenkool voor elektriciteitsproductie) voor de decentrale productie; afhankelijk van de energieproductie voor de regio die werd beschouwd in de studie. Het gebruik van vloeibare waterstof vereist een aanzienlijke toename van elektriciteit (5.4 keer meer volgens de studie) in vergelijking met gasvormig waterstof (700 bar). Het effect op de emissies wordt bepaald door de wijze waarop de elektriciteit geproduceerd wordt en is verschillend voor de verschillende regio’s. Voor de regio waar de elektriciteit hoofdzakelijk geproduceerd wordt uit steenkool verhogen de emissies met meer dan 60% terwijl in de regio waar waterkracht de voornaamste elektriciteitsbron is de emissies met maar 1% toenemen. Deze studie toont het belang aan van de oorsprong van de elektriciteit in de vergelijking van verschillende waterstofproductiecycli, zelfs als het niet gaat om elektrolyse. 21

Momenteel loopt er een Europees project waarin een technologie ontwikkeld wordt om waterstof in tankstations te produceren uit aardgas, gebruik makend van het aanwezige aardgasdistributienetwerk.17 Dit project is sinds enkele maanden gestart en loopt tot en met 2005. 3.1.3

Waterstof uit biomassa

In de IEA-studie worden een aantal productiepaden van waterstof uit biomassa onderzocht.18 In de GM studie worden ook een aantal productiepaden van waterstof uit biomassa geëvalueerd. Deze zijn: de productie van CGH2 uit zowel houtafval als gecultiveerd hout via allotherme vergassing. Hierbij wordt verondersteld dat het hout over een afstand van 50 km getransporteerd wordt en het geproduceerde waterstof via een pijpleiding over een afstand van 10 km wordt getransporteerd tot het tankstation. Twee scenario’s met een verschillende capaciteit van de productieplant (2.5 en 10 MWth) worden vergeleken. Ook de productie van CGH2 uit organisch afval via fermentatie tot methaan en methaanreforming wordt in deze studie beschouwd. Hierbij wordt verondersteld dat geen extra transport vereist is voor het ophalen van het afval en dat de methanol via pijpleiding (Vb. via aardgasleiding) wordt getransporteerd naar het tankstation, waar het ter plaatse wordt omgezet in waterstof. De resultaten uit deze studie geven aan dat de verschillende processen vergelijkbaar zijn naar energie-efficiëntie. De grotere productie-eenheden scoren iets slechter en de waterstofproductie uit organisch afval heeft het hoogste energieverbruik. Voor de GHGemissies scoort deze laatste dan weer het best. Verder blijkt dat de GHG-emissies uit gecultiveerd hout veel hoger liggen dan uit houtafval. Tot slot kunnen we opmerken dat voor de productie van waterstof uit biomassa de GHG-emissies lager liggen dan voor de productie uit aardgas of via elektrolyse uit niet-hernieuwbare elektriciteit. Het energieverbruik is vergelijkbaar met reforming maar ligt lager dan voor elektrolyse.

22

3

2,5

MJ/MJ

2

1,5

1

0,5

C G

H

l C G

H

2/

C G H2

/h

or ga ni s

ou t/2

ch

,5 M

af va

W

W 0M C G H 2/ ho ut /1

2/

C G H 2/

ho ut af

ho ut a

fv a

va l/2

l/ 1

,5

M

0M

W

W

0

Productiecyclus

Figuur 8: Verbruik (MJ per MJ waterstof) voor verschillende productiecycli van waterstof uit biomassa onderzocht in de GM-studie

GHG-emissies (g CO2eq/MJ)

30

25

20

15

10

5

l 2/ H C G

C G H2

/h

or ga ni s

ou t/2

ch

,5 M

af va

W

W 0M C G H 2/ ho ut /1

ho ut af 2/ H C G

C G H 2/

ho ut a

fv a

va l/2

l/ 1

,5

M

0M

W

W

0

Productiecyclus

Figuur 9: GHG-emissies (gCO2eq per MJ waterstof ) voor verschillende productiecycli van waterstof uit biomassa onderzocht in de GM-studie

23

De productie van waterstof uit biomassa staat momenteel nog in een ontwikkelingsfase. Verschillende onderzoeksprojecten zullen de komende jaren worden uitgevoerd om de mogelijkheden te bestuderen. Van belang is om ook het potentieel binnen Vlaanderen te evalueren. 3.1.4

Conclusie

In verschillende levenscyclusanalyses uit de literatuur werden een aantal opties voor de productie voor waterstof bestudeerd. In deze conclusie worden de belangrijkste bevindingen samengevat. Voor verbruik (MJ/MJ) en broeikasgasemissies scoort reforming uit aardgas beter dan elektrolyse (rekening houdend met de Belgische elektriciteitsmix). De impact van waterstofproductie via elektrolyse hangt af van de wijze waarop de elektriciteit wordt opgewekt. Elektrolyse is zeker interessant indien gebruik gemaakt wordt van hernieuwbare energie. Zo werd de productie van waterstof op basis van elektrolyse met windenergie in verschillende studies onderzocht en scoorde steeds zeer goed naar milieuimpact. Waterstof geproduceerd op basis van elektrolyse heeft een hogere zuiverheid, terwijl waterstof geproduceerd via stoomreforming onzuiverheden bevat. De kostprijs voor elektrolyse ligt hoger. De productie van waterstof uit biomassa heeft een groot potentieel maar bevindt zich momenteel nog in een ontwikkelingsfase. In een eerste introductiefase zijn eerder kleinschalige productie-eenheden vereist. Kleinschalige eenheden op basis van elektrolyse zijn reeds beschikbaar en kunnen onmiddellijk ingezet worden om waterstofinfrastructuur uit te bouwen. Kleinschalige stoomreformers daarentegen zijn nog niet commercieel.8 Wanneer waterstof verder doorbreekt kan het op grotere schaal geproduceerd worden. Grootschalige productie heeft veelal een betere efficiëntie en lagere milieu-impact. Zowel stoomreformers als elektrolyseurs geschikt om waterstof op grote schaal te produceren. De productie op basis van reformers zou goedkoper zijn in vergelijking met elektrolyse. Indien grootschalige waterstofproductie vereist is zal daarom stoomreforming belangrijk worden. De CO2 zou opgeslagen kunnen worden om zo de milieu-impact te verkleinen. De milieu-impact van waterstofproductie uit elektrolyse is enkel klein indien gebruik gemaakt wordt van hernieuwbare elektriciteit. De vraag die zich stelt is of bij een toename van de vraag nog voldoende ‘groene stroom’ geleverd kan worden. Mogelijk worden in de toekomst beide productiemethoden gebruikt. De productie van waterstof is momenteel nog vrij duur: meer dan 1 € per liter benzineequivalent.

3.2 Waterstofproductie aan boord van het voertuig4 Volgens de meeste experten zal de opslag van waterstof in het voertuig de meest waarschijnlijk lange-temijn optie zijn voor het gebruik van waterstof in mobiele toepassingen. Waterstof wordt - zoals hierboven werd besproken - geproduceerd in centrale productie-eenheden of on-site waar getankt wordt. Een alternatief is waterstof te produceren via een reformer aan boord van het voertuig. De productie van waterstof aan boord van het 24

voertuig heeft het voordeel dat een gebruik mogelijk is onafhankelijk van de aanwezigheid van waterstofinfrastructuur. De opbouw van deze waterstofinfrastructuur is duur en momenteel nog onbestaande. In dit deel wordt de on-board-productie van waterstof besproken voor benzine, methanol, ethanol, aardgas, diesel, synthetische brandstof en ammoniak als reformbrandstof. 3.2.1

Reformers

Vele prototype-brandstofcelvoertuigen gebruiken momenteel nog een reformer aan boord van het voertuig. Voor voertuigen zijn de meest belangrijke processen4 · Stoomreforming (STM) · Partiële oxidatie (POX) · Autothermal reforming (ATR), een proces dat een combinatie is van STM en POX Mogelijkheden voor brandstof zijn benzine, diesel, methanol, ethanol, DME (Dimethylether) en aardgas. Verschillende fabrikanten van brandstofceldemonstratievoertuigen (zoals GM, Daimler Chrysler, Toyota en Nissan) kiezen voor STM van methanol voor de productie van waterstof aan boord van het voertuig. De efficiëntie van POX is kleiner dan van STM omdat een deel van brandstof reageert met zuurstof. Door het exotherm karakter van de reactie zou deze wel sneller reageren op variabele belasting. Epyx corporation’s (nu Nuvera) multi-fuel processor is een voorbeeld van on-board reformer op basis van POX. Johnson Matthey heeft een “Hot Spot” reformer voor de productie van waterstof aan boord van een voertuig. Deze reformer start met POX tot een bepaald niveau van waterstof bereikt is en dan wordt de reactie autotherm. Ook de Fuel Flexible Fuel processor van Hydrogen Burner Technologies gebruikt autotherme reacties omwille van hun lagere temperatuur en hogere efficiëntie.5 3.2.2

Brandstofopties voor on-board reforming

Hieronder worden een aantal brandstofopties voor waterstofproductie in de reformer besproken. Tussen verschillende experten is momenteel nog geen consensus over welke brandstof de beste optie is voor on-board productie in het voertuig. In de NAVC-studie19 werden een aantal experten ondervraagd over de brandstofceltechnologie en infrastructuur. Hieruit bleek dat er onder de experten geen consensus was over de reformbrandstof voor on-board reforming. Daarnaast werd door verschillende experten geopperd dat de globale brandstofkeuze voor brandstofcelvoertuigen regionaal zou kunnen verschillen, afhankelijk van de beschikbaarheid van ‘feedstock’. Waterstofextractie, energiedichtheid, on-board efficiëntie, well-to-wheel efficiëntie, hernieuwbaarheid, kostprijs, veiligheid en toxiciteit, brandstofcelcompatibiliteit (niet vergiftigen van katalysator in de brandstofcel) zijn belangrijke karakteristieken van de brandstofceloptie die in overweging genomen moeten worden om de geschiktheid na te gaan.

25

Waterstof moet gemakkelijk uit de waterstofdrager gevormd kunnen worden. Hiervoor moet eenvoudige, lichte, compacte en goedkope hardware volstaan. Bovendien mag de opstarttijd niet te lang zijn en moet de dynamische respons voldoende snel zijn.20 De energiedichtheid van de drager is ook belangrijk. Hoe meer waterstof gevormd kan worden per volume- en massa-eenheid drager, hoe meer geschikt als H2-drager. De efficiëntie van de waterstofproductie aan boord van het voertuig is zeer belangrijk. De energie-inhoud van de waterstofdrager is best geconcentreerd in de waterstofbindingen (en niet in vb. C-bindingen). Daarnaast is het ook belangrijk dat de energie nodig voor extractie van waterstof zo laag mogelijk is. Hetgeen uiteindelijk belangrijk is, is de ‘well-to-wheel’efficiëntie. De ‘well-to-wheel’-efficiëntie is de hoeveelheid energie die overgebracht wordt op het voertuig van de initiële hoeveelheid energie van de energiebron. De hernieuwbaarheid van de energiebron is eveneens belangrijk. Ook toxiciteit en veiligheid moeten in overweging genomen worden. De elektrodes van een brandstofcel zijn gedeeltelijk vervaardigd uit katalytische materialen die de neiging hebben om te reageren met andere componenten dan waterstof en zuurstof. Dit kan leiden tot langzame destructie van de elektrodes. Voorbeelden zijn CO, zwaveloxiden en bepaalde koolwaterstoffen. Deze moeten verwijderd worden uit de H2toevoer wat vaak leidt tot een verhoging van de complexiteit, hoger gewicht en toegenomen kostprijs.

3.2.2.1 Methanol Methanol wordt door vele experten beschouwd als een van de meest geschikte brandstoffen voor on-board reforming. Methanol is een eenvoudig molecule met een hoge H/Cverhouding. STM kan voor zuivere methanol gebeuren bij relatief lage temperaturen van 200-250 °C. Methanol reformers zijn reeds gebruikt in kleine personenwagens en onderzoekers richten hun aandacht momenteel op opstart en transiënte respons, verlagen van de kost en thermische integratie in de volledige brandstofcel. 21 Volgens experten heeft de reformertechnologie van methanol een paar jaar voorsprong op de reformertechnologie van benzine. Verschillende experten beweren dat de commerciële introductie van brandstofcelvoertuigen sneller zou gebeuren met methanol als reformbrandstof in vergelijking met andere vloeibare brandstoffen. Volgens een constructeur is methanol enkel in zijn zuivere vorm gemakkelijker om te zetten in waterstof (in vergelijking met benzine). Indien er onzuiverheden aanwezig zijn in methanol zijn hogere temperaturen nodig zodat een technologie nodig is die niet veel meer verschilt van de benzinereformer. De transiënte responstijd voor een methanolreformer zou bovendien trager zijn dan een benzinereformer zodat een grotere batterij nodig is om te voldoen aan snelle acceleratie. Dit is de mening van 1 bepaalde constructeur. In de meeste landen - waaronder ook België - is geen methanoltankinfrastructuur voorhanden. Dit betekent dat deze infrastructuur uitgebouwd moet worden. Het uitbouwen van een infrastructuur voor methanol kan aan de bestaande tankstations gebeuren zodat de kost beperkter blijft dan het uitbouwen van een ganse waterstofinfrastructuur. Bovendien is de distributie van vloeibare brandstoffen gemakkelijker dan voor gasvormige brandstoffen.

26

Methanex Corp. is op wereldschaal de grootste producent en leverancier van methanol. In een SAE-paper21 bespreken zij de technische aspecten in relatie met de wijdverspreid gebruik van methanol. Hun belangrijkste bevindingen worden hieronder weergegeven. ·

Beschikbaarheid van de grondstoffen

Methanol wordt hoofdzakelijk geproduceerd uit aardgas. Methanol wordt beschouwd als een effectieve manier om aardgas uit verafgelegen gebieden naar de markt te brengen. Momenteel is het gebruik van methanol in de energiesector echter zeer beperkt. Geschat wordt dat een verhoging van de wereldwijde aardgasproductie met 1%, voldoende methanol moet kunnen produceren om 3% van alle voertuigen op waterstof te laten rijden. Hernieuwbare bronnen zoals biomassa kunnen ook gebruikt worden als basismateriaal. Methanol kan geproduceerd worden uit houtafval, afvalwater, huishoudafval, plastiekafval, enz. De technologische haalbaarheid voor de meeste van deze opties werd reeds bewezen maar verdere ontwikkeling is nodig om deze processen commercieel beschikbaar te maken. ·

Productie van methanol en CO2-emissies

Indien waterstof aan boord van het voertuig geproduceerd wordt uit methanol, moeten ook de emissies die vrijkomen bij methanolproductie in rekening gebracht worden. Het overgrote deel van methanol wordt geproduceerd uit aardgas door stoomreforming. Aardgas en stoom worden in aanwezigheid van een katalysator omgezet in H2, CO en CO2. Deze gassen worden dan gekoeld en gecomprimeerd en vervolgens in de methanolsynthesereactor omgezet in ruwe methanol. De ruwe methanol wordt tenslotte gedestilleerd tot zuivere methanol (>99.95%). De overmaat waterstof bij de methanolsynthese wordt meestal gerecycleerd om extra warmte te voorzien nodig voor de endotherme stoomreforming. Een ander methode is CO2 injectie. Door de CO2-injectie wordt de thermische efficiëntie van het proces verhoogd en de CO2-emissies verlaagd. Andere methoden voor de productie van methanol zijn autotherme reforming of gecombineerde reforming. Bij autotherme reforming wordt de benodigde warmte voor de endotherme STM reactie gegenereerd door rechtstreekse verbranding van aardgas. Het gasmengsel heeft dan een overmaat van CO2 zodat ofwel waterstof moet toegevoegd worden ofwel CO2 verwijderd worden. Bij de gecombineerde reforming wordt een STM reformer gevolgd door een ‘oxygen fired’ secundaire reformer. De bedoeling is om een optimaal mengsel te verkrijgen voor de methanolproductie. De huidige methanolproductieprocessen bereiken een koolstofefficiëntie van 78 – 88%. Dit resulteert in CO2-emissies van 380 tot 180 kg CO2/ton methanol geproduceerd. De energieefficiëntie van bestaande methanolproductieprocessen bedraagt 64 tot 72% (op basis van HHV). Verwacht wordt dat toekomstige technieken de CO2-uitstoot verder zullen verminderen (tot 150 kg/ton methanol) en de energie-efficiëntie zullen verbeteren. Volgens andere bronnen20 is de efficiëntie van methanolreforming 80% (theoretisch 85%) en heeft ethanol een waterstofenergiedichtheid van 16 MJ/kg en 12.8 GJ/m3.

27

In termen van investeringen is voor kleinere productieplants stoomreforming de meest aangewezen methode terwijl voor grotere productie-eenheden reforming op basis van zuurstoftoevoeging meer aangewezen zijn. XCELLSiS werkt momenteel aan een volgende generatie brandstofprocessor dat een katalysator gebruikt in plaats van stoom om methanol te splitsen in waterstof. Deze nieuwe technologie zou een betere opstarttijd en dynamische respons hebben en is bovendien veel kleiner en weegt de helft van de vorige reformereenheid.5 ·

Distributie van methanol

Methanol is een vloeistof bij kamertemperatuur en atmosferische druk en wordt momenteel grotendeels op dezelfde manier verdeeld als de andere petroleumproducten. De enige vereiste is ervoor te zorgen dat methanolcompatibele materialen gebruikt worden. Hiervoor kan een beperkte aanpassing aan de bestaande apparatuur nodig zijn waarvoor de ervaring voorhanden is binnen de methanolindustrie. De kost om methanoldistributie uit te breiden voor bestaande tankstations wordt geschat op gemiddeld 45000€ per tankstation. Andere studies5 schatten de kostprijs op 45000 – 90000 €. ·

Zuiverheid en additieven

Methanol is een puur product. Volgens de specificaties moet commerciële methanol een zuiverheid hebben van > 99.85%. De belangrijkste onzuiverheden met betrekking tot brandstofceltoepassingen zijn water, zwavel, chlorides en ijzer. Volgens de specificaties ligt het gehalte van deze onzuiverheden onder respectievelijk 0.1%, 0.5 ppm, 0.5 ppm en 0.1 ppm. De gehaltes van zwavel, ijzer en chlorides zijn verwaarloosbaar aan de productieplant maar de gedefinieerde specificaties zijn opgesteld om potentiële contaminatie bij het transport te beperken. Daarom wordt methanol meestal getransporteerd in voor methanolspecifieke systemen. Commercieel beschikbare methanol werd reeds getest in brandstofcellen en er werd geen negatieve invloed op de performantie vastgesteld. Het is mogelijk dat bepaalde additieven toegevoegd zullen worden om de veiligheid te verzekeren. Welke additieven dit zijn is nog niet duidelijk, noch hun effect op de performantie van de brandstofcel. ·

Effect van methanol op het milieu

Methanol is in vergelijking met benzine een meer milieuvriendelijke brandstof . Methanol is biologisch afbreekbaar en zou een lagere toxiciteit hebben voor mensen. Methanol komt ook voor in het milieu waar het in biologische processen door vegetatie, micro-organismen en andere species geproduceerd wordt.

3.2.2.2 Benzine Een andere optie als reformerbrandstof is benzine. Benzine kan gereformd worden door POX, ATR en STM. Al deze reformers moeten gevolgd worden door een watergas shift reactor om de CO te verwijderen uit het waterstofmengsel. De productie van waterstof uit benzine in een reformer is moeilijker dan uit methanol. De reformreactie treedt op bij een 28

temperatuur van 850-1000°C. Deze hoge reformtemperatuur is een grote technische uitdaging (vooral naar thermisch management). Hoewel dit proces routine is in chemische plants, vraagt het toch een hele inspanning om het ‘onder de motorkap’ te brengen. ·

Reformertechnologie en efficiëntie

De waterstof-energiedichtheid bedraagt 35.8 MJ/kg of 26.8 MJ/m3 De theoretische energieefficiëntie voor POX bedraagt 81% terwijl praktisch een efficiëntie van 70% kan worden bereikt. Andere benzinereformtechnieken bereiken ongeveer dezelfde praktische efficiënties. XCELLSIS werkt momenteel samen met Shell aan een benzinereformertechnologie. Ook GM en ExxonMobil hebben recent aangekondigd samen een benzinereformer te ontwikkelen. Hun doelstelling is een reformer met een efficiëntie van 80% te ontwikkelen. ·

Beschikbaarheid

Het voordeel van benzine is dat het beschikbaar is en dat het productie- en distributienetwerk voldoende uitgebouwd zijn zodat hier geen investeringen van infrastructuur vereist zijn. Dit zou vooral in een eerste fase geschikt kunnen zijn. Het zou de overgang van benzine-ICE gebaseerd transport naar H2-brandstofcel gebaseerd transport kunnen vergemakkelijken. De vraag die zich hier echter stelt is of de commercieel beschikbare benzine de juiste samenstelling heeft om te gebruiken in de reformer. Onzuiverheden zoals zwavel zouden het katalytisch materiaal in de brandstofcel kunnen beschadigen. Ook het aromaatgehalte is een belangrijke karakteristiek in deze context. Indien de samenstelling van de beschikbare benzine niet voldoet zal toch extra tankinfrastuctuur moeten voorzien worden. De normen die opgelegd worden aan benzine worden steeds strenger zodat we steeds dichter komen bij de vereiste samenstelling voor brandstofcellen. Zo bestaat er momenteel een Europees wetsvoorstel dat zwavelvrije (< 10 ppm) brandstof (benzine en diesel) beschikbaar moet zijn in 2005 en de volledige introductie voorziet in 2009.22 ·

Effect van benzine op het milieu

Benzine is een vloeistof met een kookpunt van 125 °C en een zelfontbrandingstemperatuur van 450°C en is explosief voor kleine concentraties in lucht. Het is niet dodelijk toxisch bij inademing hoewel het kanker kan veroorzaken bij veelvuldig inademen. 20 Een recente SAE-publicatie (SAE 2002-01-0094) wordt de vergelijking gemaakt van direct gebruik van waterstof en waterstofproductie aan boord (uit methanol en benzine) via een reformer. De bevindingen worden verder besproken.

29

3.2.2.3 Ethanol ·

Productie van ethanol

De helft van de industriële ethanol wordt geproduceerd door fermentatie van suikers met enzymen aanwezig in gist. Na de fermentatie wordt de ethanol geconcentreerd door destillatie. De alcohol die niet bestemd is voor dranken wordt geproduceerd door synthese uit acetaldehyde of uit ethyleen. Het is duidelijk dat om hernieuwbaar te zijn de ethanol geproduceerd moet worden door fermentatie.20 Er bestaat nog onduidelijkheid over het effect op de CO2-emissies. Door bepaalde experten wordt beweerd dat indien ethanol wordt gemaakt van gewassen waarbij meststoffen zijn gebruikt, de CO2-emissies hoger zijn. De distributie kan gebeuren via de bestaande infrastructuur mits kleine aanpassingen. De kostprijs voor ethanol is echter een hinderpaal volgens bepaalde experten. ·

Reforming

Over het gebruik van ethanol als bron van waterstof voor on-board productie is weinig bekend. Waarschijnlijk te wijten aan de nadelen in vergelijking met methanol of alkanen.20 In de meeste WTW-studies wordt ethanol als waterstofbron niet beschouwd. Ethanol vereist hogere temperaturen voor reforming in vergelijking met methanol. Bovendien wordt bij de reforming CO gevormd, wat verwijderd moet worden via watergas shift. Over het gebruik van ethanol als waterstofbron zijn de meningen van de experten verdeeld, hoewel de meeste van mening zijn dat ethanol geen goed alternatief is voor benzine of methanol voor on-board reforming.5 De reforming efficiëntie van ethanol zou -volgens een vertegenwoordiger van de ethanolindustrie- beter zijn dan voor benzine. Ethanol is minder toxisch dan methanol en benzine. Op basis van beperkte literatuur kan geconcludeerd worden dat ethanol niet de meest geschikte reformbrandstof is.

3.2.2.4 Aardgas Aardgas (of methaan) is ook mogelijk als reformbrandstof. De reforming van aardgas vereist ook hogere temperaturen zoals voor benzine. Het nadeel van aardgas is dat het een gas is bij atmosferische condities. Dit betekent dat het onder druk of in vloeibare vorm moet opgeslagen worden in het voertuig. Daarom is het geen geschikte reformbrandstof omdat deze het totale gewicht en de complexiteit van het systeem nog verder verhoogt. Omwille van de hogere efficiëntie van de FC in vergelijking met de verbrandingsmotor zou evenwel een kleinere tank nodig zijn. Toch is het meest waarschijnlijk dat indien men kiest voor de opslag van gas aan boord van het voertuig dit eerder waterstof zal zijn. De uitbouw van het aardgasdistributienetwerk is sterk verschillend van land tot land. In België is dit niet voldoende uitgebouwd. Momenteel wordt waterstof op grote schaal voornamelijk gevormd uit aardgas. momenteel geen reden om on-board reforming toe te passen op aardgas.

30

Er is

3.2.2.5 Synthetische brandstof Synthetische brandstoffen kunnen ook gebruikt worden in een reformer. Deze brandstoffen worden gemaakt uit aardgas en hebben het voordeel dat ze geen zwavel en aromaten bevatten. Het gebruik van synthetische brandstoffen betekent echter dat een extra stap wordt toegevoegd aan het productieproces van waterstof. In plaats van rechtstreekse vorming van waterstof uit aardgas wordt in dit geval eerst een synthetische brandstof gemaakt welke dan in een reformer wordt omgezet in waterstof. Het voordeel is dat het een vloeistof is welke een gemakkelijke distributie en opslag aan boord toelaat.

3.2.2.6 Diesel Diesel is van alle vloeibare brandstoffen de moeilijkste om te reformen en daarom commercieel niet haalbaar. Een ander belangrijk probleem is het zwavelgehalte in de dieselbrandstof. Met de komende strengere reglementering van het zwavelgehalte22 van diesel is dit echter geen punt meer. Conclusie is dat diesel momenteel niet geschikt wordt bevonden als reformbrandstof.5

3.2.2.7 Andere (ammoniak) In een recente studie20 werd de geschiktheid van verschillende waterstofdragers voor brandstofcellen voor mobiele toepassingen onderzocht. Volgens de onderzoekers zijn de meest geschikte dragers methanol en ammoniak. Methanol heeft van beide de beste well-towheel efficiëntie (zie hierboven). Een andere optie die naar voor wordt geschoven is het gebruik van ammoniak (NH3) als waterstofdrager.20 Stikstof is het element dat het dichtst bij koolstof staat en in staat is waterstofatomen te binden. Ammoniak is de eenvoudigste verbinding van stikstof met waterstof en wordt veel gebruikt in de industrie, voornamelijk als basis voor meststoffen. Ammoniak wordt geproduceerd uit waterstof en stikstof volgens het Haber-Bosh proces. In dit proces wordt een stoichiometrisch mengsel van stikstof en waterstof op hoge druk en temperatuur gebracht in aanwezigheid van een katalysator. N2 + 3 H2 → 2 NH3 De efficiëntie van dit proces bedraagt 88%. Ammoniak kan vloeibaar gemaakt worden door compressie tot 8.5 atm of cryogeen bij -33°C. Bij deze condities heeft ammoniak als drager een waterstof-energiedichtheid van 21 MJ/kg en 12.9 GJ/m3 (bij 8.5 atm en 20 °C) en 21 MJ/kg en 14.4 GJ/m3 (bij 1 atm en -33°C). Cryogeen ammoniak heeft een hogere energiedichtheid per volume maar daarnaast enkele nadelen verbonden aan het opslaan van een vloeistof bij lage temperaturen zoals boil-off en gewicht en volume van de thermische isolatie die nodig is. Voor de opslag van ammoniak bij hoge druk is de constructie van een tank echter geen probleem (hierbij kan gebruik gemaakt worden van de analogie met propaan in relatie met de thermodynamische eigenschappen). De technologie van propaan kan gebruikt worden en aangepast aan ammoniak. Daarnaast zijn extra voorzieningen nodig om lekkage te vermijden bij het (ont)koppelen bij het tanken. Ammoniak is schadelijk (25 – 100 ppm) en zelfs dodelijk (1000 ppm) bij zeer hoge concentraties. Het is echter detecteerbaar bij zeer lage concentraties (1 ppm). Dit verschil

31

tussen detecteerbaarheid en de dodelijke concentraties is belangrijk naar veiligheidsaspecten. Ammoniak heeft veilige limieten voor ontvlambaarheid: de zelfontbrandingstemperatuur bedraagt 650 °C (ter vergelijking voor benzine: 450°C). Verder heeft het een zeer nauwe explosierange: 15 – 28 %. Het ‘kraken’ van ammoniak is een snelle reactie. Verwacht wordt dat de opwarmtijd veel lager is dan voor reformers en bovendien zijn de dynamische karakteristieken veel beter. De ammoniakkraker is zeer eenvoudig en vereist geen duur katalytisch materiaal. Omdat de temperatuur relatief laag is wordt geen vorming van stikstofoxiden verwacht. Verder is het ook duidelijk dat geen CO en zwaveloxiden uitgestoten worden bij het kraken van ammoniak. Het is echter wel mogelijk dat residuele ammoniak de zuurbrandstofcel (PEM of PAFC) vergiftigt. De on-board efficiëntie bedraagt 80% (PEM-brandstofcel en kraken bij 900°C) tot 100% (hoge-temperatuurbrandstofcel en gebruik van de uitlaatwarmte voor kraken). De well-towheel efficiëntie is echter moeilijker te bepalen omdat veel bepaald wordt door de wijze waarop waterstof gebruikt in de ammoniaksynthese gevormd wordt. Ammoniak is vanuit milieupunt een valabele optie indien de waterstof gevormd wordt uit een hernieuwbare energiebron. In dit geval is de efficiëntie van waterstofproductie niet belangrijk maar wel de productiekost. Hoewel het idee om ammoniak als brandstof voor brandstofcellen te gebruiken niet nieuw is, heeft deze optie nog maar weinig aandacht gekregen en zullen in de toekomst onderzoeksinspanningen nodig zijn om de efficiëntie van de ammoniakketen (synthese, transport, opslag en kraken) te optimaliseren en de veiligheid met betrekking tot het gebruik als brandstof te verbeteren. 3.2.3

On-board versus off-board waterstofproductie26

Het gebruik van een reformer aan boord van het voertuig verhoogt de complexiteit van de technologie in het voertuig. Alle reformertechnologieën omvatten complexe subsystemen voor shiftreacties, waterhergebruik en thermisch management. Deze verhogen de kostprijs, complexiteit en gewicht in het voertuig. Er bestaan kleine verschillen in complexiteit en kostprijs tussen de verschillende reformertechnologieën. Bij het aanmaken van waterstof in een reformer wordt waterstof verdund gebruikt wat resulteert in een lagere efficiëntie van de brandstofcel, een grotere brandstofcel en hogere bijhorende kost. Indien waterstof gemaakt wordt uit koolstofhoudende brandstoffen moet CO gecontroleerd worden om de brandstofcel te beschermen. 26 Momenteel worden technieken ontwikkeld om de CO uit het H2gasmengsel te verwijderen om gebruik in brandstofcellen toe te laten. De techniek moet variabele CO-concentraties aankunnen zonder te veel verlies aan waterstof en mag niet te complex zijn.23 Anderzijds maakt on-board reforming het mogelijk gebruik te maken van de bestaande tankinfrastructuur indien een conventionele brandstof gebruikt wordt. Tankinfrastructuur voor methanol is in België nog niet uitgebouwd maar zou minder investeringen vragen dan het uitbouwen van een waterstoftankinfrastructuur. Momenteel zijn nog maar weinig gegevens voorhanden over de emissies die vrijkomen bij de productie van waterstof in een reformer.

32

De invloed van opstarten en stilleggen van een brandstofcelbus over een cyclus werden onderzocht in een SAE-paper.24 De bus was uitgerust met een PAFC en een benzinereformer. Uit de studie bleek dat de CO en KWS-emissies en verbruik bij opstart zeer hoog waren. Na een opwarmperiode werden deze echter zeer laag. CO en KWSemissies komen op het niveau van de dieselbus na respectievelijk 6 en 2.5 cycli (ongeveer 19 en 8 km) terwijl het verbruik pas na 14 cycli op het niveau komt van een conventionele dieselbus (45 km). De gemeten emissies van NOx voor de brandstofcel bus zijn verwaarloosbaar In een recente SAE-publicatie is een vergelijking gemaakt tussen een verbrandingsmotor op benzine en een brandstofcel rechtstreeks op H2 en op waterstof geproduceerd in een reformer aan boord.25 Gebruik van gasvormig waterstof wordt er vergeleken met gebruik van een reformer voor methanol en benzine. Daarnaast werd ook een lange-termijn scenario beschouwd waarin een brandstofcel met benzinerefomer wordt geëvalueerd waarbij nieuwere technologie wordt beschouwd (lager Pt-gehalte, lager gewicht,…). In de studie werden 14 impacts onderzocht. In onderstaande tabel worden de relatieve scores weergegeven. Tabel 3: Relatieve weergave van de resultaten uit referentie 25 waarbij milieu-impact van FC met waterstofopslag en reformer werden vergeleken met verbrandingsmotor (Relatieve scores: best (++), beter dan gemiddeld (+), gemiddeld (0), slechter dan gemiddeld (-), slechtst (--)) Impactparameter

Gebruik hernieuwbare energiebronnen Gebruik niet-hernieuwbare energiebronnen Energieverbruik Broeikaseffect Ozondepletie Verzuring Smog Deeltjes Geur Vast afval Gevaarlijk afval Eutrofiëring Waterkwaliteit (BOD) Waterkwaliteit (TSS)

ICE Benzine

FC Direct H2

FC Reformer Methanol

FC Reformer Benzine

LangeTermijn

-++ ++ 0 ------

+ ++ + ++ +/0 0 + ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++

-+ -----+ -+ + + +

0 0 0 -0 0 -

++ 0 ++ + +/0 + ++ + 0 + 0 0 0 0

FC Reformer Benzine

Voor het waterstof brandstofcelvoertuig (met 50kW PEM brandstofcel) wordt gasvormig waterstof verondersteld, waarbij de waterstof centraal geproduceerd wordt uit aardgas en via pijpleiding getransporteerd wordt tot de tankstations waar het gecomprimeerd wordt tot 350 bar. De emissies bij gebruik zijn 0.

33

Het brandstofcelvoertuig rechtstreeks op waterstof heeft de laagste milieu-impact in de meeste categorieën (9 van de 14). Dit is te wijten aan de zero-emissies bij gebruik van het voertuig en het lage brandstofverbruik tijdens het gebruik over de ganse levensduur van het voertuig. Het brandstofcelvoertuig met reformer op methanol scoort het slechts op 7 van de 14 categorieën. Het verschil met een reformer op benzine is voornamelijk te wijten aan de grotere hoeveelheid brandstof nodig (omwille van een lagere energie-inhoud) en de grotere impact van de methanolproductie in vergelijking met de productie van benzine. Het grootste deel van de impact wordt in het geval van de brandstofcel met methanolreformer voor bepaalde categorieën (gebruik van niet-hernieuwbare energiebronnen, energieverbruik, broeikaseffect,…) bepaald door de impact veroorzaakt bij de brandstofproductie. Uit een vergelijking van de GWP (Global Warming Potential) van deze met andere studies bleek dat de GWP (bij productie) een factor 5 tot 8 hoger lag. De auteurs besluiten dat de hoge impact voor methanol te verklaren is door de data voor productie gebruikt in deze studie. Rekening houdend met de huidige technologie heeft de brandstofcel+reformer een belangrijk aandeel in het totale gewicht van het voertuig (ongeveer 600 kg). Door verdere technologische ontwikkelingen zal het gewicht verder afnemen. In het langetermijnscenario van deze studie werd het gewicht geschat op 370 kg. Voor de brandstofcel op waterstof bedraagt het gewicht 390 kg. Voor de verbrandingsmotor bedraagt het gewicht dat door de brandstofcel wordt vervangen 280 kg (verbrandingsmotor, uitlaat, batterij, …) Hierbij dient toch wel de bedenking gemaakt te worden dat de brandstoftank en inhoud niet in rekening is gebracht (volgens de auteurs omwille van de onzekerheid over het meest geschikte systeem voor waterstofopslag). Gezien de brandstoftank toch een aanzienlijk gewicht betekent voor waterstof (gasvormig, vloeibaar en hydride) kan dit een vertekend beeld geven. Volgens bepaalde onderzoekers is de opslag van zuivere waterstof gecompliceerd, kostelijk, inefficiënt en houdt het risico’s in.20 In de gerefereerde studie worden een aantal waterstofdragers vergeleken welke hierboven reeds werden besproken. De onderzoekers schuiven methanol en ammoniak naar voor als meest geschikte waterstofdragers. Methanol heeft lange opwarmtijden en een trage transiënte respons. Hoewel ammoniak vanuit technisch oogpunt een goede kandidaat is dienen de economische en milieuaspecten en sociale implicaties verder onderzocht. Volgens andere onderzoekers26 is de grootschalige productie van waterstof via STM enkel geschikt voor kleinschalige demonstratieprojecten (zoals de Ballart bus in Chicago). Voor een grootschalige waterstofintroductie zou deze waterstofproductiemethode echter minder geschikt zijn omwille van de veiligheidsaspecten en codes en standaarden verbonden aan de opslag en transport van waterstof. Daarom zou dit geen optie zijn op korte termijn. Het is volgens de onderzoekers aangewezen om de productie zo dicht mogelijk bij de eindgebruiker te laten plaatsvinden, hetzij via plaatselijke STM uit aardgas, hetzij via onboard reforming. Locale productie van waterstof door elektrolyse is niet geschikt omwille van de kostprijs. Deze optie kan wel interessant worden indien de elektriciteitstarief lager wordt door gebruik van nachtstroom of gebruik van goedkopere stroom op bepaalde plaatsen waar deze voorhanden in zoals in nucleaire of hernieuwbare elektriciteitscentrales. De onderzoekers besluiten dat de kostprijs voor on-board productie vergelijkbaar is met centrale productie uit aardgas. De vermindering van kostprijs door de afwezigheid van een reformer bij

34

brandstofcellen op waterstof wordt grotendeels gecompenseerd door de kostprijs van de opslagtank. In een overzichtsartikel van McLean27 worden verschillende brandstofopties en aandrijfsystemen vergeleken op basis van bestaande literatuur. Brandstofceltechnologie met benzinereformer en waterstof uit hernieuwbare energie werden hierin opgenomen en vergeleken met een verbrandingsmotor op benzine. Waterstof uit hernieuwbare energie scoort op de milieuparameters veel beter dan de benzinemotor. De brandstofcel met benzinereformer scoort beter op luchtverontreiniging en hetzelfde op broeikasgasemissies en verbruik van fossiele brandstoffen. De kostprijs is voor beide slechter en voor de voertuigprestaties zijn geen gegevens. De energieonafhankelijkheid is veel beter voor waterstof en gelijk voor de benzinereformer. Voor de veiligheidsaspecten wordt voor beide ‘ongekend’ opgegeven. De ‘well-to-tank’-efficiëntie voor waterstof bedraagt 23 – 76% en de GHG-emissies 76 – 332 g CO2/km; Direct gebruik van waterstof in een brandstofcel kan leiden tot een aanzienlijke vermindering van CO2 of een verhoging van de CO2 over de levenscyclus, afhankelijk van het productieproces. In onderstaande figuur wordt de CO2-uitstoot (g/km) weergegeven voor een H2-voertuig voor verschillende productieprocessen van waterstof en vergeleken met een conventionele verbrandingsmotor op benzine.2 Als basis voor de vergelijking werd hier een Mercedes Aklasse genomen. Hieruit blijkt dat bij on-board reforming minder CO2 wordt uitgestoten dan wanneer waterstof geproduceerd wordt door elektrolyse (met elektriciteit uit aardgas) maar meer dan bij productie via reforming uit aardgas. Grootschalige reforming uit aardgas scoort hier het best voor de CO2-emissies. FC/H2/grootschalige reformer/aardgas FC/H2/kleinschalige reformer/aardgas FC/on-board reformer/methanol FC/on-board reformer/benzine FC/H2/electrolyse uit aardgas

ICE/benzine 0

50

100

150

200

250

300

CO2 (g/km)

Figuur 10: CO2-uitstoot per 1000 km voor verschillende productieprocessen van waterstof

35

3.2.4

Conclusies on-board reforming

On-board reforming wordt algemeen gezien als een tussentijdse oplossing tot een waterstofinfrastructuur is uitgebouwd. De emissies zijn hoger en de efficiëntie is lager in vergelijking met centrale productie. Bovendien worden de emissies uitgestoten bij gebruik van het voertuig wat vaak in een dichtbevolkt gebied is. De kostprijs is ook hoger. Het voordeel is dat voor de meeste brandstoffen geen extra infrastructuur dient uitgebouwd te worden of de inspanningen hiervoor relatief klein zijn. Over de meest geschikte reformbrandstof zijn de meningen verdeeld. Het meest worden methanol of benzine naar voor geschoven als reformbrandstof. Het gebruik van benzine heeft als voordeel dat de bestaande tankinfrastructuur gebruikt kan worden. Voor methanol daarentegen is in België geen tankinfrastructuur. Methanolreforming is efficiënter en reeds verder ontwikkeld. Het proces heeft evenwel een tragere transiënte respons. Andere brandstoffen zijn momenteel minder geschikt: aardgas vereist de verder uitbouw van een distributienetwerk en opslag aan boord van het voertuig, diesel is moeilijk te reformen. Andere waterstofdragers zoals ammoniak zijn enkel geschikt indien ze uit een hernieuwbare energiebron geproduceerd kunnen worden en vereisen verder onderzoek om onder andere de efficiëntie te optimaliseren en veiligheid te verbeteren. Voor het gebruik van waterstof als brandstof voor bussen is on-board reforming geen goede keuze. Enerzijds zijn de emissies bij het reformen niet te verwaarlozen en anderzijds is de vereiste plaats nodig voor opslag van waterstof geen probleem voor bussen (zie verder).

3.3 Waterstofopslag Zoals werd aangegeven in het inleidend hoofdstuk heeft waterstof een lage gasdichtheid en laag kookpunt, wat maakt dat de opslag ervan een belangrijke technologische uitdaging vormt. Hieronder worden de verschillende opslagvormen besproken. De drie belangrijkste opties om waterstof op te slaan zijn : - Gasvormige opslag onder druk (CGH2) - Cryogene opslag van vloeibaar waterstof (LH2) - Chemisch gebonden (methaalhydrides) Daarnaast worden ook enkele nieuwe technieken kost besproken. In een Amerikaanse studie28 werd de kostprijs van een aantal waterstofopslagmogelijkheden geëvalueerd. De aandacht ging hierbij vooral uit naar stationaire opslag. De conclusies uit deze studie worden in onderstaande vermeld. 3.3.1

Gasvormig waterstof

Oorspronkelijk was een typische druk voor opslag van gasvormig waterstof 200 bar.4 Bij deze druk is slechts 5 gewicht % van de opslag H2. Voor mobiele toepassingen is de gebruikte druk momenteel al iets hoger 250 – 350 bar. De lage energiedichtheid is momenteel een van de grootste nadelen van het gebruik van gasvormig waterstof. In onderstaande figuur wordt voor gasvormig en vloeibaar waterstof (en ter vergelijking ook

36

benzine en aardgas) de rijafstand voor 100 kg brandstof (inclusief opslagtank) weergegeven. Dit is slechts een indicatieve vergelijking maar geeft duidelijk het verschil tussen gasvormige en vloeibare brandstoffen.. Veel hangt evenwel af van de druk waarbij de gasvormige brandstof wordt opgeslagen en de materiaalkeuze van de tank. De aannames gebruikt in deze figuur zijn niet weergegeven maar duidelijk niet gunstig voor gasvormige opslag.

Figuur 11: Vereenvoudigde vergelijking van actieradius (100 kg brandstof) voor vloeibaar en gasvormig waterstof met aardgas en benzine4 De belangrijkste ontwikkelingsdoelstelling is de druk waarbij waterstof wordt opgeslagen te verhogen. Bepaalde firma’s zouden met succes de ultra-hoge druk opslag gedemonstreerd hebben met drukniveau’s van 350 tot 700 bar zodat een energiedichtheid van 11 gewicht% bereikt wordt.4,29 De nationale reglementering moet deze drukken toelaten. In België is hierover geen reglementering. Het verhogen van de druk bij opslag is bovendien gunstig omdat de vereiste energie voor compressie niet lineair maar logaritmisch toeneemt. Zo vereist het samendrukken van 1 tot 300 bar slechts 10% meer energie dan het samendrukken van 1 tot 200 bar. Algemeen wordt gesteld dat de energie nodig voor het comprimeren 10 % bedraagt van de energie-inhoud van het gecomprimeerde waterstof (200 bar).4 Een andere bron spreekt van een energieverlies van 5% van de LHV voor het comprimeren tot 350 bar.2 Het samendrukken van waterstof wordt op eenzelfde manier uitgevoerd als voor aardgas. Waterstof vraagt wel geschikte dichtingen en het gecomprimeerde gas moet olie-vrij zijn. Volgens de Amerikaanse studie28 is opslag onder gasvormige vorm geschikt voor kleinere hoeveelheden waterstof. Voor grotere hoeveelheden wordt opslag onder vloeibare vorm voordeliger. De opslag van waterstof onder druk is volgens de Amerikaanse studie beperkt tot 1300 kg of minder om wille van te hoge vaste kost. Voor deze opslagvorm zijn er twee potentiële gevaren. Enerzijds houden hoge drukken steeds een risico in. Daarnaast zal bij een lek een grote hoeveelheid waterstof vrijgezet worden.

37

Voor mobiele toepassingen kunnen stalen of composiet tanks gebruikt worden. De tanks hebben een cilindrische vorm en veelal wordt een serie cilinders gebruikt. Momenteel worden meestal tanks uit composietmateriaal gebruikt omwille van het lagere gewicht. Volumes van 50 tot 392 L zijn beschikbaar. Een composiet tank van 150L wordt aangeboden voor 4000 €.1 Ter vergelijking: een stalen tank van 100 L weegt 100 kg tegenover 30 kg voor een volledige composiettank. Een composiettank is opgebouwd uit sterke vezels (meestal C) die in verschillende lagen rond de cilinder zijn aangebracht en bijeengehouden worden door een hars (zoals epoxy). Composiet is minder hard dan staal en meer onderhevig aan fysische en chemische beschadiging maar anderzijds minder gevoelig aan corrosie. In onderstaande figuur wordt een typisch voorbeeld van gasvormige waterstofopslag voor bussen getoond. Het voordeel bij bussen is dat er meestal genoeg plaats is om een batterij gastanks op het dak van de bus te installeren. Wel moet overwogen worden of het dak dit gewicht kan dragen en of dit de aanwezigheid van de tanks de performantie van de bus niet verslechtert.

Figuur 12: Gasvormige waterstofopslag voor bussen (bron MAN)30 3.3.2

Vloeibaar waterstof

Een andere opslagvorm voor waterstof is bij lage temperatuur in vloeibare vorm, zoals ook aardgas kan opgeslagen worden. Het verschil met aardgas is echter de veel lagere temperatuur die vereist is (-253°C tov -167°C). Het vloeibaar maken van waterstof gebeurt door compressie en afkoelen van het gasvormig waterstof. Bij het vloeibaar maken wordt gebruik gemaakt van compressoren, warmtewisselaars, expansiemotoren en regelkleppen om de vereiste koeling te bereiken. Het energieverlies bedraagt ongeveer 30% van het opgeslagen volume waterstof, tot 40% van de LHV van waterstof volgens andere bronnen. Daarnaast kan ook een ‘boil-off’ van een 1 tot 3% verwacht worden.4 Omdat vloeibaar waterstof gestockeerd wordt als een cryogene vloeistof juist onder zijn kookpunt, zal elke warmtetoevoer aan de vloeistof ervoor zorgen dat een deel van de waterstof verdampt. In een geoptimaliseerd systeem zou dit verlies kunnen gebruikt worden als brandstof voor een on-site FC om elektriciteit te produceren voor het vulstation of aan boord voor de APU. Indien de waterstof niet gebruikt wordt zal bij een bepaalde overdruk in de tank een deel van de waterstof worden ‘afgeblazen’, dit noemt men ‘boil-off’.

38

Figuur 13: Dubbelwandige en superisolerende tank (Dewar) voor opslag van vloeibaar waterstof in voertuigen2 Indien waterstof getransporteerd dient te worden over grote afstanden (en geen leidingen beschikbaar zijn) is cryogene opslag een goede optie omdat de energiedichtheid hiervan relatief groot is.28 De vloeibare opslagvorm is geschikt voor grotere hoeveelheden waterstof omwille van de hoge kostprijs van de liquificatieplant en het relatief groter verlies door ‘boil off’ voor kleinere opslagvormen in vergelijking met grotere. Deze opslagvorm is niet geschikt voor kleine hoeveelheden en hier geldt de regel hoe groter hoe beter. Zelfs bij grote productiehoeveelheden is deze opslagvorm minder geschikt voor korte verblijftijden. Als de stockeertijd toeneemt zal vloeibare opslag aan belang winnen in vergelijking met gasvormige opslag onder druk omdat de vaste kosten van een Dewar (dubbelwandige en superisolerende tank) voor vloeibare waterstof klein zijn in vergelijking met de kostprijs van een hoge druk opslagtank. Bij een lek in de tank zullen bij deze opslagvorm nog sneller een grote hoeveelheid waterstof ontsnappen in vergelijking met gecomprimeerde waterstofopslag. Voor mobiele toepassingen worden vloeibare waterstoftanks geproduceerd voor prototypevoertuigen. Een voorbeeld van een superisolerende tank voor mobiele toepassingen is weergegeven in bovenstaande figuur. De waterstof kan als vloeistof of als gas uit de tank gehaald worden. In een verbrandingsmotor kan de waterstof rechtstreeks in de cilinders worden ingespoten en voor het gebruik in brandstofcellen kan waterstof onder een voldoende hoge druk worden aangewend. De BMW op waterstof is voorzien van een tank voor vloeibaar waterstof (zie verder voertuigtechnologieën). Aangezien de beschikbare tanks vaak op bestelling in kleine hoeveelheden worden geproduceerd zijn prijzen niet representatief voor grootschalige introductie.

39

3.3.3

Hydriden

Metaalhydriden kunnen gebruikt worden om waterstof op te slaan bij hoge energiedichtheden per volume (MJ/L). In metaalhydriden wordt waterstof gestockeerd door een chemische binding aan te gaan met het metaal (of niet-metalen of legeringen). Er zijn verschillende types metaalhydriden voorhanden hoofdzakelijk gebaseerd op legering van Mg, Ni, Fe en Ti, onderverdeeld in lage- en hoge-temperatuur technologieën.2 De hogetemperatuur versies zijn minder duur en in staat meer waterstof op te slaan dan de lagetemperatuuropties maar vereisen een hoeveelheid warmte om de opgeslagen waterstof vrij te zetten. Het nadeel van de lage-tempertuur technologieën is echter dat de waterstof te snel wordt vrijgezet bij kamertemperatuur waardoor onder druk gewerkt moet worden wat de complexiteit weer verhoogt. In wat volgt concentreren we ons op de hogetemperatuurversies omdat deze vooral in de literatuur worden vermeld. Hydriden kunnen waterstof opslaan bij of juist onder atmosferische drukken en waterstof vrijzetten bij aanzienlijk hogere drukken wanneer het materiaal wordt opgewarmd. De systemen zijn momenteel echter vrij volumineus en zwaar. Bovendien zijn temperaturen van 300 – 350°C nodig om de waterstof vrij te zetten uit de hydriden. Anderzijds kan dit gezien worden als een veiligheidsmaatregel omdat de kans op vrijkomen van waterstof bij ongevallen zo geminimaliseerd wordt. Wanneer de partiële druk van waterstof opgedreven wordt zal eerst de waterstof zich verspreiden in de hydride en zal zich dan binden met het metaal. Tijdens de binding zal de druk niet toenemen van 10% tot 90 % vulling. Na de 90 % zijn veel hogere drukken nodig om de tank tot 100% te vullen. Om het waterstof opnieuw vrij te zetten uit het hydride is toevoegen van warmte noodzakelijk om de binding tussen het metaal en de waterstofmoleculen te breken. Vrijzetten van de laatste hoeveelheid waterstof vereist veel energie. Een van de meest geavanceerde systemen is ‘Ovonics’, een technologie gepatenteerd door EDC (Energy Conversion Devices Inc.). Een andere potentiële drager voor chemisch gebonden waterstof is Natrium. In demonstratie heeft Daimler Chrysler een brandstofcelvoertuig getoond met een waterige oplossing van Natrium boorhydride (NaBH4) als opslagmedium voor waterstof aan boord. Nadat de waterstof uit de boorhydride is gehaald met behulp van een katalysator, kan het resterende materiaal (boraat) gerecycleerd worden. Het is een niet-toxisch materiaal en milieuvriendelijk. Ook K- en Li-hydriden zijn mogelijke waterstofdragers maar minder ver ontwikkeld.

40

Figuur 14: Opslageenheid voor hydriden in een voertuig2 Omwille van hun hoge volumetrische energiedichtheid en lage massa-energiedichtheid (26%) zijn hydriden wel geschikt voor stationaire opslag maar minder geschikt voor mobiele toepassingen.28 Metaalhydriden zijn een kosteneffectieve optie indien waterstof geproduceerd wordt bij lage drukken en hogere drukken vereist zijn voor het gebruik van waterstof. Gebruik van metaalhydride als opslag voor waterstof is een interessante optie indien waterstof verder gezuiverd dient te worden voor gebruik. Voor de opslag van kleine hoeveelheden waterstof is het verschil in kostprijs met opslag onder druk niet groot omdat beide een drukvat vereisen en de kosten van het hydride klein zijn in vergelijking hiermee. Bij grotere volume opslag neemt het aandeel van hydriden in de kost toe zodat deze opslagvorm minder geschikt is voor grotere hoeveelheden. De kostprijs wordt niet bepaald door de kosten voor verwarmen om het waterstof weer vrij te zetten. Wat veiligheid betreft scoort deze optie het beste. Bij een lek in de tank zal slechts een kleine hoeveelheid waterstof ontsnappen omdat warmte nodig is om waterstof vrij te zetten. 3.3.4

Ondergrondse opslag

Ondergrondse opslag is een mogelijkheid die ook wordt aangehaald in de Amerikaanse studie. Volgens deze studie is dit de goedkoopste vorm van waterstofopslag voor alle productiehoeveelheden en stockeringstijden. De belangrijkste kost is hier immers de compressor die gebruikt wordt en de kost is dus onafhankelijk van de hoeveelheid. Voor deze opslagvorm moet ook de beschikbaarheid van een ondergronds gesteente worden bekeken maar dit valt buiten deze studie.

41

3.3.5

Alternatieven

Andere mogelijkheden om waterstof op te slaan zijn het gebruik van ijzeroxide (‘iron sponge’). Zoals bij het gebruik van hydriden kunnen hier opslag en zuiveringseigenschappen gecombineerd worden. Aangenomen wordt dat deze nieuwe techniek voordelen biedt naar energiedichtheid en kostprijs van opslag. Nadelen zijn dat ijzer zwaar is en een katalysator nodig is om de reacties te laten verlopen bij praktische temperaturen (80-200°C).2 Een andere nieuwe techniek is het gebruik van koolstof microvezels (‘carbon micro fibers’). Deze opslagvorm zou een hogere energiedichtheid kunnen bereiken dan vloeibaar waterstof. Temperatuur van meer dan 150°C is vereist om de waterstof vrij te zetten.2 Ook het gebruik van microsferen (‘microspheres’) wordt onderzocht. Dit zijn kleine glazen bolletjes met diameters van minder dan 100 µm. Deze zijn bestand tegen zeer hoge drukken (tot 10000bar). Aangezien de permeatie van waterstof temperatuursafhankelijk is, kan de waterstof flow bepaald worden door aanwenden van warmte. Deze ontwikkeling staat echter nog in zijn kinderschoenen. 3.3.6

Conclusies waterstofopslag

In onderstaande tabel wordt een vergelijking gemaakt van de 3 belangrijkste waterstofopslagvormen in vergelijking met benzine, de energie-inhoud wordt telkens vermeld. In onderstaande figuur wordt volume en gewicht van verschillende energiedragers voor voertuigen vergeleken voor een energie-inhoud van 1044.5 MJ.

Energie-inhoud (MJ) Gewicht brandstof (kg) Gewicht tank (kg) Totaal gewicht (kg) Volume (L) Range (km)

Benzine

Gecomprimeerd gasvormig H2

Vloeibaar waterstof

1408

664

664

Metaalhydride (Ovonics Mg legering) 664

29.5

4.7

4.7

4.7

13.4

63.3 - 86

18.6

120

43.2

67.9 – 90.5

23.3

124.7

40.1 600

408.8 -227.2 600

177.9 600

120 570

Tabel 4: Vergelijking tussen verschillende waterstofopslagtechnologieën voor eenzelfde range (600 km)4

42

900 volume (L) 800

gewicht opslagvorm (kg) gewicht brandstof (kg)

700 600 500 400 300 200 100 0 benzine

methanol

H2: metaalhydride

H2: gas (250 bar)

H2: gas (350 bar)

H2: vloeibaar

Figuur 15: Vergelijking van verschillende opslagvormen voor voor waterstof met andere energiedragers (telkens een energie-inhoud van 1044.5MJ)2 Een vergelijking van de verschillende opslagvormen voor waterstof leert ons dat zowel compressie als liquificatie van waterstof een aanzienlijke hoeveelheid energie verbruikt waardoor de efficiëntie verlaagt en de kostprijs verhoogt. Bovendien houdt de opslag van waterstof in vloeibare vorm of onder druk een zeker risico in. Een lek in de tank zal een aanzienlijke hoeveelheid waterstof vrijgeven en resulteert in explosiegevaar. Methaalhydriden zijn in veiligheidsopzicht beter omdat het waterstof vastzit in een metaalmatrix. Deze opslagvorm vereist energie (onder de vorm van warmte) om de waterstof vrij te zetten. Bovendien is de kostprijs hoog. 20 Opslag onder vloeibare vorm scoort relatief goed naar gewicht en volume en is een optie voor transport over lange afstanden indien geen pijpleidingen voor gasvormig waterstof beschikbaar zijn.

43

3.4 Conclusies In een eerste deel van deze studie werden verschillende waterstofproductieprocessen en opslag vergeleken op basis van beschikbare literatuur. De belangrijkste conclusies worden hieronder samengevat.

44

·

Waterstof kan geproduceerd worden op grote schaal in speciale H2-productieplants of kleinschalig in locale productiefaciliteiten. Daarnaast is ook productie van waterstof aan boord van het voertuig met behulp van een reformer mogelijk. Over het algemeen is grootschalige productie economischer maar kleinschalige productie heeft het voordeel dat de geproduceerde waterstof niet getransporteerd dient te worden. Waterstofproductie in het voertuig zelf heeft het voordeel dat geen waterstofinfrastructuur nodig is.

·

Momenteel wordt het grootste deel van waterstof geproduceerd uit fossiele brandstoffen aan de hand van verschillende thermochemische reformtechnieken. Stoomreformers zijn momenteel de meest efficiënte, economische en wijdverspreide technieken voor het produceren van waterstof. Voor verbruik (MJ/MJ) en broeikasgasemissies scoort reforming uit aardgas beter dan elektrolyse (rekening houdend met de Belgische electriciteitsmix).

·

De productie van waterstof op basis van elektrolyse is zeer energie-intensief en de impact ervan hangt af van de wijze waarop de electriciteit wordt opgewekt. Een nadeel momenteel is de hoge kostprijs. Het gebruik van waterstof als brandstof voor voertuigen met waterstof geproduceerd via elektrolyse uit hernieuwbare energie wordt algemeen gezien als de grootste opportuniteit om de negatieve milieu-impact van voertuigen te verminderen.

·

In een eerste introductiefase zijn eerder kleinschalige productie-eenheden vereist. Kleinschalige eenheden op basis van elektrolyse zijn reeds beschikbaar en kunnen onmiddellijk ingezet worden om waterstofinfrastructuur uit te bouwen. Kleinschalige stoomreformers daarentegen zijn nog niet commercieel. Wanneer waterstof verder doorbreekt kan het op grotere schaal geproduceerd worden. Zowel stoomreformers als elektrolyseurs zijn geschikt om waterstof op grote schaal te produceren. De productie op basis van reformers zou goedkoper zijn in vergelijking met elektrolyse. Indien grootschalige waterstofproductie vereist is zal daarom stoomreforming belangrijk worden. De geproduceerde CO2 zou opgeslagen kunnen worden (door langetermijnopslag of opsluiting in de bodem (‘geological sequestration’)) om zo de milieu-impact te verkleinen. Grootschalige productie-eenheden op basis van elektrolyse zijn ook geschikt indien gebruik gemaakt wordt van ‘hernieuwbare energie. De vraag die zich stelt is of bij een toename van de vraag nog voldoende ‘groene stroom’ geleverd kan worden. Mogelijk worden in de toekomst beide productiemethoden gebruikt.

·

Volgens de meeste experten zal de opslag van waterstof in het voertuig de meest waarschijnlijk lange-termijn optie zijn voor het gebruik van waterstof in mobiele

toepassingen. De milieu-impact voor centrale productie is lager dan voor waterstofproductie aan boord van het voertuig. De emissies bij on-board productie worden vooral gevormd bij opstarten. On-board productie wordt daarom veeleer gezien als een tussentijdse oplossing wanneer nog onvoldoende tankinfrastructuur voorhanden is. ·

Bij rechtstreeks gebruik van waterstof in het voertuig vormen de opslag van waterstof in het voertuig en de uitbouw van tankinfrastructuur de grootste uitdagingen. Daarnaast ontbreekt het momenteel nog aan reglementering met betrekking tot gebruik van waterstof. Infrastructuur en reglementering worden in een volgend hoofdstuk besproken.

·

De opslag van waterstof kan gebeuren gasvormig onder druk, vloeibaar en als hydriden. Hydriden zijn veiliger maar hebben een lage energiedichtheid (MJ/kg) en de opslagsystemen zijn zwaar en duur. Vloeibaar waterstof is geschikt voor transport over lange afstanden omwille van de hoge energiedichtheid (in MJ/kg). Opslag onder vloeibare vorm gaat echter gepaard met een aanzienlijk energieverlies. Bovendien zijn er verdampingsverliezen waardoor een deel van de waterstof tijdens de opslag verloren gaat. Het nadeel van gasvormige opslag is de lage energiedichtheid. Opslag onder hogere druk (700 bar) en lichtere tanks kunnen dit gedeeltelijk verbeteren. Een voordeel van gasvormige opslag is de relatief lage kostprijs. Een doorbraak in on-board opslag voor waterstof is nodig om een aanvaardbare range te bereiken in vergelijking met conventionele brandstoffen. Voor het gebruik van waterstof in bussen is het probleem van opslag minder cruciaal omdat voldoende plaats beschikbaar is op het dak van het voertuig. In het CUTE-project (zie verder) werd gekozen voor gasvormige opslag bij 350 bar. Voor bussen lijkt momenteel deze opslagvorm het meest geschikt.

·

De productie van waterstof aan boord van het voertuig heeft het voordeel dat geen waterstofinfrastructuur nodig is. De waterstoftankinfrastructuur is momenteel nog onbestaande in België en bovendien is de uitbouw ervan duur. Het gebruik van een reformer verhoogt echter de complexiteit van het systeem. Methanol wordt beschouwd als een van de meest geschikte reformbrandstoffen voor gebruik aan boord van het voertuig. De temperatuur nodig voor reforming ligt veel lager dan voor benzine. Een nadeel is dat in België geen infrastructuur is uitgebouwd terwijl dit voor benzine wel het geval is. De kost voor het uitbouwen van een infrastructuur is beperkt. Een vraag die zich stelt is of de commerciële benzine voldoet aan de vereiste zuiverheid. Ook ammoniak wordt genoemd als reformbrandstof maar een uitgebreide evaluatie is nog nodig. Aardgas is niet interessant omdat naast de reformer dan ook nog een tank nodig is voor de opslag van aardgas.

·

Ten slotte dient opgemerkt te worden dat buitenlandse studies (over productie- en opslagmogelijkheden van waterstof) met de nodige omzichtigheid bekeken dienen te worden omdat de gebruikte aannames niet altijd representatief zijn voor de Belgische situatie.

45

4

VOERTUIGTECHNOLOGIEËN VOOR WATERSTOF

Waterstof kan als brandstof worden aangewend in een verbrandingsmotor of in een brandstofcel. Momenteel zijn er meer prototypes die brandstofcellen gebruiken dan een verbrandingsmotor. In onderstaande worden telkens de belangrijkste karakteristieken en voor- en nadelen van de verschillende technologieën voor waterstof besproken.

4.1 Verbrandingsmotor op waterstof 4.1.1

Technische karakteristieken

In deze paragraaf zal kort besproken worden wat de specifieke vereisten en eigenschappen zijn van een verbrandingsmotor op waterstof. Het is niet moeilijk om een verbrandingsmotor te laten werken op waterstof maar wel om deze goed te laten draaien. Waterstof wordt gebruikt als brandstof in een vonkontstekingsmotor. Het gebruik van waterstof in een compressiemotor (zoals voor diesel) is niet aangewezen omdat de zelfontbrandingstemperatuur (zie verder) van waterstof zeer hoog is en bijgevolg zeer hoge compressieverhoudingen nodig zouden zijn. Het ombouwen van een vonkontstekingsmotor is vrij gemakkelijk. Waterstof heeft een breed ontstekingsgebied in vergelijking met andere brandstoffen (zie inleidend hoofdstuk ‘Eigenschappen van waterstof’). Bijgevolg kan waterstof in een verbrandingsmotor verbrand worden in een breed gebied van brandstof/lucht-mengsels en bijgevolg ook in brandstofarme mengsels. Het voordeel van arme mengsels is dat de verbranding vollediger is en het brandstofverbruik lager ligt. Ook de verbrandingstemperatuur ligt lager zodat de vorming van stikstofoxiden verminderd wordt. Uiteraard resulteert een te hoge overmaat lucht in een te laag vermogen van de motor. De stoichiometrische lucht/brandstof-verhouding (in massa-eenheden) is 34.2/1. Waterstof kan verbrand worden bij een equivalentieverhouding of lambda (dit is de werkelijke lucht/brandstof-verhouding gedeeld door de stoichiometrische lucht/brandstofverhouding) van 1 tot 5. De lage ontstekingsenergie in combinatie met het breed ontstekingsgebied van waterstof maakt het mogelijk brandstofarme mengsels gemakkelijk te ontsteken. Een nadeel is echter dat warme gassen en plaatsen op de cilinder voldoende kunnen zijn om het mengsel te ontsteken resulterend in vroegtijdige ontsteking en naontsteking van het mengsel. De lagere quenchingafstand van waterstof in vergelijking met andere brandstoffen versterkt dit probleem. Een waterstofvlam komt dichter bij de wand alvorens ze uitdooft. Vroegtijdige ontsteking betekent dus dat het mengsel in de verbrandingskamer ontstoken wordt vooraleer de ontsteking met de bougie is opgetreden en resulteert in een inefficiënte werking en ‘kloppen’ of ‘pingelen’ van de motor.

46

Waterstof heeft een relatief hoge zelfontbrandingstemperatuur. Deze parameter bepaalt mee de compressieverhouding die gebruikt kan worden. (De temperatuurstijging in de motor is evenredig met de compressieverhouding en deze mag de zelfontstekingtemperatuur niet overschrijden). Dit betekent dus dat bij het gebruik van waterstof een hogere compressieverhouding gebruikt kan worden en bijgevolg de thermische efficiëntie groter is. Een nadeel is dat waterstof moeilijk te ontsteken is in een dieselmotor en altijd een ontsteking nodig is. De hogere vlamsnelheid van waterstof (in vergelijking met benzine) bij stoichiometrische verhoudingen resulteert in een hogere thermodynamische efficiëntie. Waterstof heeft een hoge diffusiecoëfficiënt zodat gemakkelijk uniforme mengsels verkregen worden en bij een lek de waterstof zich snel verspreidt. De lage dichtheid van waterstof geeft problemen in relatie tot opslag in het voertuig (en actieradius) en resulteert in een lagere energiedichtheid van het waterstof/lucht-mengsel en bijgevolg een lager vermogen. 4.1.2

Vroegtijdige ontsteking en mogelijke oplossingen

Het probleem van vroegtijdige ontsteking kan op verschillende manieren aangepakt worden. De meest efficiënte manier om voorontsteking te controleren is het herontwerpen van de motor, meerbepaald de verbrandingskamer en het koelsysteem. Een schijfvormige verbrandingskamer kan gebruikt worden om de turbulentie te voorkomen; door de vorm wordt de inlaatwerveling niet versterkt. Daarnaast kan ook een grotere boring/slagverhouding gebruikt worden. Het koelsysteem moet een uniforme koeling (op alle plaatsen) verzekeren. Bijkomende maatregelen om voorontsteking tegen te gaan zijn het gebruik van twee kleine in plaats van 1 grote uitlaatklep en de ontwikkeling van een effectief systeem om het mengsel in de cilinder te vervangen. De keuze van het brandstoftoevoersysteem is ook heel belangrijk. Er kan gebruik gemaakt worden van een carburator, indirecte en directe injectie. In de eerste twee gevallen wordt de brandstof ingespoten tijdens de inlaatslag in het laatste geval gedurende de compressieslag. Hoe later de brandstof wordt ingespoten, hoe kleiner de kans op vroegtijdige ontsteking. Daarom is rechtstreekse injectie in de cilinder gedurende de compressieslag (als de inlaatklep al gesloten is) de beste optie om vroegtijdige ontsteking te verhinderen. Hierop zal verder worden ingegaan bij de beperking van de prototypes. Vroegtijdige ontsteking kan vermeden worden door het gebruik van technieken die de temperatuur in de verbrandingskamer verlagen zoals EGR (Exhaust Gas Recirculation). Bovendien wordt dan de NOx-uitstoot gereduceerd. Aangezien waterstof een lage ontstekingsenergie heeft kan een benzine-ontstekingssysteem gebruikt worden. Bij zeer arme mengsels is vlamsnelheid lager en is het aangewezen 2 ontstekingsbougies te gebruiken. Systemen waarbij een ontsteking optreedt op momenten dat dit niet nodig is moeten vermeden worden omdat dit de kans op vroegtijdige ontsteking bevordert. Bougies die de warmte snel afvoeren hebben de voorkeur omdat een warme bougie weer een ontsteking kan veroorzaken. Bovendien is de reden van het op temperatuur

47

houden van de bougie - met name het verhinderen van koolwaterstofafzettingen - niet relevant voor een motor op waterstof. 4.1.3

Performantie: algemene bevindingen van een waterstofverbrandingsmotor

De thermische efficiëntie van een motor is evenredig met de compressieverhouding en de specifieke warmteverhouding van de brandstof. Deze laatste is functie van de moleculaire structuur van de brandstof en groter voor waterstof (1.4) dan voor benzine (1.1). De compressieverhouding van een motor wordt beperkt door de klopvastheid van de brandstof. Een arm waterstofmengsel heeft een hogere klopvastheid dan een benzinemengsel en tolereert daarom hogere compressieverhoudingen. Het vermogen van een waterstofmotor ligt 15% lager tot 15% hoger in vergelijking met een benzinemotor indien een stoichiometrisch mengsel wordt gebruikt. Dit hangt af van de manier waarop waterstof wordt ingespoten. Een waterstofmotor gebruikt echter typisch een arm mengsel (2 maal overmaat lucht) om de NOx-emissies te verlagen. Een arm mengsel verlaagt ook het vermogen zodat een waterstofmotor meestal groter is en uitgerust met turbo om een vergelijkbaar vermogen als en benzinemotor te verkrijgen. Waterstof als brandstof geeft minder aanleiding tot vorming van emissies in vergelijking met koolwaterstoffen (benzine, diesel,…). De verbranding van waterstof met zuurstof produceert enkel water: 2 H2 + O2 → 2 H2O De verbranding van waterstof in een verbrandingsmotor gebeurt met lucht - waarin ook N2 aanwezig - is en kan bijgevolg aanleiding geven tot de vorming van stikstofoxiden, zoals: O2 + N2 « 2 NO De vorming van stikstofoxiden treedt pas op bij voldoende hoge temperaturen. De hoeveelheid NOx gevormd hangt af van de lucht/brandstof-verhouding, de compressieverhouding, motortoerental, ontstekingstiming en het gebruik van thermische verdunning (zoals EGR). Een andere bron van emissies is de verbranding van smeerolie ten gevolge van het lekken van kleine hoeveelheden smeerolie in de verbrandingskamer. Dit kan aanleiding geven tot de vorming van CO. Waterstof-gas mengsels Waterstof kan ook gemengd worden met andere brandstoffen. Meest voor de hand liggend is een mengsel van waterstof met aardgas (dat samen onder hoge druk gestockeerd wordt). Een commercieel beschikbaar mengsel is Hythane (20% waterstof en 80% aardgas). Bij deze verhouding zijn er geen aanpassingen vereist aan de aardgasmotor. Studies hebben aangetoond dat de emissies verminderd kunnen worden met meer dan 20%. Mengsels met meer dan 20% waterstof zouden de emissies nog verder kunnen reduceren maar vereisen aanpassingen aan de motor. (zie bussen in demonstratieprojecten onder prototypes)

48

4.1.4

Prototypevoertuigen

Momenteel bestaan er 2 personenwagens uitgerust met een verbrandingsmotor op waterstof: de Ford P2000 en de BMW. Door de fabrikanten wordt de verbrandingsmotor op waterstof - met lage emissies en relatief lage kostprijs - gezien als een drijfveer om op korte termijn de waterstofinfrastructuur uit te bouwen die uiteindelijk ook vereist is voor brandstofcelvoertuigen. ·

De Ford P2000

Een productieklaar voertuig aangedreven door een waterstofmotor werd voorgesteld door Ford.31,32 De motor is een Zetec 2.0L H2-ICE die verder werd geoptimaliseerd. De motor werd getest met een compressieverhouding van 14.5/1 zonder EGR of nabehandelingstechniek. De lucht/brandstof-verhouding waarbij getest werd varieerde tussen 1.4-8. Er wordt gebruik gemaakt van indirecte injectie en de motor heeft 4 kleppen per cilinder. Het brandstofsysteem is speciaal ontwikkeld voor veiligheid en functionaliteit. Het grotendeel van de componenten van het brandstofsysteem bevinden zich in de kofferruimte behalve de relais van de brandstofleiding en de brandstofinjectoren. De elektronisch geregelde afsluitklep kan ervoor zorgen dat de rest van de brandstofleiding afgesloten wordt. Verder zijn er detectoren, ventilatoren, afsluitkleppen, alarm en dergelijke voorzien om de veiligheid te garanderen. Ventilatoren zorgen ervoor dat er zich geen waterstof opstapelt en zo een gevaarlijk mengsel vormt. Verder zijn er detectoren die de concentratie meten gekoppeld aan maatregelen die bij bepaalde concentratie waterstof elke ontsteking verhinderen en waterstoftoevoer afsluiten. Ook werd de motor voorzien van een speciaal ventilatiesysteem voor het carter. De waterstof wordt onder druk (248 bar) opgeslagen in 2 koolstofomwikkelde aluminiumtanks met een totale inhoud van 87L. De waterstof wordt aangeleverd bij een druk van 5.2 bar. Het voertuig werd getest en de emissies werden gemeten op de testbank volgens de Amerikaanse testcyclus (FTP-75). CO en KWS-emissies waren zeer laag, NOx-emissies daarentegen waren niet verwaarloosbaar. (CO: 0.6 g/km, KWS: 0.005 g/km, NOx: 0.46 g/km en CO2: 0.87 g/km). Dit zijn de resultaten van metingen na Fase II van de ontwikkeling van de motor. In deze tweede fase werd o.a. een verrijking van het mengsel toegepast bij hogere belasting resulterend in beter ‘drivability’ zoals de acceleratie maar eveneens resulterend in een hogere NOx-emissies. In eerdere experimenten werd reeds vastgesteld dat bij lambda lager dan 2 de NOx-emissies aanzienlijk stijgen. De ‘drivability’ bleek vlot en aanvaardbaar in stadsverkeer. De acceleratieperformantie vereist nog enige verbetering voor volledige aanvaarding door de gebruiker (0-96 km/h in 16.8s). Verdere testen met EGR, verhogen van de luchtoplaaddruk en nabehandelingstechnieken moeten de NOx-emissies, het vermogen en het verbruik nog verder optimaliseren. Op hun website kondigt Ford een marktrijp voertuig aan met een verbrandingsmotor op waterstof: Ford Model U concept.33 De motor is gebaseerd op de 2.3L I4 benzinemotor 49

gebruikt in de Ford Mondeo (en een aantal Mazda voertuigen). De motor werd geoptimaliseerd voor gebruik van waterstof door aanpassingen aan de zuigers, de brandstofinjectoren, de bougies en engine management software. De globale efficiëntie bedraagt 38% (bijna 25 beter dan benzinemotor). De motor produceert geen CO2 en koolwaterstoffen en zeer weinig stifstofoxiden (een cijfer werd hier niet opgegeven). Het probleem van lager vermogen - dat algemeen wordt vastgesteld wanneer een benzinemotor wordt aangepast voor waterstof (arm mengsel) - werd bij Ford opgelost door gebruik van een ‘supercharger’ (compressor aangedreven door de krukas om de druk van de inlaatlucht te verhogen) en intercooler. ·

BMW

BMW34 heeft in 2001 een wereldtoer gedaan om hun 15 waterstofvoertuigen (BMW 7-serie) te tonen. De BMW 750hL heeft een bi-fuel verbrandingsmotor en is uitgerust met een 5kW PEM brandstofcel. De verbrandingsmotor (12 cilinder met een vermogen van 150 kW) rijdt zowel op waterstof als op benzine en schakelt automatisch over indien één van de brandstoftanks leeg is. Het voertuig heeft een range van 300 km (op waterstof) plus 650 km (op benzine). Daarnaast is de BMW uitgerust met een PEM-brandstofcel (in plaats van een batterij) als APU. Deze brandstofcel gebruikt rechtstreeks waterstof uit de brandstoftank. Het voertuig is voorzien van een thermisch geïsoleerde tank met waterstof opgeslagen onder vloeibare vorm bij -253°C. Deze tank is volgens de constructeur voldoende geïsoleerd om geen verlies van waterstof te hebben indien het voertuig niet gebruikt wordt over een periode van 3 dagen. De eerste testvoertuigen zijn uitgerust met een 140 L tank en hebben een range van 400 km. De belangrijkste componenten van de BMW 750hL zullen gebruikt worden in de serieproductie. Een nieuw prototype, de BMW 745h, heeft een 4.4 L 8 cilinder motor en een vermogen van 135 kW. Een publiek tankstation is aanwezig bij de luchthaven van Munchen. Dit is volautomatisch met een robotarm waarbij geen interventie nodig is van de bestuurder bij het tanken. In 2 – 3 minuten is de tank gevuld, vergelijkbaar met het vullen van conventionele brandstof. BMW blijft voorstander van het gebruik van een verbrandingsmotor voor waterstof en ziet de rol van brandstofcellen veeleer als bron voor on-board elektriciteit (als APU). ·

Waterstofmotor voor stadsbus

Aan de Universiteit van Gent werd een GM/Crusader V8 SI motor omgebouwd voor waterstof om in te bouwen in een stadsbus.35,36 Hiervoor werd een sequentieel getimed multi point injectiesysteem geïmplementeerd omdat zo de dosering en timing van de brandstofinspuiting beter gecontroleerd kan worden en bijgevolg het kloppen van de motor kan voorkomen worden bij rijkere mengsels. De bougies dienden aangepast te worden om een goede ontsteking te bekomen. Een inspuitdruk van 3 bar werd gekozen omdat dit een combinatie met vloeibare waterstofopslag toelaat (het gebruik van gasvormige opslag laat een grotere variatie van inspuitdruk toe). Er werd vastgesteld dat de smeerolie verouderde gedurende de metingen resulterend in slechtere smeringeigenschappen. Ook kwam een grote hoeveelheid waterstof in het carter terecht. Een goede ventilatie van het carter is vereist om opeenstapeling van waterstof te verhinderen. Omwille van de brede ontvlambaarheidsrange van waterstof kan deze verbrand worden onder verschillende lucht/brandstof-ratio’s om tegemoet te komen aan de verschillende 50

belastingen van de motor. Bij stationair draaien werden hoge concentraties waterstof in de uitlaat gemeten wat niet aanvaardbaar is. Daarom werden regelkleppen voorzien om de luchttoevoer te regelen bij stationair toerental en werd gekozen voor WOT (wide open throttle = regelklep volledig open) in combinatie met variatie van het mengsel bij andere belastingspunten. In de studie van de RUG worden emissies van NOx van maximaal 750 ppm gerapporteerd. Een vergelijking met conventionele brandstoffen wordt niet gegeven. Algemeen kan gesteld worden dat een van de grootste problemen voor het gebruik van waterstof in een verbrandingsmotor het optreden van backfire is. Dit kan voorkomen worden door het gebruik van arme mengsels (l=2) maar arme mengsels leiden tot een verlies aan vermogen. Optimalisatie van ontstekingsduur, inspuittiming en injectiedruk resulteerden in het bereiken van een voldoende vermogen voor een 8m-stadsbus zonder dat er backfire optrad. ·

Bussen in demonstratieprojecten

In het Munchen Airport project30,37 worden 3 bussen ingezet met verbrandingsmotor op waterstof. Het gaat hierbij om 2 MAN-gelede bussen en 1 Neoplan gelede bus, alledrie met MAN-motor (MAN H2866UH met een vermogen van 140 kW, max koppel 700Nm@1000tpm). De motor werk iets onder l = 1 en de bus is uitgerust met een katalysator. De range bedraagt 150 km en de vultijd 10 minuten. De bussen worden gebruik in de shuttledienst sinds mei 1999 en zijn uitgerust met een waterstoftank van ongeveer 2550 L waterstof opgeslagen bij een druk van 250 bar. De topsnelheid bedraagt 30 km/h. Volgens MAN38 zijn de ervaringen met de drie bussen goed. De bussen hebben 300000 km gereden maar volgens MAN is de onderhoudsinspanning relatief hoog omdat het om prototypes gaat. Sinds de ingebruikname zijn er enkele verbeteringen doorgevoerd aan de motor waaronder: verbeterde H2-injectoren en verbeteringen aan de cilinderpakking. De engine-out NOx-emissies zijn hoog. Daarom werd een reductiekatalysator in de uitlaat geplaatst die gebruik maakt van de overmaat H2 om de NOx in de uitlaat te reduceren. De NOx-emissies gemeten volgens de 13-mode test liggen onder 0.4 g/kWh. Momenteel wordt bij MAN een nieuwe motor ontwikkeld met directe H2-injectie. Recenter werd een MAN bus gepresenteerd op EXPO 2000 in Hannover. Deze bus is een 12-meter bus uitgerust met een verbrandingsmotor van het type gebruikt in het Munchen Airport Project. Hydrogen Systems heeft in het kader van enkele projecten 2 waterstofbussen met verbrandingsmotor ontwikkeld. De eerste was een Van Hool bus type A120 met MANmotor (6 cilinder 12L MAN D2566 met vermogen van 85 kW @ 2200tpm). Deze bus werd gemaakt in het kader van het Europese ‘Euro Quebec’ project (EQHHPP). De bus was voorzien van een vloeibare waterstoftank van 125 L. Deze bus is niet verder geraakt dan een testfase en werd nooit ingezet in reële dienst. Deze motor werd getest door de Universiteit van Gent. Een tweede bus van Hydrogen Systems was de ZEM-bus. Deze is een Scania met DAFmotor met een 350L brandstoftank voor vloeibaar waterstof (voor 25 kg waterstof). Deze heeft een demonstratie gedaan in 2000 maar is momenteel niet meer operationeel. Het was 51

oorspronkelijk de bedoeling de emissies te meten van deze bus in reëel verkeer maar gezien de bus niet meer operationeel is werden deze niet uitgevoerd. Volgens Hydrogen Systems liggen de NOx-emissies onder 0.25mg/kWh en zijn er geen CO of KWS-emissies. Lambda-waarde bedraagt 5. In Georgia liep van juni 1997 tot april 1998 een demonstratie met een hybride bus met een verbrandingsmotor (met regeneratie van remenergie). De bus was uitgerust met een driewegkatalysator. De waterstof werd onder hydride vorm opgeslagen en de bus had een range van 240 km (verbruik 0.1 kg/km). De geschatte kosten voor massaproductie bedroegen 500000 euro. Demonstraties werden uitgevoerd in Canada met 2 bussen eveneens in het kader van het EQHHPP-project. Het ging hierbij om een Novabus met een aangepaste Cummins aardgasmotor op Hythane (15-20% H2 en 80-85% aardgas). De hythane werd opgeslagen in composiettanks bij een druk van 200 bar (4 tanks met elk een volume 392 L geïntegreerd in het dak van de bus). De range van de bus bedroeg 400 km.

4.2 Brandstofcellen2,5 4.2.1

Technische karakteristieken

In een brandstofcel wordt stroom geproduceerd door een elektrochemische reactie. De chemische energie van de brandstof wordt rechtstreeks omgezet in elektrische energie zonder intermediaire thermische of mechanische processen. De brandstof reageert met de zuurstof en de geproduceerde energie wordt vrijgezet als laagspanningstroom en warmte. In een verbrandingsmotor daarentegen reageert de brandstof met zuurstof resulterend in een verbrandingsproces en wordt de geproduceerde energie vrijgezet als warmte die deels gebruikt wordt om arbeid te leveren (de zuigers te verplaatsen). Een brandstofcel is een galvanische cel en bestaat uit twee elektrodes (anode en kathode) en een elektrolyt. In een brandstofcel maken de brandstof en zuurstof zelf deel uit van de elektrodes (vaak in contact met een Pt-katalysator). In onderstaande figuur wordt een schematische voorstelling van een brandstofcel gegeven. Aan de anode wordt de brandstof (meestal waterstof) geoxideerd en aan de kathode wordt zuurstof gereduceerd. Anode en kathode zijn gescheiden door een elektrolyt dat geleiding van ionen mogelijk maakt maar rechtstreeks contact tussen anode en kathode verhindert. Extern zijn de elektrodes door een elektrisch circuit verbonden zodat de elektronen gevormd aan de anode zich spontaan zullen verplaatsen naar de kathode resulterend in een elektrische stroom. Indien in het elektrisch circuit een belasting is aangelegd kan de brandstofcel op deze manier nuttige energie leveren. De snelheid van de elektrodereacties wordt bepaald door het gevraagde vermogen. In principe kan een brandstofcel werken op basis van verschillende brandstoffen en oxidantia. Waterstof wordt sinds lang beschouwd als de meest efficiënte brandstof omdat het een hogere elektrochemische reactiviteit heeft in vergelijking met andere brandstoffen zoals koolwaterstoffen en alcoholen. Zuurstof is het meest voor de hand liggende oxidans omwille van zijn hoge reactiviteit en zijn beschikbaarheid (in omgevingslucht).

52

4.2.2

Types brandstofcellen

Er zijn momenteel verschillende types brandstofcellen beschikbaar waarvan de bruikbaarheid als aandrijving voor mobiele toepassingen varieert. De verschillende types onderscheiden zich door het gebruikte elektrolyt. Het gebruikte elektrolyt bepaalt de werkingstemperatuur en brandstofcellen kunnen onderverdeeld worden in 2 categorieën: lage- en hoge-temperatuurbrandstofcellen. Een schematische voorstelling van de verschillende types en hun elektrochemische reactie wordt gegeven in onderstaande figuur en tabel.39 De operationele temperatuur is een kritische parameter voor brandstofcellen voor transporttoepassingen omwille van de snelle opstart- en thermische isolatievereisten. Bijgevolg zijn de meeste brandstofcellen voor mobiele toepassing van het lagetemperatuurstype. In Tabel 6 wordt een overzicht gegeven van de voornaamste karakteristieken van de verschillende types brandstofcellen, zowel hoge- als lage-temperatuurstypes, welke verder worden besproken.

Figuur 16: Schematische voorstelling van de verschillende types brandstofcellen met hun reacties (AFC: Alkaline Fuel Cell, PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell, MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell, SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)

53

Tabel 5: Anode- en kathodereacties voor verschillende types brandstofcellen Fuel Cell Type

Anode Reaction

Cathode Reaction

Alkaline

H2 + 2OH- ® 2H2O + 2e-

½O2 + H2O + 2e- ® 2OH-

Proton Exchange

H2 ® 2H+ + 2e-

½O2 + 2H+ + 2e- ® H2O

Phosphoric Acid

H2 ® 2H+ + 2e-

½O2 + 2H+ + 2e- ® H2O

Molten Carbonate

H2 + CO3 ® H2O + CO2 + 2e-

½O2 + CO2 + 2e- ® CO3

Solid Oxide

H2 + O= ® H2O + 2e-

½O2 + 2e- ® O=

=

=

Tabel 6: Belangrijkste eigenschappen van de verschillende types brandstofcellen zoals samengevat in overzichtsstudie19

4.2.2.1 Lage-temperatuur brandstofcellen

54

Lage-temperatuur brandstofcellen hebben zoals gezegd een snellere opstarttijd en daarnaast ook een compacter volume en lager gewicht in vergelijking met hoge-temperatuur brandstofcellen. De drie belangrijkste types zijn PEM, PAFC en AFC en worden hieronder kort besproken. Een nadeel is dat ze steeds een externe waterstofbron nodig hebben. ·

PEM brandstofcel

De PEM of Proton Exchange Membrane brandstofcel wordt ook wel ‘solid polymer’ (‘vast polymeer’) brandstofcel genoemd. Het elektrolyt bestaat uit een vaste polymeerfilm gemaakt uit een soort teflon met gesubstitueerde zuurgroepen. De reacties zijn: Anode: H2 → 2 H+ + 2 eKathode: ½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O Het elektrolyt zorgt voor geleiding van H+ van de anode naar de kathode. Dit type brandstofcel heeft een aantal eigenschappen die zeer gunstig zijn voor het gebruik in mobiele toepassingen zoals een hoge vermogendichtheid, snelle opstarttijd, snelle respons voor variabele belasting en lage werkingstemperatuur en -druk. Bovendien zijn PEMFC tolerant voor CO2 en kunnen ze bijgevolg ongezuiverde lucht gebruiken als oxidans. De PEM-brandstofcel gebruikt een vast electrolyt dat de hanteerbaarheid vergemakkelijkt. Nadelen zijn het gebruik van een dure Pt-katalysator, de lagere efficiëntie en de lage tolerantie voor CO (50 ppm) en zwavel (enkele ppm). Bovendien moeten de reagerende gassen bevochtigd worden wat de complexiteit en energieverbruik van het systeem verhoogt. Volgens CARB benadert dit type het best de vereisten voor mobiele toepassingen. Bovendien situeert het overgrote deel van de onderzoeksinspanningen zich rond PEM en wordt in de meeste prototypevoertuigen een PEM-brandstofcel gebruikt. De DMFC (Direct Methanol-Air Fuel Cell) is een speciaal type PEM-brandstofcel en gebruikt een methanol/water-mengsel rechtstreeks als brandstof samen met omgevingslucht als zuurstofbron. Bij 130°C en in aanwezigheid van een edelmetaalkatalysator treedt onderstaande reactie op aan de anode: CH3OH + H2O → 6 H+ + CO2 + 6 eDit zou een minder dure brandstofceloptie kunnen zijn omdat het de on-board brandstofreforming overbodig maakt en ook productie van waterstof en bijhorende volumineuze en dure opslag (van waterstof) omzeilt. Momenteel staat deze technologie nog in zijn kinderschoenen en is de performantie nog beperkt maar verder onderzoek wordt verricht. Daimler Chrysler en Energy Ventures Inc. werken aan een DMFC.

·

PAFC

PAFC’s (Phosphoric Acid Fuel Cell) gebruiken vloeibaar fosforzuur als elektrolyt in een matrix van siliciumcarbide, wat zorgt voor de geleiding van H+ van de anode naar de 55

kathode. De reacties zijn dezelfde als voor de PEM-brandstofcel. De werkingstemperatuur bedraagt 150 - 200 °C en druk 1 bar. Ze hebben een iets hogere tolerantie (1-2%) voor CO dan andere types en een goede tolerantie voor CO2 (30%). Ze kunnen bijgevolg ongezuiverde lucht als oxidans gebruiken. Een nadeel is hun beperkte tolerantie voor S-componenten (50 ppm). PAFC’s zijn de meest commercieel ontwikkelde types en worden veel gebruikt in stationaire toepassingen. Een nadeel van dit type is dat lange opwarmtijden vereist zijn wat ze minder geschikt maakt voor gebruik in mobiele toepassingen. Het elektrolyt is corrosief wat materiaaldestructie veroorzaakt en bovendien vloeibaar wat de hanteerbaarheid bemoeilijkt en resulteert in een geleidelijke verdamping. Bovendien zijn ze groot en zwaar wat hun gebruik beperkt tot HD toepassingen. Georgetown University heeft een aantal PAFC 9- en 12-meter bussen operationeel sinds midden jaren ’90 maar heeft recenter geïnvesteerd in PEMbrandstoffcellen voor de aandrijving van bussen omwille van de vooruitgang geboekt voor dit type brandstofcel. Een nieuw type van zuur-brandstofcellen momenteel in ontwikkeling gebruiken een vast zuur als elektrolyt en worden gemaakt uit componenten zoals CsHSO4. Ze hebben een werkingstemperatuur van 250°C. Deze zijn nog maar in een experimenteel stadium. ·

AFC

AFC (Alkaline Fuel cells) gebruiken een basisch elektrolyt wat OH- geleidt van de kathode naar de anode. Het elektrolyt bestaat typisch uit een gesmolten alkalisch mengsel zoals KOH. Zowel mobiel als immobiel elektrolyt wordt gebruikt. Mobiele AFC’s gebruiken een vloeibaar elektrolyt dat continu circuleert tussen anode en kathode. In dit geval doet het elektrolyt ook dienst als koelvloeistof en om het reactiewater af te voeren. Immobiele AFC’s gebruiken een elektrolyt dat uit een dikke pasta bestaat in een poreuze matrix (zoals asbest). De werkingstemperatuur van AFC’s bedraagt 65 – 220°C en de werkingsdruk is 1 bar. AFC’s hebben een snelle opstarttijd en een hoge efficiëntie. Hun volume en gewicht zijn beperkt. AFC’s zijn een van de meest ontwikkelde brandstofcellen omwille van hun gebruik in het NASA ruimtevaartprogramma maar zijn momenteel te duur voor commercieel gebruik. Het voordeel is dat ze opgebouwd zijn uit relatief goedkope componenten maar de lage tolerantie voor CO2 maakt dat aanvoer van zuivere zuurstof en waterstof vereist zijn. Dit laatste zorgt ervoor dat hun gebruik in transporttoepassingen beperkt zal blijven. In geval van een vloeibaar elektrolyt wordt bovendien de hanteerbaarheid moeilijk.

4.2.2.2 Hoge-temperatuur brandstofcellen De twee belangrijkste types zijn SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) en de MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell). In het algemeen zijn hoge-temperatuur brandstofcellen efficiënter in het genereren van elektrische energie dan lage-temperatuur brandstofcellen. Bovendien produceren ze restwarmte van een hogere temperatuur welke gemakkelijker af te voeren is in stationaire toepassingen maar problematisch is mobiele toepassingen. Een voordeel van de hoge werkingstemperatuur is dat interne reforming van koolwaterstoffen mogelijk is. Een nadeel zijn de hoge eisen die gesteld worden aan de gebruikte materialen. Slechts 56

weinig materialen zijn gedurende een lange periode werkzaam zonder dat degradatie optreedt in een chemische omgeving bij hoge temperaturen. ·

SOFC

Het elektrolyt van SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) is een keramisch materiaal bestaande uit een vast oxide (meestal zirconia gestabiliseerd met andere zeldzame aardmetalen zoals Ytrium). Het elektrolyt geleidt de zuurstofionen van de kathode naar de anode. SOFC’s hebben een werkingstemperatuur van 800 – 1000°C. Ze zouden een hoge efficiëntie en snelle kinetica hebben. Ze hebben een goede tolerantie voor brandstofonzuiverheden (redelijk voor S-componenten: 50ppm) en gebruiken een keramisch materiaal als elektrolyt wat problemen verbonden met vloeibare elektrolyten (zoals corrosie en hanteerbaarheid) vermijdt. Nikkel en Kobalt worden gebruikt als elektrodemateriaal. Zoals het geval is met andere hoge-temperatuurbrandstofcellen blijft hun potentieel gebruik beperkt tot HD-toepassingen omwille van hun grootte en lange opwarmtijd. Bovendien moeten materialen gekozen worden die bestand zijn tegen hoge temperaturen. De SOFC is een van de laatst ontwikkelde brandstofcellen en bevindt zich nog in een ontwikkelingsfase maar zou een veelbelovend potentieel hebben. Delphi Automotive en BMW ontwikkelen SOFC als APU in voertuigen. ·

MCFC

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) bestaat uit een gesmolten mengsel van Li- en Kcarbonaten in een keramische matrix van lithiumaluminaat. Bij de werkingstemperatuur (650°C) is het mengsel een dikke pasta en zorgt voor een afdichting aan de celuiteinden. Het elektrolyt zorgt voor geleiding van de carbonaationen van de kathode naar de anode. De hoge werkingstemperatuur maakt het intern reformen van koolwaterstoffen - zoals aardgas en petroleumgebaseerde brandstoffen - mogelijk. Anderzijds resulteert de hoge werkingstemperatuur in corrosieproblemen en zijn duurdere corrosieresistente materialen (zoals Pt) vereist voor de constructie van de brandstofcel. MCFC’s zouden een goede efficiëntie hebben, een snelle reactietijd en vereisen - onafgezien van de corrosieproblemen geen edelmetaal als katalysator. Het nadeel is dat ze een zeer lage tolerantie voor Scomponenten hebben (1 – 5 ppm), een aanzienlijke opstarttijd en het gebruik van een vloeibaar elektrolyt. MCFC werden ontwikkeld voor stationaire toepassingen. Fuel Cell Energy demonstreert momenteel het gebruik en verwacht commerciële introductie voor stationaire toepassingen. 4.2.3

Brandstofcelsysteem

Individuele brandstofcellen leveren op zich te weinig stroom en daarom worden meerdere individuele cellen aaneengeschakeld ter vorming van een zogenaamde ‘stack’. Brandstofcellen zijn slechts een deel van het ganse systeem. In onderstaande figuur wordt een schematisch voorstelling gegeven van de integratie van de brandstofcel in het ganse systeem.

57

Een brandstofcel heeft brandstof, oxidans en koeling nodig om te kunnen werken. De samenstelling, druk en debiet van deze stromen moeten geregeld worden. Daarenboven moeten de gassen bevochtigd worden en moet de koeltemperatuur gecontroleerd worden. Om dit te verwezenlijken is heel wat randapparatuur nodig waarop we hier verder niet zullen ingaan. Bovendien moet het vermogen dat geleverd wordt door de FC nog op de wielen van het voertuig gebracht worden wat gepaard gaat met transmissieverliezen. Bij de vergelijking van de efficiëntie met een verbrandingsmotor is het wel belangrijk de energieverliezen bij elk van deze stappen in rekening te brengen.

Figuur 17: Integratie van een brandstofcel in het ganse systeem voor de aandrijving van een voertuig (Bron Daimler Chrysler uit ref 40) 4.2.4

Voor- en nadelen van brandstofcellen2

In onderstaande worden kort de voor- en nadelen van brandstofcellen op een rijtje gezet. Hierop wordt verder teruggekomen in deel ‘vergelijking van ICE met FC’. ·

Voordelen

Het voordeel van brandstofcellen is dat ze - indien ze rechtstreeks op waterstof werken geen emissies hebben bij gebruik. De enige producten zijn water en warmte. Indien de FC werkt op een waterstofrijk reformmengel kunnen wel schadelijke stoffen worden uitgestoten, geproduceerd bij de reforming. De thermodynamische efficiëntie van FC’s is beter dan deze van verbrandingsmotoren. Daarnaast is ook de efficiëntie bij deellast (wanneer niet het maximaal vermogen wordt gevraagd) groter in vergelijking met verbrandingsmotoren. Reformers zijn minder efficiënt bij deellast zodat de totale efficiëntie van het brandstofcelsysteem slechter wordt indien een reformer wordt gebruikt.

58

PEM-brandstofcellen hebben een goede respons op veranderingen in belasting, wat zeer belangrijk is voor het gebruik in mobiele toepassingen. Het brandstofcelsysteem heeft naast de brandstofcel nog een aantal mechanische onderdelen die elk hun eigen responstijd hebben. Brandstofcellen die rechtstreeks op waterstof werken hebben een goede transiënte respons. Brandstofcelsystemen die gebruik maken van een on-board reformer kunnen echter trager zijn. ·

Nadelen

Een van de nadelen van brandstofcellen (welke ze gemeenschappelijk hebben met een H2ICE) is dat een waterstoftankinfrastructuur moet worden opgebouwd en voldoende productiecapaciteit moet worden voorzien om aan de waterstofvraag tegemoet te komen. Daarnaast heeft waterstof een lage energiedichtheid wat de opslag aan boord van het voertuig bemoeilijkt. Brandstofcellen vragen bovendien zuivere waterstof, zonder onzuiverheden zoals zwavel en koolstofhoudende componenten. De sensitiviteit voor onzuiverheden hangt af van het type en werd in bovenstaande reeds besproken. Brandstofcellen voor mobiele toepassingen vereisen typisch Pt als katalysator, wat op zich vrij duur is. Brandstofcellen mogen niet bevriezen wanneer er zich nog water in de brandstofcel bevindt omdat zo bepaalde beschadigingen zouden kunnen optreden. Bij het stilleggen van het voertuig in koud klimaat werkt de brandstofcel niet meer maar moet deze wel warm gehouden worden om te voorkomen dat het water bevriest en beschadiging optreedt. PEM brandstofcellen moeten vochtig blijven bij gebruik. Werking onder droge omstandigheden kunnen het membraan beschadigingen. Brandstofcellen vereisen complexe ondersteuning- en controlesystemen. Zo moet bijvoorbeeld gecomprimeerde lucht worden aangevoerd wat een compressor vereist. Brandstofcellen zijn relatief zwaar. De stack op zich is niet zo zwaar maar de combinatie met de ondersteunende systemen en de opslag maken het geheel zwaar. Ondanks hun gewicht hebben bestaande prototypes aangetoond dat ze voldoende compact gemaakt kunnen worden voor het gebruik in automotive toepassingen. De brandstofceltechnologie is een opkomende technologie en zoals met alle nieuwe technologieën zijn reducties in kost, gewicht en grootte belangrijke ontwikkelingsdoelstellingen, evenals een verhoging van betrouwbaarheid en levensduur. 4.2.5

Brandstofcellen in bussen

Brandstofcellen zijn reeds geëvalueerd en ontwikkeld voor openbaar vervoer toepassingen. De meeste Europese en Noord-Amerikaanse busconstructeurs zijn momenteel betrokken in

59

ontwikkeling-, demonstratie- of evaluatieprojecten. De belangrijkste demonstratieprojecten worden in hoofdstuk 5 besproken. In onderstaande worden de verschillende bussen op waterstof besproken. · P3 bus (New Flyer Industries) Een demonstratieprogramma in Chicago met drie bussen (P3 bus) van de Chicago Transit Authority (CTA) liep van 1998 tot 2000. Ballard Power Systems uit Canada leverde de PEM-brandstofcellen op gasvormig waterstof. In dit project werd een vulstation gebruikt waar waterstof onder vloeibare vorm werd opgeslagen. Een gelijkaardig pilootproject werd recent beëindigd in Vancouver. Deze bussen hebben samen een afstand afgelegd van 118000 km.41 · Zebus (Evobus) De brandstofcel van Ballard werd ook gebruikt in een project met SunLine Transit Agency in Palm Desert. Een opvolger van de P3-bus is de P4-bus (of Zebus). De belangrijkste verbeteringen zijn een vermindering van het motorvolume met 50%, een vermindering van gewicht en een vermindering van de opstarttijd van 45 tot 3 s.42 Deze ZEbus heeft een 13maand durend demonstratieprogramma doorlopen en een afstand van 24000 km afgelegd. · Nebus (Evobus) Daimler Chrysler’s ‘New Electric Bus’ Nebus, heeft een demonstratie doorlopen in Hamburg en Stuttgart. · Citaro (Evobus) Daimler Chrysler heeft zijn eerste brandstofcelbussen verkocht voor testprojecten in verschillende Europese steden. Daimler zal 30 Mercedes-Benz Citaro bussen uitrusten met nieuwe brandstofcelmotoren van XCELLSIS (met PEM-brandstofcelstacks van Ballard) die eind 2002 tot 2003 geleverd zullen worden. De voertuigen rijden op gasvormig waterstof en hebben een topsnelheid van 80 km/h en een actieradius van 300 km. In onderstaande figuur wordt een beeld gegeven van de bus en de verschillende componenten zoals de bussen gebruikt in het CUTE-project (zie verder). http://www.fuel-cell-bus-club.com/ Overheden in IJsland plannen een vier jaar durend project (7 miljoen euro) ECTOS waarbij brandstofcelbussen worden ingezet en een waterstoftankstation wordt uitgebouwd.

60

Figuur 18: Voorstelling van de brandstofcelbus zoals gebruikt in het CUTE-project Daimler Chrysler neemt eveneens deel aan een joint venture met BP Amoco rond brandstofcelbussen in Londen waarbij Daimler Chrysler 3 waterstofbussen aanlevert en BP zorg voor de waterstofinfrastructuur. · Neoplan Neoplan lanceerde zijn eerste waterstofcelbus in oktober 1999. De 8-meterbus wordt aangedreven door een 50 kW DeNora PEMFC (op gasvormig waterstof) met een batterij om in een totaal vermogen te voorzien van 150 kW. Neoplan en Proton Motor Fuel Cell GmbH demonstreerden een hybride brandstofcelbus in Munchen met een 400V 80kW PEM brandstofcel. · Georgetown University Georgetown University introduceerde een commercieel beschikbare brandstofcelbus in mei 1998. De bus gebruikt een 100 kW PAFC van International Fuel Cells op methanol (onboard reformer) met een actieradius van 560 km. In 2000 toonde Georgetown University zijn tweede brandstofcelbus. Deze heeft een 100 kW PEM-brandstofcel van XCELLSIS en maakt gebruik van methanol. De bus heeft een actieradius van 560 km. Momenteel wordt gewerkt aan een derde generatie (Fase III) met PEM-brandstofcel (op methanol), hierbij zal in tegenstelling tot de andere twee niet voor hybride aandrijving gekozen worden. · MAN bus MAN demonstreerde (in het ‘Bavarian Fuel Cell Project’)43 een 12-meter lage-vloer bus aangedreven met een 120 kW 400 V Siemens/KWU PEM-brandstofcel. De waterstoftank bevindt zich op het dak van de bus en heeft een totaalvolume van 1548 L wat overeenkomt met een actieradius van 250 km. De bus werd gebruikt in openbaar vervoer in Neurenberg en Erlangen. De efficiëntie ligt bij deellast 20 tot 30% hoger in vergelijking met een dieselmotor. Een duidelijke vermindering van geluidsniveau werd door de meeste passagiers vastgesteld. MAN plant een tweede-generatie met vloeibaar waterstof voor demonstraties in Berlijn, Lissabon en Kopenhagen. · andere Thor Industries heeft een bus gebouwd met 75 kW PEMFC in samenwerking met IFC (International Fuel Cells) en ISE Research. Toyota Motor Corp. heeft met Hino Motors een hybride brandstofcelbus (met 160 en 180kW PEMFC) ontwikkeld met gasvormig waterstof. Renault en Iveco (Irisbus) hebben hun 60kW brandstofcelbus voorgesteld in 2001 om in Turijn te demonstreren in 2002. Scania heeft een hybride FC-bus op gasvormig waterstof met 50kW PEM-brandstofcel

61

Naast bussen richt ook een deel van het onderzoek en demonstraties zich op personenwagens. Hierop wordt in deze studie niet verdere ingegaan maar in de tabel in Appendix A wordt een overzicht gegeven van alle prototypes lichte voertuigen.

4.3 Vergelijking van brandstofcel (FC) met verbrandingsmotor (ICE) De werking van een verbrandingsmotor en brandstofcel zijn fundamenteel verschillend. In een verbrandingsmotor wordt mechanische arbeid (en warmte) verricht uit de verbrandingsreactie in de motor. In een brandstofcel daarentegen leidt de chemische reactie van brandstof en zuurstof tot de productie van stroom (en restwarmte) die een elektrische motor aandrijft. Het resultaat is dat brandstofcellen geen emissies produceren indien ze rechtstreeks waterstof gebruiken. Een verbrandingsmotor op waterstof kan afgesteld worden om bijna geen emissies te geven. Andere performantie-eigenschappen mogen hierbij niet verslechteren. De efficiëntie van brandstofcellen is beter dan van verbrandingsmotoren omdat ze werken bij lagere temperaturen en bijgevolg minder energie als warmte verloren gaat. Dit wordt in onderstaande verder besproken. 4.3.1

Efficiëntie

Belangrijk is - zoals ook geïllustreerd in onderstaande figuur - onderscheid te maken tussen FC ‘stack’ efficiëntie en FC-systeem efficiëntie. Indien ook nog een reformer gebruikt wordt moet ook deze efficiëntie mee in rekening worden gebracht. De brandstofcel stack efficiëntie wordt bepaald door de efficiëntie van de elektrochemische reactie. Deze bedraagt typisch 40-50% bij operationele omstandigheden en kan oplopen tot 90% zonder belasting.2 De brandstofcel systeemefficiëntie is de efficiëntie van het ganse systeem en brengt naast verliezen van de stack zelf ook de energieverliezen van de randapparatuur en transmissie in rekening. Zo moet een brandstofcel voorzien zijn van gecomprimeerde lucht (wat een compressor vereist) en gekoeld worden. Hieronder worden vergelijkingen uit enkele belangrijke studies weergegeven. De efficiëntie van een middenklasse personenwagen bedraagt 18% (dwz dat 18 % van de energie in de brandstof wordt omgezet in aandrijving van de wielen). Rekening houdend met een efficiëntie van brandstofproductie- en distributie van 85% resulteert dit in een ‘wellto-wheel’-efficiëntie van 15%. Verbeterde design kunnen de efficiëntie verhogen tot 20% en het gebruik van benzinehybride heeft een efficiëntie van 31%. Brandstofcellen zouden een efficiëntie hebben van 38% (inclusief de brandstofreformer). Dit is het resultaat van een brandstofcel-efficiëntie van 50-60% en een efficiëntie van de Andere bronnen geven een systeemefficiëntie voor de reformer van 78-85%.44 (PEM)brandstofcel van 30 – 40% (brandstofcel stack-efficiëntie van 40-50%) en een reformer efficiëntie van 65 – 75%.2 Daarnaast moet ook het effect van het hoger gewicht van brandstofcellen in vergelijking met een verbrandingsmotor in rekening gebracht worden. Dit is echter veel moeilijker te kwantificeren. Onderstaande figuur toont de efficiëntie van de brandstofcel, de reformer en het ganse FCsysteem in vergelijking met een verbrandingsmotor op benzine. De efficiëntie van de brandstofcel varieert slechts weinig in functie van het vermogen. Bovendien is de efficiëntie hoger bij deellast. De reformer verlaagt de efficiëntie van de brandstofcel aanzienlijk. 62

Figuur 19: Efficiëntie van een brandstofcel met reformer in vergelijking met een benzine ICE 4 In de studie ‘Comparative Assessment of Fuel Cell Cars’45 werd een vergelijking gemaakt van voertuigen (personenwagens) op basis van brandstofcellen en op basis van een conventionele verbrandingsmotor. De studie is een vervolg op de studie ‘On the Road in 2020: A life cycle analysis of new automobile technologies’.46 De aannames voor brandstofcellen in de nieuwe studie waren gunstiger. Belangrijkste conclusie was dat – rekening houdend met de onzekerheden op lange termijn voorspellingen – enkel op basis van energieverbruik en broeikasgasemissies (over de ganse levenscyclus) niet gesteld kan worden dat hybride FC-voertuigen de voorkeur hebben tegenover hybride voertuigen met ICE voor de komende 20 jaar wanneer gebruik gemaakt wordt van brandstoffen uit petroleum of aardgas. Hybride voertuigen zijn beter dan de analoge niet-hybride aandrijvingen. Het energieverbruik over de ganse levenscyclus voor niet-hybride voertuigen op waterstof is 15% lager dan diesel (in 2020) en vergelijkbaar met diesel voor de FC met benzine reformer. Indien enkel het verbruik aan boord van het voertuig wordt beschouwd scoort de brandstofcel op waterstof ongeveer 47% beter in vergelijking met de dieselmotor. Brandstofcelvoertuigen op waterstof hebben een lager energieverbruik dan brandstofcelvoertuigen met een on-board benzinereformer. Daarnaast werden nog andere bevindingen weergegeven. Brandstofcelvoertuigen zijn stiller en hebben lagere (niet GHG-)emissies. Brandstofcelvoertuigen zijn daarentegen wel duurder en vereisen nieuwe infrastructuur voor fabricage en onderhoud en voor productie en distributie van waterstof. Waterstof scoort beter dan conventionele technologieën voor verbruik en GHG-emissies als enkel het gebruik van het voertuig wordt beschouwd maar heeft geen voordeel meer indien de ganse levenscyclus wordt beschouwd en waterstof niet 63

geproduceerd wordt uit hernieuwbare energie. Vandaar dat in deze studie het belang benadrukt wordt van een ganse levenscyclusanalyse voor het vergelijken van toekomstige technologieën. De efficiëntie van de benzinereformer was 72.5% in de voorgaande studie en werd in de nieuwe studie afhankelijk van het vermogen verondersteld (van 60% voor <5% van piekvermogen tot 81% voor >20% van piekvermogen). De globale FC systeemefficiëntie (Netto DC energie geleverd/LHV van de brandstof) bedraagt 50 – 71% voor de waterstofbrandstofcel en 33 – 42 % voor de benzinebrandstofcel, afhankelijk van het vermogen. In de GM studie werd een TTW (Tank-to-wheel) analyse doorgevoerd voor ICE en brandstofcelvoertuigen voor conventionele en alternatieve brandstoffen, waaronder ook een ICE, een hybride ICE, een FC en hybride FC op waterstof en FC met reformer (FP: Fuel Processor) op benzine, ethanol en methanol. In onderstaande tabel worden de belangrijkste resultaten weergegeven. Ter vergelijking worden ook een ICE op benzine en diesel weergegeven en de referentie in de studie (een benzine ICE in 2010). Het verbruik voor alle scenario’s berekend in de studie wordt in Figuur 20 weergegeven in equivalent benzine (L/100km). Tabel 7: Resultaten uit de GM-studie Technologie Benzine ICE Diesel ICE Benzine ICE Ref scenario 2010 LH2 ICE LH2 ICE hybride CH2 FC CH2 FC hybride LH2 FC LH2 FC hybride Benzine FPFC Benzine FPFC hybride Methanol FPFC Methanol FPFC hybride Ethanol FPFC Ethanol FPFC hybride * in equivalent benzine

Verbruik (L/100km)* 8.15 6.16 7.66

Motor efficiëntie 21 28.5 22.5

Voertuig efficiëntie 18.2 25.5 19.4

Acceleratie (0 – 100 km/h) s 11.6 11.8 11.6

6.37 4.70 3.59 3.31 3.51 3.24 5.56 4.84

27.7 37.7 56.6 55.6 56.6 55.6 37.8 39.2

24.2 34.9 44.3 48.9 44.3 48.9 28.9 35.2

11.7 9.1 10.7 9.5 10.4 9.3 10.8 10.0

5.11 4.49

41.5 42.6

31.9 38.4

11.1 10.2

5.30 4.61

37.9 41.1

30.4 36.9

10.8 10.0

Uit bovenstaande tabel blijkt duidelijk dat de hybride vorm een lager verbruik en hogere efficiëntie heeft en ook beter scoort voor de enige hier beschouwde voertuigprestatieparameter nl. acceleratie (0-100km). Het effect op verbruik en efficiëntie is groter bij de ICE dan bij de FC, te wijten aan de betere efficiëntie bij deellast voor FC’s. 64

Figuur 20: TTW-efficiëntie voor conventionele aandrijvingen en brandstofcellen uit de GMstudie Zoals te verwachten is de brandstofefficiëntie voor brandstofcellen rechtstreeks op waterstof beter dan voor brandstofcellen met een reformer. De verbrandingsmotor op waterstof scoort duidelijk slechter voor verbruik dan de brandstofcel op waterstof. De totale efficiëntie (WTW) zal bepaald worden door het productieproces van waterstof. Het verbruik voor gasvormig waterstof en vloeibaar waterstof zijn ongeveer gelijk. Indien de productie in rekening wordt gebracht zal het vloeibaar maken van de waterstof een aanzienlijk energieverlies betekenen. In onderstaande figuur worden de WTW-resultaten van de GM-studie weergegeven. De verschillende productiepaden voor waterstof werden in bovenstaande reeds uitgebreid besproken en het is dan ook niet onze bedoeling hier alle mogelijkheden opnieuw te herhalen. De brandstofcel op waterstof scoort voor energieverlies op WTW-basis slechter dan de conventionele diesel indien waterstof door elektrolyse uit netstroom wordt geproduceerd. Een verbetering van het energieverlies werd vastgesteld indien de waterstof uit aardgas via reforming of door elektrolyse op basis van windenergie of uit biomassa werd geproduceerd. Een ICE op vloeibaar waterstof uit aardgas heeft geen CO2-emissies bij gebruik maar resulteert in hogere WTW-emissies dan conventionele diesel of benzine. FC-voertuigen hebben geen TTW-emissies en hebben het potentieel om de WTW-emissies te verlagen in vergelijking met benzine of diesel indien gebruik gemaakt wordt van hernieuwbare energie.

65

Energy loss split into WTT and TTW Batt. charged with Electr. (Wind onsite), EV Batt. charged with Electr. (B. Mix), EV

TTW

Methanol from natural gas, FPFC Methanol from natural gas, ICE

WTT

CGH2 from biomass, FC CGH2 from Electr. (wind onsite), FC CGH2 from Electr (Belg Mix), FC CGH2 from natural gas, FC CGH2 from natural gas, ICE natural gas, HEV natural gas, ICE LPG, ICE Bio-Ethanol, ICE FT diesel from natural gas, ICE Biodiesel, ICE Diesel, HEV Diesel, ICE Gasoline, FPFC Gasoline, HEV Gasoline, ICE

0

1

2

3

4

5

6

Energy losses (MJ/km)

Figuur 21: Energieverliezen voor verschillende combinaties van aandrijfsystemen/brandstoffen/ brandstofproductie uit de GM-studie5 4.3.2

Emissies

Emissieresultaten van brandstofcellen en nog meer van verbrandingsmotoren op waterstof zijn zeer beperkt. Vergelijkingen tussen beide technologieën werden niet gevonden. Wat de uitlaatemissies betreft kunnen we stellen dat de brandstofcel op waterstof helemaal geen emissies (enkel water) heeft bij gebruik van het voertuig, tenzij een on-board reformer wordt gebruikt. In deze context is het dan beter de emissies van de volledige keten te vergelijken (WTW) omdat bij de productie van waterstof mogelijk wel emissies worden geproduceerd (zie vorige hoofdstuk). Een verbruik van 13.8 g waterstof/km werd aangenomen in de GMstudie. In een Duitse studie47 werd een vergelijking gemaakt van CO2 en andere emissies voor verschillende brandstofcelvoertuigen (personenwagens) met een Euro 2 benzine als referentie. De resultaten worden in onderstaande figuren weergegeven. Hieruit wordt duidelijk dat een brandstofcel op waterstof het best scoort indien de waterstof geproduceerd wordt op basis van elektrolyse uit hernieuwbare energie. Brandstofcellen op waterstof scoren iets beter voor CO2 en verbruik dan brandstofcellen op methanol. De emissies van al deze brandstofcelvoertuigen liggen beneden de 15% van de referentie. Enkel methaanemissies liggen hoger voor het brandstofcelvoertuig op waterstof uit aardgas. De conclusie van de kosten-baten analyse uitgevoerd in deze studie is dat het meer kosteneffectief is zich te concentreren op het ontwikkelen van ULEV (Ultra Low Emission Vehicles)-voertuigen met conventionele brandstoffen dan een waterstoftechnologie te introduceren.

66

Figuur 22: Emissies van brandstofcellen in vergelijking met EuroII-referentie In een andere studie (uit ref 19) werden de emissies (CO, NOx en KWS) van conventionele technologieën en brandstofcelopties vergeleken: brandstofcellen op waterstof (op basis van elektrolyse uit hernieuwbare energie en netelektriciteit en op basis van aardgas) en brandstofcellen met reformer op methanol en benzine.

67

Figuur 23: VOS- CO- en NOx-emissies voor FC’s in vergelijking met conventionele benzine ICE

68

Uitlaatemissies zijn steeds nul. Enkel voor benzinereformer bedragen de VOS-emissies 0.24 g/km. De emissies bij productie zijn niet altijd te verwaarlozen (zie upsteam-emissies weergegeven in Figuur 23). Voor CO en KWS liggen deze onder de benzinereferentie maar voor NOx liggen ze hoger. Voor de waterstofproductie uit elektrolyse resulteert dit zelfs in hogere WTW-emissies in vergelijking met benzine. Hierbij moet opgemerkt worden dat alles afhangt van de wijze waarop elektriciteit wordt geproduceerd. Een LCA-studie7 werd uitgevoerd voor bussen in Canada in verschillende steden (Vancouver, Calgary en Toronto). Een prototype brandstofcel (NEBUS met gasvormige waterstofopslag) werd vergeleken met een bus op diesel en aardgas. De emissies van de brandstofcelbus worden bepaald door de productiemethode van waterstof omdat hier enkel rechtstreeks gebruik van waterstof wordt beschouwd. In deze studie werden een aantal productiepaden voor waterstof onderzocht welke in Hoofdstuk 3 (waterstofproductie) reeds werden besproken. In deze studie werd het verbruik van een FC-bus in reëel verkeer geschat op 13.4 kg/100km. 4.3.3

Kostprijs

Het is moeilijk om een prijsvergelijking te doen daar inschattingen op lange termijn beperkt zijn en meestal enkel doelstellingen geformuleerd worden in plaats van werkelijke prijsinschattingen. Een voorbeeld is de FreedomCAR doelstelling die geformuleerd werd voor personenwagens van 30$/kW tegen 2015 voor brandstofcelvoertuigen op waterstof (inclusief de tank) of op benzine. In beide bovengenoemde studies45 werd 70$/kW aangenomen voor brandstofcelvoertuigen op waterstof en 80$/kW voor brandstofcelvoertuigen met reformer op benzine. De reden waarom deze kostprijs in de tweede studie niet werd herzien is dat in de literatuur voornamelijk hogere prijsindicaties werden gegeven. Een voorbeeld is de A. D. Little analyse die een productiekost voor benzine FC-systemen voorziet van 324$/kW in 2001 wat verminderd kan worden tot 259$/kW door een verhoging van de FC-efficiëntie van 20% . De conclusie van A. D. Little in een andere studie was dat zelfs met optimistische inschattingen van de kostprijs en performantie van brandstofcelvoertuigen, de kostprijs van een brandstofcelvoertuig 40 tot 60% hoger zou liggen dan voor conventionele voertuigen. Fabricagekosten op lange termijn werden ingeschat op 105 $/kW voor waterstof- en 130 $/kW voor benzine-FCV.

69

4.4 Conclusies: Gebruik van waterstof in bussen

70

·

Bussen zijn ideaal om het gebruik van waterstof in ICE of (zekere ook) brandstofcellen te introduceren. Ze hebben voldoende ruimte voor de opslag van waterstof en de brandstofcel met zijn ondersteunende systemen. De waterstofdistributie is ook gemakkelijker: het tanken gebeurt centraal aan het busdepot. Bovendien zijn ze zeer zichtbaar voor het publiek.

·

Rechtstreeks gebruik van waterstof is het meest aangewezen. Dit betekent wel dat een groot volume nodig is voor de opslag ervan aan boord van het voertuig maar voor bussen is dit geen probleem. Meest voor de hand liggend is de waterstof op het dak van de bus op te slaan. Het voordeel is dat geen on-board-reformer nodig is en bijgevolg bij gebruik geen schadelijke emissies worden geproduceerd. Dit is een voordeel daar bussen typisch gebruikt worden in stedelijke omgeving. Voor verbrandingsmotoren wordt waterstof soms onder vloeibaar vorm opgeslagen.

·

Gebruik van een verbrandingsmotor of brandstofcelbus? Het voordeel van een verbrandingsmotor is dat deze goedkoper is dan een FC maar het nadeel is dat nog NOx-emissies worden geproduceerd. Gebruik van een nabehandelingstechniek kan hier een oplossing bieden. Emissiegegevens van H2ICE zijn beperkt. Momenteel worden minder ontwikkelingsinspanningen gedaan met betrekking tot ICE op waterstof in vergelijking met FC. De ICE zou een tussenstap kunnen vormen in de aanloop naar een waterstofeconomie op brandstofcellen. Brandstofcelbussen hebben het voordeel dat ze veel stiller zijn dan bussen met een verbrandingsmotor.

·

De voorkeur voor brandstofcellen voor mobiele toepassingen ligt momenteel bij de PEM-brandstofcel omwille van zijn hoge ‘power density’ (en dus compactheid), lage temperatuur wat resulteert in een korte opstarttijd en potentieel om te produceren aan relatief lage kostprijs. Een nadeel van de PEM-brandstofcel is de intolerantie voor onzuiverheden in de brandstof.26 In de meeste demonstratieprojecten wordt momenteel gebruik gemaakt van PEM-brandstofcellen.

·

Een nadeel van brandstofcellen is de hoge kostprijs. Verwacht wordt dat deze zal dalen indien massaproductie mogelijk is. Een verbrandingsmotor op waterstof scoort in dit opzicht beter.

·

De emissies en het verbruik bij gebruik van FC- en ICE- bussen op waterstof liggen lager dan voor de conventionele dieseltechnologie. Indien ook de emissies bij productie van waterstof worden beschouwd hangt de prestatie af van het gebruikte productieproces voor waterstof. Gebruik van een reformer verslechtert de milieuprestatie. De kostprijs van een brandstofcelvoertuig ligt veel hoger dan een dieselvoertuig.

5

INFRASTRUCTUUR

5.1 Infrastructuur in België Voor gebruik van waterstof in transporttoepassingen is de uitbouw van infrastructuur noodzakelijk. De benodigde infrastructuur is tweevoudig: enerzijds is waterstofproductie nodig die zowel on-site (in het tankstation) als centraal kan gebeuren, anderzijds is de uitbouw van tankinfrastructuur nodig om de voertuigen te bevoorraden. Indien de waterstof productie centraal gebeurt is ook het transport van waterstof nodig. Dit kan gebeuren via tankwagens of via pijpleidingen. In België ligt momenteel een leidingnet voor waterstof voor het gebruik in industriële toepassingen. ·

Waterstofproductie in België (info van Air Liquide)12

De belangrijkste gebruikers van waterstof zijn de glasindustrie, chemische industrie, staalindustrie en raffinaderijen. In België wordt momenteel meer dan 70% van de waterstof geproduceerd via stoomreforming uit aardgas. Een kleiner deel wordt geproduceerd via elektrolyse en als restproduct in de chemische industrie. Het productieproces voor stoomreforming bestaat uit 3 stappen: stoomreforming ter vorming van ‘syngas’ (=H2 + CO), gevolgd door watergasshift-reactie om het waterstofrendement te verhogen en verdere zuivering van waterstof door PSA (Pressure Swing Adsorption). Dit productieproces levert waterstof met een zuiverheid van 99.9%. De belangrijkste onzuiverheden zijn CO: max. 1 ppm, S: <1 ppm, CH4: 20 ppm, CO2: 100 ppm en N2: 400 ppm. De zuiverheid is voldoende om te gebruiken in PEMbrandstofcellen. De kostprijs van deze waterstof aangevoerd per truck bedraagt 40 – 50 eurocent/Nm3 (productie + distributie). Aanvoer per truck is geschikt indien de vraag klein is (tot ongeveer 100 Nm3/h). De prijs kan verminderen (tot minder dan de helft) indien de vraag groter wordt en aanvoer via pijpleiding kan gebeuren. Aanvoer via pijpleiding vraagt een voorafgaande investering. De grootste productieplants aangesloten op het distributienetwerk (zie verder) bevinden zich in Feluy, Bergen-Op-Zoom en Antwerpen (zal in de nabije toekomst in gebruik worden genomen). Recent werd een productieplant (grootste in Europa met capaciteit van 100000 Nm3/h) gebouwd op het site van BASF in Antwerpen om aan de toenemende vraag van waterstof te voldoen. De grotere vraag naar waterstof is deels toe te schrijven aan waterstof gebruikt voor de ontzwaveling van brandstoffen. ·

Tankstation

In 2001 werd het plan opgevat een nieuw aardgastankstation te bouwen in Leuven. De bedoeling was hieraan een waterstofproductie en -distributie te koppelen. Later werd het project afgeblazen en geen nieuwe dergelijke initiatieven staan meer op stapel. De uitbouw van waterstofinfrastructuur is echter nodig om de uitbouw van een uitgebreide vloot van waterstofvoertuigen mogelijk te maken. In dit kader is het aangewezen om in Vlaanderen een demonstratie op te starten.

71

·

Het Project H

Recent werd een projectvoorstel voor de introductie van waterstof in Vlaanderen door een aantal geïnteresseerde partners gedefinieerd. Het doel van ‘’Project H’48 is retrofit op personenwagens toe te passen (analoog aan LPG) zodat op korte tijd een aantal benzinevoertuigen op waterstof kunnen rijden. Daarnaast zal ook een tankstation worden uitgebouwd om de voertuigen van brandstof te voorzien. Het idee om in België een project op te starten om het gebruik van waterstof als transportbrandstof te demonstreren en hierbij de eerste infrastructuurvoorzieningen uit te bouwen is goed. Op Europees vlak worden immers aanzienlijke inspanningen gedaan om in demonstratieprojecten (zie verder) het gebruik van waterstof als voertuigbrandstof (veelal in brandstofcellen) aan te tonen en een eerste tankinfrastructuur voor voertuigen uit te bouwen. Hoewel in België een Vlaams bedrijf gevestigd is dat waterstofproductie-eenheden levert in Europese projecten, neemt België niet deel aan deze projecten en acties op Belgisch niveau om mee te gaan in deze ontwikkelingen zijn dan ook vereist. Het project zal echter verder uitgewerkt en aangepast moeten worden om een goede slaagkans te hebben. Door Vito werd een nota opgesteld waarin de sterkten en zwakten van dit project worden besproken.49

5.2 Relevante activiteiten binnen Europa Aangezien in België de ervaring rond waterstoftankinfrastructuur beperkt is, is het zeer belangrijk de Europese inspanningen in deze context op te volgen. Momenteel lopen een aantal demonstratieprojecten waarbij waterstofinfrastructuur wordt uitgebouwd en waarin verschillende opties worden vergeleken. ·

CUTE project

Het CUTE project (Clean Urban Transport for Europe) is een initiatief om de reële performantie en economische aspecten van het gebruik van waterstof in openbaar vervoer te demonstreren over een periode van 2 jaar. Hierbij zal de kostprijs voor tankstation en verschillende waterstofproductieroutes worden geëvalueerd. De Europese steun voor dit project bedraagt 18.5 M€. Negen steden in 8 verschillende landen nemen deel aan het project en 27 bussen op waterstof worden geëvalueerd in het project onder verschillende omstandigheden. De deelnemende steden zijn: Amsterdam, Barcelona, Stockholm, Luxemburg, Hamburg, Stuttgart, Londen, Porto, Madrid. Een bijkomende deelnemer is Reykjavik (zie ook ECTOS) zodat het totaal op 10 steden komt met 30 voertuigen. Deze zijn zo gekozen dat de operationele condities (atmosferische omstandigheden, verkeersdrukte, …) verschillend zijn. In het CUTE project wordt waterstof geproduceerd op basis van verscheidene grondstoffen en technologieën. In onderstaande tabel wordt een overzicht gegeven van de verschillende productiecycli gebruikt in het CUTE-project. Er is steeds voor gekozen om waterstof op te slaan aan boord van het voertuig.

72

Tabel 8: Deelnemende steden aan CUTE project en de gekozen productieprocessen Stad

Productieproces

Hamburg Londen Amsterdam

On-site elektrolyse/water- of windenergie Reforming/centraal Elektrolyse/Haalbaarheid elektriciteit afvalverbranding On-site elektrolyse/windenergie On-site elektrolyse/water- of windenergie Centrale stoomreforming Centrale stoomreforming via ruwe olie On-site reforming uit methanol On-site reforming uit aardgas Centrale stoomreforming via ruwe olie

Barcelona Stockholm Madrid Luxemburg Stuttgart Porto

·

Gasvormig/ vloeibaar G VL uit G G G G G G G

ECTOS

De IJslandse regering heeft zich als doel gesteld om het eerste land in de wereld te worden met een economie gebaseerd op waterstof. In mei 1999 werd een joint venture opgericht INE (Icelandic New Energy; met VistOrka, Daimler Chrysler, Shell hydrogen en Norsk Hydro), van waaruit een project werd gedefinieerd om de mogelijkheden van waterstof in IJsland te onderzoeken. ECTOS (Ecological City Transport System) is een Europees demonstratie- evaluatie- en ontwikkelingsproject van waterstof brandstofcelbussen (3) als transportsysteem van de toekomst. Het kadert in het ‘City of tomorrow’ programma. De belangrijkste doelstellingen van het project zijn: het verwerven van expertise in de uitbouw van een nieuwe infrastructuur, het inschatten van de kosten en tijdsbasis voor de integratie van nieuwe infrastructuur, het bereiken van publieke aanvaarding van een nieuwe energiebron voor transport, evalueren op basis van een levenscyclus analyse van de uitrusting en de brandstofproductieketen. Het project is nauw gelinkt met CUTE daar dezelfde brandstofcelbussen gebruikt worden. In het project wordt waterstoftankinfrastructuur uitgebouwd (in Reykjavik) welke in gebruik wordt genomen op 24 april 2003. Het gaat hierbij om elektrolyse op basis van elektriciteit uit waterkracht en geothermische energie. De totale kost van het project bedraagt 6.7 M€ (waarvan 2.8 M€ Europese steun) ·

Cleaner Drive

Cleaner Drive is een project uit het 5e Kader Programma dat handelt over de introductie van schone voertuigen en brandstoffen. Een van de domeinen die behandeld worden is de uitbouw van een tankinfrastructuur voor waterstof en aardgas. De studie van standaarden en normen en economische aspecten van infrastructuur binnen dit project zullen leiden tot aanbevelingen aan de EC zoals maatregelen om de introductie van gasvormige brandstoffen mogelijk te maken. In dit kader werd binnen Cleaner Drive de workshop ‘Methane and Hydrogen Refuelling Infrastructure Economics’50 georganiseerd. Daarnaast werd ook een bevraging bij nationale experten uitgevoerd.

73

Belangrijkste conclusies van deze workshop waren: - Demonstratieprojecten zijn noodzakelijk om in een eerste fase de eerste infrastructuur uit te bouwen. Anderzijds zullen enkel demonstratieprojecten niet voldoende zijn om op grotere schaal waterstof te introduceren aangezien hier zeker publieke tankstations nodig zijn. - Er is zeker samenwerking nodig tussen voertuigfabrikanten en energieleveranciers om de ‘kip of het ei’ discussie uit de weg te gaan. - Het is waarschijnlijk economisch gezien het meest realistisch om waterstoftankinfrastructuur te voorzien bij bestaande tankstation. Een probleem dat zich hier echter stelt is dat bepaalde reglementering een minimum afstand voorzien. - Om waterstof te promoten als brandstof zijn vanuit de overheid initiatieven nodig - Indien een vergelijking gemaakt wordt tussen vloeibare en gasvormige waterstof moet niet alleen het extra verbruik bij liquificatie in rekening gebracht worden maar ook het verbruik bij (eventueel) transport dat voor vloeibare waterstof veel efficiënter kan gebeuren omwille van de grotere energiedichtheid van vloeibaar waterstof. (opmerking van Linde) In Appendix B wordt een overzicht gegeven van initiatieven voor de uitbouw van waterstofinfrastructuur.51 Oorspronkelijk was het - zoals reeds vermeld - de bedoeling in Leuven een tankstation voor aardgas en waterstof te bouwen. Dit project is echter nier doorgegaan omwille van te hoge investeringskost. ·

EIHP (European Integrated Hydrogen Project)

Dit project verloopt in 2 fasen en de doelstelling is het opstellen van een wereldwijde uniforme regelgeving voor wegvoertuigen aangedreven op waterstof. Daarbij zullen ook procedures voor periodieke inspectie worden opgesteld en indien mogelijk ook de ontwikkeling van een wereldwijde standaard of regelgeving voor periodieke keuring van relevante tankinfrastructuur, subsystemen en componenten. De eerste fase EIHP I heeft gelopen van 1998-2000 en was gefocusseerd op waterstofvoertuigen. In ‘EIHP II’ (European Hydrogen Project Phase 2) ligt het zwaartepunt op waterstoftankinfrastructuur. Dit deel loopt over 4 jaar (01/02/01 – 31/01/04) en heeft een budget van bijna 5 Meuro. De ‘Mid-Term Assessment’ workshop van EIHP II resulteerde in volgende bevindingen: Men kwam tot gelijkaardige uitkomsten voor de verschillende infrastructuuropties: Zowel elektrolyse als stoomreforming on-site komen tot een extra kost van 400 - 500k€ indien ze bij een bestaand aardgasstation kunnen geplaatst worden. Een kostreductie wordt verwacht bij vergroten van de markt. Er moet rekening gehouden worden met veiligheidscodes zoals afstand tussen bepaalde apparatuur, veilige afstand van bewoond gebied, opslag,… Deze kunnen de kostprijs aanzienlijk verhogen. ·

USHER

USHER (Urban Solar Hydrogen Economy Realisation Project) is een demonstratieproject onder het 5e KP dat gestart is in Maart 2002 en een looptijd heeft van 4 jaar. De waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse waarbij de gebruikte stroom gemaakt wordt uit zonneenergie met zonnepanelen (PV of Photo Voltaïsche cellen). Op de Universiteitscampus 74

worden 3500 m2 (300kW) zonnepanelen geïnstalleerd. In Cambridge zullen 1 – 3 bussen op brandstofcellen worden ingezet. In Gotland (Zweden) wordt 1 bus gedemonstreerd met FC en zullen zonnepanelen met een oppervlakte van 2000 m2 (160 kW) de stroom genereren voor elektrolyse. Het demonstratieproject zal een vergelijking maken tussen het gebruik van PV-cellen in vergelijking met het gebruik van netstroom in termen van kostprijs, energiewinst, emissies, veiligheid, technische haalbaarheid, publieke aanvaarding en praktische zaken. ·

EUHYFIS

EUHYFIS (European Hydrogen Filling Station) is een project dat tot doel heeft waterstofinfrastructuur uit te bouwen voor wegvoertuigen. Waterstof wordt gegenereerd onsite via elektrolyse bij voorkeur op basis van hernieuwbare energie. Het onderzoek en de ontwikkeling van EUHYFIS werden gesteund door de EC onder het 4e KP. Vanaf 2002 is een prototype voor demonstratiedoeleinden beschikbaar en kleinschalige productie zal volgen. De maximale uitlaatdruk bedraagt 500 bar en de waterstofproductie bedraagt 55 – 60 m3/h, voldoende voor 3 bussen te vullen. Een uitlaatdruk van 500 bar zou vereist zijn om een voertuigtank tot 350 bar te vullen. Volgens experten op de Cleaner Drive workshop bedraagt deze minimaal vereiste druk slechts 400 bar. ·

Duits project TES

TES (Transport Energy Strategy) is een Duits programma waarin overheid en industrie (Duitse autofabrikanten en energie- en brandstofleveranciers) betrokken zijn. In een eerste fase werd gezocht naar de meest geschikte alternatieve brandstof, resulterend in de keuze voor waterstof. In een volgende fase wordt de waterstofopslag, sociale aanvaarding en tankinfrastructuur bekeken. ·

Munich Airport Project

In dit project worden 2 tankstations voorzien voor het tanken van 3 bussen met gasvormig waterstof en voor het tanken van personenwagens met vloeibaar waterstof. Het vloeibaar waterstof wordt aangevoerd in trailers uit een nabijgelegen liquificatieplant. Het gasvormig waterstof wordt on-site geproduceerd via elektrolyse en centraal via stoomreforming en transport via pijpleiding over een afstand van 1.2 km. Het tanken van personenwagens zal volledig automatisch gebeuren en het tankstation is publiek toegankelijk. ·

Activiteiten buiten Europa

Ook in de VS zijn projecten opgezet om de introductie van waterstof als brandstof te ondersteunen. Het DoE (Department of Energy) Hydrogen Program doet onderzoek en ontwikkeling naar de productie, opslag en gebruik van waterstof als energiedrager. De bedoeling is van waterstof een kosteneffectieve energiedrager te maken voor nutsvoorzieningen, gebouwen en transporttoepassingen. De initiatieven FreedomFUEL en FreedomCAR (Cooperative Automotive Research) hebben in totaal een budget van 1700 M$. FreedomCAR vervangt

75

het PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles) dat als doelstelling had zuinige voertuigen te ontwikkelen en op de markt te brengen. Een ander programma is het DoD (Department of Defence) Fuell Cell Demonstration Program. De doelstelling van dit demonstratieprogramma is het stimuleren van de groei en schaalvergroting in de brandstofcelindustrie en het bepalen van de rol van brandstofcellen in DoD lange-termijn energiestrategie. In Californië werd het CAFCP (California Fuel Cell Partnership) opgericht (zie verder).

5.3 Hoe een waterstofinfrastructuur uitbouwen: kritische paden Energieleveranciers en autoconstructeurs zijn vaag over het feit wie verantwoordelijk is voor de uitbouw van waterstofinfrastructuur. Autoconstructeurs beweren dat ze brandstofcelvoertuigen kunnen maken maar dat er geen infrastructuur is om de waterstof te verdelen. Energieleveranciers beweren dat ze waterstof kunnen leveren maar dat er onvoldoende vraag is. Deze discussie wordt vaak aangegeven als de ‘kip of het ei’discussie. Een mogelijkheid om deze discussie uit de weg te gaan is samenwerking tussen beide actoren. Een voorbeeld is de CAFCP (California Fuel Cell Partnership) waarin zowel voertuigfabrikanten als energieleveranciers vertegenwoordigd zijn.52 De doelstelling van dit demonstratieprogramma is om in 2003 60 FC-voertuigen op de weg te hebben. De NHA (National Hydrogen Association) heeft in hun paper ‘On the Road to Hydrogen: Policy Priorities’53 hun visie uiteengezet over de weg en het beleid dat gevolgd moet worden om waterstof als energiedrager te promoten en introduceren. Volgens NHA zal op korte termijn de productie van waterstof gebeuren uit fossiele brandstoffen. Op lange termijn zal een groter deel van de waterstof geproduceerd worden op basis van hernieuwbare energie. Uiteindelijk zal waterstof op verschillende manieren geproduceerd worden waarbij een maximale hoeveelheid via hernieuwbare energie geproduceerd zal worden. De belangrijkste technologische ontwikkelingen die volgens deze paper gerealiseerd dienen te worden opdat waterstof competitief zou zijn met conventionele technologieën zijn: -efficiënte en economische hernieuwbare energieproductie -opslag aan boord van voertuigen met hoge energiedichtheid -hogere efficiëntie van elektrolyse van water -technologieën om de milieueffecten van andere productiemethoden van waterstof te verminderen (zoals koolstofvastlegging of veiligheidsaspecten verbonden met kernenergie) Andere kritische paden op de weg naar een waterstofeconomie zijn: -De overheid heeft een voorbeeldfunctie in het gebruik van waterstof. Het gebruik door de overheid is zeer zichtbaar en een stap in de aanvaarding van het grote publiek -Verder onderzoek naar veiligheids- en gebruiksaspecten van waterstof en de implementatie van de resultaten in standaarden, codes en regelgeving -Coördinatie en focussering van de onderzoeksinspanningen -Opleiding en disseminatie van resultaten -De noodzaak van demonstratieprojecten. Deze zijn nodig als eerste stap om tot een waterstofeconomie te komen en dragen bij tot de uitbouw van een waterstofinfrastructuur Verder benadrukt de NHA de noodzaak van economische stimulansen, zoals accijnsverminderingen, in een eerste stadium van commercialisatie.

76

In de ‘National Hydrogen Energy Roadmap’ van het DoE (Department of Energy) worden activiteiten en objectieven gedefinieerd om de introductie van waterstof mogelijk te maken. Wat de productie betreft is coördinatie tussen overheid en industrie nodig om de technologieën voor waterstofproductie en componenten voor infrastructuur te verbeteren. Demonstraties kunnen verschillende infrastructuren evalueren in combinatie met eindapplicaties. De aanbeveling is om het aantal demonstraties op te drijven waarbij overheid en industrie samenwerken om verschillende waterstoftechnologieën te implementeren. Waterstofopslag is een sleuteltechnologie bij de introductie van waterstof. Daarnaast zijn taksreducties voor infrastructuur aan te bevelen. Van belang is ook het publiek te informeren om te komen tot een publieke aanvaarding van de nieuwe technologie. In deze studie wordt waterstof als een lange-termijn energiebron gezien met een enorm potentieel. In het TES project werd een introductiescenario vooropgesteld voor Duitsland. Onderstaande figuur geeft het introductiescenario weer met het aantal tankstations in functie van de tijd. In een eerste fase zijn er enkel private tankstations. Om waterstof voor een grotere markt beschikbaar te maken zijn er snel publieke tankstations nodig. Hierbij werd vooropgesteld dat op het einde van de introductiefase (in 2010) 2000 tankstations nodig zijn. Deze zouden allemaal gebruik maken van on-site elektrolyse. De geschatte kostprijs bedraagt 7000 M€. De kostprijs voor tankinfrastructuur en waterstofproductiecapaciteit wordt geschat op 15000 M€. Bij een verdere marktpenetratie zijn financiële stimulansen nodig om het aantal gebruikers te verhogen en zal het aantal tankstations sterker toenemen. Waterstof zou dan centraal geproduceerd worden en via pijpleiding aangevoerd kunnen worden.

Figuur 24: Waterstoftankinfrastructuur-opbouwscenario voor Duitsland (bron TES) 77

Rekening houdend met de oppervlakte van Duitsland (356973 km2), België (30518 km2) en Vlaanderen (13522 km2) zou dit - voor eenzelfde dichtheid van tankstations - neerkomen op 170 voor België of 75 voor Vlaanderen. Ter vergelijking: momenteel zijn er in Vlaanderen ongeveer 250 LPG-tankstations. Binnen Cleaner Drive werd gesteld dat de meest waarschijnlijke introductie zal gebeuren via demonstraties (testfase) gevolgd door een geografische inplanting van een klein aantal tankstation voor een beperkt aantal voertuigen, gevolgd door een uitbreiding van het aantal tankstations voor grootschalige introductie van voertuigen. Een manier om de tankinfrastructuur uit te bouwen na een eerste testfase is stimuleren vanuit de overheid. In China worden brandstofleveranciers verplicht 1 tankstation voor aardgas te bouwen voor elke 10 nieuwe conventionele tankstations. In Munchen54 werd in het kader van een demonstratieproject een tankstation gebouwd waarbij zowel gasvormig als vloeibaar waterstof getankt kan worden. De waterstof in het tankstation is opgeslagen onder vloeibare vorm en gasvormige waterstof wordt hieruit gemaakt door verdamping.

5.4 Pijpleidingennetwerk Momenteel bestaat in België reeds een waterstofdistributienetwerk voor de levering van waterstof aan industrie. Air liquide is momenteel de enige beheerder en gebruiker van het waterstofdistributienetwerk via pijpleidingen. De waterstof wordt getransporteerd op 80 100 bar.12 In principe is het mogelijk om het bestaande netwerk te gebruiken en hierop tankstations te voorzien. De druk zal wel geregeld moeten worden om te kunnen gebruiken voor transporttoepassingen. Momenteel zijn zoals reeds eerder werd aangegeven drukken van 350 bar het meest gangbaar voor opslag aan boord van het voertuig. Het verder uitbreiden van het pijpleidingennetwerk is een vrij dure aangelegenheid. Indien dit enkel voor transporttoepassingen gebruikt wordt zal hiervoor een grote markt moeten zijn alvorens het rendabel is. De prijs voor een nieuwe leidingen hangt af van de plaats en de nodige diameter maar een ruwe schatting bedraagt een 200 – 500 €/m.

78

Figuur 25: Waterstofdistributienetwerk (samen met distributienetwerk voor zuurstof en stikstof) in België (Bron: Air Liquide)

5.5 Standaarden en normen Belangrijk bij de grootschalige introductie van een nieuwe brandstof en de uitbouw van infrastructuur is het opstellen van standaarden en regelgeving. ENGVA (European Natural Gas Vehicle Association) heeft binnen Cleaner Drive een overzicht gemaakt van bestaande standaarden voor gasvormige en cryogene voertuigbrandstoffen.55 Hierbij werd ook de stand van zaken voor waterstof bekeken. De belangrijkste bevindingen worden hieronder weergegeven. Waterstof wordt reeds gebruikt in verschillende toepassingen en bijgevolg bestaat er ook al heel wat regelgeving. Er moet bekeken worden of de bestaande regelgeving toepasbaar is voor voertuigen. ·

ISO

Binnen ISO houdt TC 197 (Technical Committee) zich bezig met de standaardisatie van systemen en apparatuur voor productie, opslag, transport en metingen van waterstof. In onderstaande tabel wordt een overzicht gegeven van de normen die binnen de verschillende werkgroepen voor waterstof behandeld worden. Andere standaarden zijn nog in voorbereiding.

79

Tabel 9: Overzicht van ISO standaardisatie van waterstof55 WG 1 Liquid hydrogen - land vehicle fuel tanks WG 2 WG 3 WG 4 WG 5 WG 6 WG 7 ·

Tank containers for multimodal transportation of liquid hydrogen Airport refuelling facility Gaseous hydrogen blends and hydrogen fuel – service stations Gaseous hydrogen - Land vehicle filling connectors Gaseous hydrogen and hydrogen blends – land vehicle fuel tanks Basic considerations for the safety of hydrogen systems

ISO 13984 ISO 13985 ISO/WD 13986 ISO/WD 15594 ISO/WD 15866 ISO/AWI 17268 ISO 15869-3 ISO/WD 15916

EIHP

Binnen EIHP I werden 2 drafregelgevingen opgesteld voor waterstofvoertuigen (gasvormig en vloeibaar). Deze zijn gebaseerd op ECE 110 voor aardgasvoertuigen. De laatste stand van zaken van deze regelgeving is te vinden op de EIHP-website (http://www.eihp.org). Deze wordt momenteel bekeken binnen de GRPE-groep om te komen tot een Europese regelgeving EIHP II concentreert zich nu op de waterstofinfrastructuur: regelgeving, onderhoud en periodieke inspectie van tankinfrastructuur en componenten. Hierbij wordt ook de interface (tussen tankstation en voertuig) beschouwd. Een aparte werkgroep behandelt de veiligheidsaspecten. · Een overzicht van de waterstofstandaarden wordt ook gegeven op de HPATH website (Partnership for Advancing the Transition to Hydrogen): http://www.hpath.org/codes-and-standards.asp ·

Samenstelling van waterstof

Voor het gebruik van een brandstof in een verbrandingsmotor en (meer nog) in een brandstofcel is het van belang de samenstelling van de brandstof vast te leggen. Een problematiek die zich stelt bij aardgasvoertuigen is immers de diversiteit in samenstelling afhankelijk van de herkomst van het aardgas en de bijhorende impact op het verbrandingsproces. De samenstelling van waterstof wordt vastgelegd in ISO 14687 die dateert van 1999. Hierin wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende zuiverheidgraden (voor verschillende toepassingen). Hierin wordt de minimale molfractie waterstof en maximale gehalte aan andere componenten vastgelegd. Voor transporttoepassingen (zowel ICE als FC) wordt het waterstofgehalte vastgelegd op >98% en onzuiverheden op <100 ppm KWS, < 0.19% O2/N2/Ar, <1 ppm CO, < 2 ppm S. ·

Conclusies van de ENGVA-studie binnen Cleaner Drive:

De belangrijkste conclusies van de studie uitgevoerd door ENGVA binnen Cleaner Drive WP 4.1 zijn hieronder weergegeven.

80

-

-

-

Wat het gebruik van waterstof in het voertuig betreft, zijn er standaarden in voorbereiding. Ook voor tankstations is ISO actief maar standaarden voor ‘home refuelling’ zijn nog nodig. Bijkomende standaarden (niet voertuigspecifiek) zijn nog nodig om de ganse keten (WTW) te omvatten. speciale aandacht moet gaan naar de boil-off voor LH2 tijdens opslag in het voertuig. Het hanteren van waterstof in werkplaatsen en opleiding van onderhoudspersoneel moet nog behandeld worden. De werkplaats zelf moet voorzien zijn voor het werken met waterstof bv. (analoog aan aardgas) het voorzien van voldoende ventilatie en geschikte waterstofventilatoren. Omdat waterstof een reukloos gas is en een waterstof/lucht-mengsel gemakkelijk te ontsteken is, moet speciale aandacht besteed worden aan detectie van lekken in publieke ruimten Naar analogie met LPG zou een geurcomponent kunnen toegevoegd worden maar het probleem is dat brandstofcellen zuivere waterstof vereisen en de aanwezigheid van enkel ppm onzuiverheid (vb. S voor de PEMbrandstofcel) kan leiden tot beschadiging van de elektrodes.

5.6 Kostprijs infrastructuur In deze paragraaf geven we een overzicht van de kostprijs van bepaalde benodigde infrastructuur voor waterstof. Er moet hierbij opgemerkt worden dat het slechts om indicaties gaat. Een elektrolyseur (60 Nm3/h) met randapparatuur maar zonder compressor en dispenser kost ongeveer 600 – 700 keuro. Een volledig snelvultankstation kost ongeveer 1000 – 1200 keuro. De tanktijd bedraagt dan 10 tot 15 min. Een tankstation van een dergelijke capaciteit is in staat enkele bussen van waterstof te voorzien. Voor een vloot voertuigen zijn elektrolyseurs van 1 – 120 Nm3 zeer geschikt. Een stoomreformer van 1000 Nm3 kost ongeveer 3000 – 4000 keuro. 56 Hexion heeft prototypereformers van 5 en 50 Nm3/h die waterstof produceren met een zuiverheid tot 99.999% waarvan de kostprijs geschat wordt op respectievelijk 80 k€ en 240 – 300 k€.57 In het Duitse TES-project wordt de kostprijs van 2000 tankstations geschat op 7000M€ (ofwel 3.5 M€ per stuk). Indien ook productie-infrastructuur in rekening gebracht wordt komt men op een totaal van 15000 M€. Volgens de experten van EUHYFIS kost hun prototype dat 300 Nm3 per dag kan voorzien ongeveer 600 k€ en een type dat 1000 Nm3 kan voorzien ongeveer 1100 k€. Het gaat hierbij om een totaal systeem: van elektrolyseur tot dispenser. Binnen Cleaner Drive werd een inschatting gemaakt van de kostprijs voor waterstofinfrastructuur in Europa. Afhankelijk van de strategie die gevolgd wordt, komt dit op een totale investeringskost van 26000M€. In vergelijking met methaan zijn voor waterstof grotere compressoren nodig omdat waterstof bij een hogere druk opgeslagen wordt. Opslag gebeurt bij 350 – 700 bar terwijl methaan bij een druk van max. 230 bar wordt opgeslagen. Een gelijkaardige dispenser kan gebruikt worden voor gasvormig waterstof als voor aardgas. Aardgas zou eerder via pijpleiding worden getransporteerd of per truck (vloeibaar) terwijl waterstof in een eerste instantie eerder on-site geproduceerd zou worden. 81

Air Products heeft een mobiele tankeenheid ontwikkeld waarvan het eerste eind 2002 werd geleverd bij Honda voor hun FC-programma in Los Angles. De mobiele tankeenheid is gemonteerd op een trailer en is dus verplaatsbaar

bron website Air Products http://www.airproducts.com

5.7 Conclusies De veelheid aan activiteiten rond waterstofinfrastructuur geeft aan dat er binnen (en buiten) Europa een grote interesse is voor het gebruik van waterstof als voertuigbrandstof en geeft daarnaast ook aan dat er nogal wat hinderpalen en leemten zijn die het gebruik van waterstof voor morgen niet mogelijk maken. Indien voertuigen op waterstof (ICE of FC) commercieel beschikbaar zijn en er vraag is naar deze voertuigen moet ook waterstof beschikbaar zijn. De belangrijkste conclusies met betrekking tot waterstofinfrastructuur worden in onderstaande samengevat.

82

·

Een belangrijke hinderpaal in het gebruik van waterstof is de afwezigheid van tankinfrastructuur. Demonstratieprojecten zijn een vitale stap in de uitbouw van waterstofinfrastructuur en kunnen daarnaast bijdragen tot de publieke aanvaarding van waterstof als energiedrager. Om een grootschalige introductie van waterstof mogelijk te maken moet in navolging van demonstratieprojecten verder infrastructuur worden uitgebouwd. Belangrijk is om voertuigfabrikanten en energieleveranciers samen te brengen en zo een gecoördineerde inspanning te kunnen leveren en de ‘kip of het ei’ discussie uit de weg te gaan.

·

Een ander belangrijk aspect is de noodzaak voor uniforme regelgeving met betrekking tot het gebruik van waterstof als voertuigbrandstof. Op internationaal niveau wordt hier momenteel aan gewerkt en voor Europa vormt het EIHP hier een belangrijke speler. Een drafvoorstel voor het gebruik van vloeibare en gasvormige waterstof ligt momenteel ter discussie en aan een voorbereiding tot regelgeving voor tankinfrastructuur wordt momenteel gewerkt. De Europese regelgeving dient dan in België of Vlaanderen te worden geïmplementeerd.

·

Verschillende studies vergelijken een aantal verschillende tankinfrastructuren en productiecycli voor waterstof. Dit geeft aan dat er momenteel niet zomaar één bepaalde productiemethode, opslag en tankinfrastructuur naar voor kan geschoven worden als ideale optie. Het is wel waarschijnlijk dat in een introductiefase een andere productie en distributie gebruikt zal worden in vergelijking met een later stadium waarin een grootschalige introductie verwezenlijkt is. Voor de hand liggend is de on-site waterstofproductie met elektrolyseur of uit aardgas via stoomreformer bij een aardgastankstations. Momenteel zijn er aardgastankstations in Brussel, Kortrijk, Antwerpen en Mechelen.

·

Het is belangrijk om de resultaten uit de lopende Europese projecten op te volgen en daarnaast ook binnen Vlaanderen een project te definiëren om infrastructuur en ervaring hiermee op te bouwen.

·

De kostprijs voor waterstofinfrastructuur is vrij hoog. Het is echter moeilijk om deze in te schatten omdat het vaak nog om prototypes gaat en verwacht wordt dat de prijs nog zal dalen. Het uitbouwen van een uitgebreid infrastructuurnetwerk zal dan ook een hele investering vragen.

83

6

ALGEMENE CONCLUSIE

De enorme onderzoeksinspanningen die wereldwijd gedaan worden - door industrieën en gesteund door overheden - wijzen op een groot potentieel voor het gebruik van waterstof als energiedrager. Waterstof als energiedrager heeft het potentieel om duurzame energie aan te wenden (op de meest economische manier) in een voertuig. Het is universeel en kan een link zijn tussen transport en stationaire toepassingen. Studies geven aan dat waterstof als enige brandstof in staat is de broeikasgasemissies van voertuigen over een lange-termijnperspectief te verminderen, vanaf 2020. Waterstof moet dan wel geproduceerd worden via een productieproces waarbij geen CO2-emissies geproduceerd worden. De termijn waarop de introductie van waterstof als voertuigbrandstof moet gezien worden is nog niet helemaal duidelijk. Bepaalde voertuigconstructeurs richten zich op de ontwikkeling van waterstoftechnologie als lange-termijn antwoord om de emissies van voertuigen te verminderen in plaats van te investeren in intermediaire voertuig- en motorconcepten zoals CNG of hybride. We kunnen ervan uitgaan dat indien industrieën investeren in een nieuwe technologie, zij ook geloven in de economische haalbaarheid en de toekomst ervan. Belangrijk is dat de ‘milieuvriendelijkheid’ van waterstof als energiedrager bepaald wordt door de productiecyclus. De emissies bij gebruik zijn over het algemeen zeer laag tot nul en worden bepaald door de keuze van de aandrijftechnologie. In deze studie werden de waterstofproductie, -opslag en -aandrijftechnologieën vergeleken op basis van beschikbare literatuur. Waterstof kan geproduceerd worden op grote schaal in speciale H2-productieplants of kleinschalig in locale productiefaciliteiten. Daarnaast is ook productie van waterstof aan boord van het voertuig met behulp van een reformer mogelijk. Over het algemeen is grootschalige productie economischer maar kleinschalige productie heeft het voordeel dat de geproduceerde waterstof niet getransporteerd dient te worden. Waterstofproductie in het voertuig zelf heeft het voordeel dat geen waterstoftankinfrastructuur nodig is (zie verder). Het rechtstreeks gebruik van waterstof (zonder reformer) voor bussen is het meest aangewezen. De milieu-impact voor centrale productie is lager dan voor waterstofproductie aan boord van het voertuig. De emissies bij on-board productie worden vooral gevormd bij opstarten. Momenteel wordt het grootste deel van waterstof geproduceerd uit fossiele brandstoffen aan de hand van verschillende thermochemische reformtechnieken. Stoomreformers zijn momenteel de meest efficiënte, economische en wijdverspreide technieken voor het produceren van waterstof. Voor verbruik (MJ/MJ) en broeikasgasemissies scoort reforming uit aardgas beter dan elektrolyse (indien gebruik gemaakt wordt van Belgische netstroom). De productie van waterstof op basis van elektrolyse is zeer energie-intensief en de impact ervan hangt af van de wijze waarop de electriciteit wordt opgewekt. Een nadeel momenteel is de hoge kostprijs. Elektrolyse is vanuit milieu-oogpunt zeer interessant indien gebruik gemaakt word van hernieuwbare energie. Het gebruik van waterstof via elektrolyse uit 84

hernieuwbare energie wordt algemeen gezien als de grootste opportuniteit om de negatieve milieu-impact van voertuigen te verminderen. Waterstof geproduceerd op basis van windenergie wordt in internationale studies aangeduid als een ‘schone energiedrager’. De productie van waterstof uit biomassa heeft een groot potentieel maar bevindt zich momenteel nog in een ontwikkelingsfase. Bij rechtstreeks gebruik van waterstof in het voertuig vormen opslag en uitbouw van tankinfrastructuur de grootste uitdagingen. Waterstof heeft een lage energiedichtheid (afhankelijk van de wijze waarop waterstof wordt opgeslagen) waardoor de actieradius beperkt is. De opslag van waterstof kan gebeuren gasvormig onder druk, vloeibaar en als hydriden. Hydriden zijn veiliger maar hebben een lage energiedichtheid (MJ/kg) en de opslagsystemen zijn zwaar en duur. Vloeibaar waterstof is geschikt voor transport over lange afstanden omwille van de hoge energiedichtheid (in MJ/kg). Opslag onder vloeibare vorm gaat echter gepaard met een aanzienlijk energieverlies bij productie. Bovendien zijn er verdampingsverliezen waardoor een deel van de waterstof verloren gaat. Het nadeel van gasvormige opslag is de lage energiedichtheid. Opslag onder hogere druk (700 bar) en lichtere tanks kunnen dit gedeeltelijk verbeteren. Een voordeel is de relatief lage kostprijs. Een doorbraak in on-board opslag voor waterstof is nodig om een aanvaardbare range te bereiken in vergelijking met conventionele brandstoffen. Voor het gebruik van waterstof in bussen is het probleem van opslag minder cruciaal omdat voldoende plaats beschikbaar is op het dak van het voertuig. In het CUTE-project werd gekozen voor gasvormige opslag bij 350 bar. Voor bussen lijkt momenteel deze opslagvorm het meest geschikt De emissies geproduceerd bij gebruik (in bussen) worden bepaald door de aandrijftechnologie. Indien brandstofcellen gebruikt worden (op basis van waterstof, zonder reformer) zijn de emissies bij gebruik nul (enkel water en restwarmte worden geproduceerd). Bij een verbrandingmotor op waterstof zijn de emissies echter niet altijd te verwaarlozen. Het grootste probleem zijn de NOx-emissies. De NOx-emissies worden bepaald door de lucht/brandstof-verhouding. Deze bepaalt immers de temperatuur in de motor en dus de NOx-emissies. Om de NOx-emissies te verminderen kan een NOx-nabehandelingstechniek gebruikt worden. Nadeel van brandstofcellen is anderzijds hun hoge kostprijs en gewicht. Momenteel worden wel veel inspanningen gedaan voor de verdere ontwikkeling van brandstofcellen zodat een verlaging van de kostprijs en gewicht te verwachten is. Bovendien wordt algemeen verwacht dat de kostprijs zal dalen indien massaproductie mogelijk is. Een verbrandingsmotor op waterstof scoort qua prijs en gewicht beter. De voorkeur voor brandstofcellen voor mobiele toepassingen ligt momenteel bij PEMbrandstofcellen omwille van hun hoge ‘power density’ (en dus compactheid), lage temperatuur wat resulteert in een korte opstarttijd en potentieel om te produceren aan relatief lage kostprijs. Een nadeel van de PEM-brandstofcel is de intolerantie voor onzuiverheden in de brandstof. In de meeste demonstratieprojecten wordt momenteel gebruik gemaakt van PEM-brandstofcellen. Een belangrijke barrière voor de introductie van waterstof als brandstof is de afwezigheid van waterstofinfrastructuur. Hierin kan een demonstratieprogramma een eerste aanzet zijn maar verdere investeringen zijn daarna nog nodig.

85

In een eerste introductiefase zijn eerder kleinschalige productie-eenheden vereist. Kleinschalige eenheden op basis van elektrolyse zijn reeds beschikbaar en kunnen onmiddellijk ingezet worden om waterstofinfrastructuur uit te bouwen. Kleinschalige stoomreformers daarentegen zijn nog niet commercieel. Wanneer waterstof verder doorbreekt kan het op grotere schaal geproduceerd worden. Zowel stoomreformers als elektrolyseurs zijn geschikt om waterstof op grote schaal te produceren. De productie op basis van reformers zou goedkoper zijn in vergelijking met elektrolyse. Indien grootschalige waterstofproductie vereist is zal daarom stoomreforming belangrijk worden. De CO2 zou opgeslagen kunnen worden om zo de milieu-impact te verkleinen. Grootschalige productieeenheden op basis van elektrolyse zijn ook geschikt indien gebruik gemaakt wordt van ‘hernieuwbare energie. De vraag die zich stelt is of bij een toename van de vraag nog voldoende ‘groene stroom’ geleverd kan worden. Mogelijk worden in de toekomst beide productiemethoden gebruikt. De Europese onderzoeksinspanningen geven niet alleen de interesse aan voor waterstof als ‘schone brandstof’, maar geven ook aan dat er nog onderzoek en ontwikkeling nodig is om grootschalige introductie mogelijk te maken. Verdere ontwikkeling is nodig, zowel wat betreft de aandrijftechnologie als de opslag aan boord van het voertuig. Ook is het nodig om verder onderzoek te doen naar veiligheids- en gebruiksaspecten van waterstof en de implementatie hiervan in standaarden codes en regelgeving. De kostprijs van waterstof is momenteel nog hoog. Verdere ontwikkelingen in waterstofproductie en hernieuwbare energieopwekking zijn hier van belang om waterstof als brandstof competitief te maken met conventionele brandstoffen. Een beleid dat de introductie van ‘schone energieën’ ondersteunt kan de hogere productiekost deels compenseren (zie verder). Demonstratieprojecten zijn een vitale stap in de uitbouw van een waterstoftankinfrastructuur. Momenteel lopen een aantal demonstraties in Europese steden waar België niet vertegenwoordigd is. In de toekomst moet in deze initiatieven meegegaan worden wil België waterstof als brandstof voor transporttoepassingen invoeren. Zeer belangrijk bij een demonstratieproject is de samenwerking tussen overheid en industrie. Belangrijk is om voertuigfabrikanten en energieleveranciers samen te brengen en zo een gecoördineerde inspanning te kunnen leveren en de ‘kip of het ei’ discussie uit de weg te gaan. Demonstratieprojecten geven de mogelijkheid om een eerste ervaring met deze nieuwe technologie op te doen. Demonstratieprojecten dragen bij tot de publieke aanvaarding van de nieuwe technologie. Indien een eerste demonstratiefase positieve resultaten heeft opgeleverd kunnen verdere stimulansen van de overheid (vb. taks- en accijnsverlaging) bijdragen tot een grootschalige introductie van waterstof. Ondersteuning vanuit het beleid is nodig om de introductie van waterstof mogelijk te maken. Het is nodig om de Europese projecten op te volgen en op basis van verder onderzoek een concreet traject op te stellen voor de invoering van waterstof als brandstof voor voertuigen. Indien de nodige technologische en andere hinderpalen overwonnen worden, ziet het er naar uit dat waterstof een belangrijk potentieel vormt als schone brandstof voor de toekomst, vooral in het kader van CO2-reductie. Het tijdsperspectief voor grootschalige introductie dat momenteel vooropgesteld wordt is 2020 - 2030. Het is daarom vanuit milieustandpunt 86

belangrijk om in de nabije toekomst inspanningen te blijven leveren om conventionele technolgieën ‘schoner’ te maken. Daarnaast is het ook aangewezen om deel te nemen aan (Europese) demonstratie- en andere projecten om in Vlaanderen en België ervaring rond waterstof op te bouwen en zich internationaal te positioneren.

87

APPENDIX A: OVERZICHT PROTOTYPEVOERTUIGEN51

88

VAN

DE

BRANDSTOFCEL-

89

90

91

APPENDIX B: OVERZICHT PROJECTEN WAARBIJ WATERSTOFINFRASTRUCTUUR WORDT UITGEBOUWD. Last Update: February 2003 N° Project 1 SWB filling station [1988 - 1999]

CGH2

LH2 X

2 BMW Company Refueling Station [start 1989]

X

3 Bavarian Bus Demonstration Project; skid-mounted LH2 refueling by Linde for MAN LH2-ICE bus demonstration in Erlangen [04/1996 – 02/1997] and Munich [05/1997 – 08/1998]; a driving experience of 45,000 km was accumulated [in 2003 still the largest accumulated operating range by any hydrogen bus run in public passenger transport service worldwide], project coordination by LBST 4 Renault FEVER PEMFC passenger car demonstration, France [operated during 1998] 5 Clean Air Now – El Segundo, LA, USA [since 1995]

X

6 Hamburg Van Demonstration Project (W.E.I.T.), Hamburg, Germany [operative between 01/1999 and spring 2002] 7 Oberstdorf, Germany - Refueling station for the Neoplan fuel cell bus [trial operation in 1999] 8 Chicago Transit Authority Ballard PEMFC Bus Demo, APCI delivered LH2 , Chicago, Ill., USA [03/98-02/2000] 9 British Columbia Transit - Ballard PEMFC Bus Demo, Vancouver, BC, Canada [10/98 – 09/2000] 10 DaimlerChrysler Company Refueling station, Nabern, Germany [start 1998] 11 VW company refueling station, Wolfsburg, Germany [since 2001 ?] 12 Ford Vehicle Refueling Dearborn, H2 delivered by APCI [started in 1999] 13 Munich Airport Vehicle Project [start-up 05/99]; LH2 trucked-in by Linde, CGH2 produced from a pressurized GHW electrolyzer or evaporated from LH2; LH2 refueling station is the first public refueling station in the world; three articulated MAN ICE buses have accumulated more than 300,000 km of uninterrupted operation 14 Sunline Transit, Thousand Palms, CA – electrolytic H2 generation and compression to 34.5 MPa – operation of Ballard P4 bus [start APR2000] 15 Schatz H2 Generation Center at Sun Line Transit in Thousand Palms, CA – PV electrolytic H2 generation with Teledyne electrolyzer and compression to 25 MPa – [original start-up in 1994, improved in FEB2001] 16 HydroGen PSA Van Demonstration [1st half of 2000] 17 MAN-Siemens-Linde PEMFC Bus Demo in Erlangen, Nuremberg and Fürth, Bavaria, Germany; mobile CGH2 refueling station with trucked-in hydrogen, delivery and operation by Linde [10/2000 – 04/2001], project coordination by LBST

92

LCGH2

X X X

X X X X X

X

X

X

X

X

X

X X

N° Project CGH2 18 California Fuel Cell Partnership, Sacramento, CA [NOV2000] 19 Honda company refueling station for CGH2 [opened in X 2001] 20 Toyota company refueling station for CGH2 [opened in X 2001] 21 South Korea; Hyundai Motor Company; company refueling station for 41 MPa CGH2; Pressure Products Industries Inc. and Doojin Corp. [opened in 2001] 24 BC HydroGen – refueling station for 70 MPa CGH2 to be X erected in Surrey, BC, Canada; hydrogen via electrolysis from renewable energy [start: fall of 2001] 25 LH2 manual power assisted refueling station and LH2 storage both provided by Linde with fuel delivered by Air Products at BMW’s NA Engineering and Emissions Test Center in Oxnard, California [12JUL2001] 26 American Honda Motors Co. Inc., Research and X Development Center, Torrance, California – PVelectrolysis and grid-connection [20JUL2001] 27 DoE Vehicle Testing Center, Arizona Public Service X &DoE, Phoenix, AR, Proton Energy PEM electrolyzer [started 2001] 22 Osaka, Japan; PEMFC Vehicle Demonstration by WEX NET [opened 07FEB2002] with Natural Gas reforming, besides 35 MPa CGH2 refueling also the filling of metal hydride tanks is possible 23 Takamatsu, Japan; PEMFC Vehicle Demonstration by X WE-NET [opened 28FEB2002] with PEM electrolyzer, besides 35 MPa CGH2 refueling also the filling of metal hydride tanks is possible X 28 Tsurumi, Japan; PEMFC Vehicle Demonstration by WENET [opened AUG 2002], chemical by-product hydrogen from soda production, 35 MPa CGH2 refueling 29 Davis, University of California, Hydrogen Bus X Technology Validation Program [since2002] X 30 LH2 supplied refueling station by Linde for Opel in Dudenhofen, dispensing of LH2 and 70 MPa CGH2 [operative since 2002] 31 LH2 supplied refueling station by Linde for DaimlerChrysler in Sindelfingen, dispensing CGH2 at 35 MPa and 70 MPa [35 MPa operative since 2002] 32 TotalFinaElf & BVG Hydrogen Competence Center X Berlin, LH2 technology and trucked-in LH2 by Linde, Proton Energy Systems PEM electrolyzer; planned to the refueling of FC city buses in the coming years; possible extension by onsite methanol reforming to hydrogen, this station will refuel the IRISBUS FC Buses in Berlin within the CITYCELL project. [23OCT2002] 33 AC Transit in Richmond, California, Stuart Energy X Systems PEM electrolyzer, first CaFCP satellite station [opened 30OCT 2002] 34 Northern Nevada Test Site [100 km north of Las Vegas]; X Nevada Test Site Dev. Corp., DoE, Corp. For Solar Technologies and Renewable Resources, and City of

LH2 X

LCGH2 X

X

X

X

X

X

X

?

?

93

N° Project CGH2 Las Vegas, multi-fuel station for CNG, CGH2, Hythane including a 50 kW Plug Power PEMFC operated by APCI [started 15NOV2002] 35 Tokai, Aichi Prefecture, Japan; Toho Gas Co.’s X research laboratory refueling station with a capacity of 40 Nm³/h, hydrogen production via steam reforming [opened 10/2002] 36 Yokohama, Japan; Cosmo Oil CGH2 refueling station, X reforming of clean gasoline to hydrogen, JHFC demo, [opened APR2003] 37 Yokohama, Japan; Nippon Oil CGH2 refueling station, X naphtha reforming to hydrogen, JHFC demo [opened APR2003] 38 Tokyo, Japan; LH2 and LCGH2 station; partners are Iwatani Intl. Corp., Tokyo Metropolitan Government and Showa Shell Sekiyu KK; JHFC demo, [opened in APR2003] 39 Kawasaki City, Japan; CGH2 refueling station with X hydrogen from methanol reforming by Air Liquide Japan; JHFC demo [to be opened in 2003] 40 Tokyo, Japan; CGH2 refueling station with hydrogen X from LPG reforming; operator are Tokyo Gas, Nippon Sanso and Senju; JHFC demo [to be opened in 2003] 41 DoE/NREL Blueprint – Installation of Infrastructure X [2003] and validation of fleet vehicle refueling [2004] 42 Tokyo; PEMFC Vehicle Demonstration by WEX NET/JHFC [to start March 2003] 43 Toyota Refueling Stations in California [up to 6 stations X by 2003], one with Stuart Energy electrolyzer unit in Toyota’s US headquarter in Torrance, California X 44 Refueling station of Clean Energy Partnership Berlin – Aral, BMW, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, MAN and Opel, comprising trucked-in LH2 by Linde and CGH2 produced onsite in a GHW pressurized electrolyzer and conventional fuels [scheduled start-up end of 2003] 45 Ottobrunn LCGH2 refueling station; operator EnergieTechnologie GmbH; refueling of one MAN ICE bus [scheduled start be end of 2003] 46 Refueling of PEMFC Irisbus City Bus at a CGH2 X refueling station supplied with hydrogen from hydropower via electrolysis in Torino, Italy (Consortium: ATM, Irisbus Italia, Sapio, CVA , Ansaldo Ricerche, Ministry of the Environment and ENEA) [Start of public bus demonstration planned since 2002 – delayed due to regulatory difficulties - this station most likely will be the one to refuel the IRISBUS fuel cell bus within the CITYCELL Project. The EU-funded CUTE bus demonstration supports operation of three DC Citaro FC buses each at a site; CGH2 storage pressure is 35 MPa; each location has differing hydrogen generation features 47 Amsterdam, The Netherlands; partners are Shell X Hydrogen, Nuon, GVB Amsterdam, Hoekloss and Milieudienst Amsterdam; renewable electricity based

94

LH2

LCGH2

X

X

?

X

X

X

X

X

N° Project CGH2 pressurized electrolysis provided by Vandenborre Technologies (IMET 60) 48 Barcelona, Spain; partners are TMB Barcelona and BP; X grid and partly PV-derived electricity fuel a pressurized electrolyzer provided by Vandenborre Technologies (IMET 60 type) 49 Hamburg, Germany; partners are HHA Hamburg, X HEW/Vattenfall Europe and BP; production of 45 MPa CGH2 for onsite storage via pressurized Norsk Hydro electrolyzer from green certified electricity 50 London, Great Britain; partners are London Buses, First X Group and BP; LH2 delivered by trucks, evaporation to CGH2 51 Luxembourg; partners are Air Liquide, Ville de X Luxembourg, FLEAA, Economics and Transport Ministry and Shell; CGH2 delivery in trailers to the refueling station 52 Madrid, Spain; partners are Air Liquide, Gaz Natural, X Repsol YPF and EMT Madrid; hydrogen is produced onsite from natural gas by a Carbotech compact reformer, H2 back-up supply is provided by CGH2 tube trailers from chemical by-product generation, This is the first CUTE station to become operative by APR2003 for demonstrations at the UIPT congress in MAY2003.This station will not only supply hydrogen to the CUTE project funded buses but also to an Irisbus FC bus funded in the CITYCELL project. 53 Oporto, Portugal; partners are STCP Porto and BP; X onsite reforming of natural gas to hydrogen, compression, storage and dispensing 54 Stockholm, Sweden; partners are SL Stockholm, X Busslink, Stad Stockholm and Fortum (Birka Energi); hydrogen is produced from green certified hydroelectricity via pressurized electrolysis supplied by Vandenborre Technologies (Stuart Energy Systems) 55 Stuttgart, Germany; partners are Stuttgarter X Straßenbahnen AG SSB, Neckarwerke Stuttgart NWS, Switch and BP; hydrogen production from natural gas via a compact steam reformer, purification, pressurization, storage and dispensing 56 Reykjavik, Iceland, ECTOS bus project demo, onsite X pressurized Norsk Hydro electrolyzer operated with hydro- and geothermal electricity, Shell is 35 MPa CGH2 refueling station operator, three DaimlerChrysler FC nd Citaro buses [operative from 2 half of 2003] 57 Leuven, Belgium, first European combined refueling X station for LNG, LCNG and LCGH2,by Citensy, a subsidiary of Electrabel and Distrigas, with equipment from NexGen a division of Chart Industries [operative in 2003] 58 Hydrogen liquefier and vehicle refueling station to be X erected by AEM, SOL, and others in a hydrogen and fuel cell demonstration center in Bicocca near Milano [not likely before 2004] 59 VTA, San Mateo Transportation District, CaFCP and ?

LH2

LCGH2

X

?

?

95

N° Project CGH2 CARB, LH2 delivery by APCI [projected start-up in 2004] 60 Perth, Western Australia; partners are Commonwealth X Government, DaimlerChrysler, Murdoch University,BP, Path Transit, Smart Track and UNEP; by-product hydrogen from BP’s oil refinery in Kwinana will be piped to the BOC site next door where it will be purified and pressurized. The compressed hydrogen will then be trucked to the bus depot and off-loaded to the refueling facility, from which the hydrogen fuel cell buses will be refueled. 61 Beijing, China; GEF and UNDP bus project with 6 FC X buses and refueling station [anticipated for 2003] 62 Shanghai, China; GEF and UNDP FC bus project and X refueling station [anticipated for 2003] 63 Cairo, Egypt; GEF and UNDP FC bus project and X refueling station [anticipated for 2003] 64 Mexico City, Mexico; GEF and UNDP FC bus project X and refueling station [anticipated for 2003] 65 New Delhi, India; GEF and UNDP FC bus project and X refueling station [anticipated for 2003] 66 Sao Paulo, Brazil; GEF and UNDP FC bus project and X refueling station [anticipated for 2003] 67 EUHYFIS – European Hydrogen Filling Station X [research phase/ demo to start in 2004] 68 Refueling of PEMFC Irisbus City Bus at a CGH2 X refueling station to be erected in Paris (type of hydrogen production not yet known); the demonstration will be part of the CITYCELL project;

96

LH2

LCGH2

AFKORTINGEN AFC APU ATR BOD CBD Cycle (of CBDC) CCGT C(G)H2 FC FPFC FT Diesel GHG-emissies GWP HHV ICE KOH LH2 LHV Nm3 PAFC PEM POX STM STP TSS TTW WTT WTW

: Alkaline Fuel Cell : Auxiliary Power Unit (zorgt voor energievoorziening in de wagen) : Autotherme reforming : Biological Oxygen Demand (parameter voor waterskwaliteit) : Central Bus District Cycle : Amerikaanse testcyclus voor bussen : Combined Cycle Gas Turbine : Compressed (gaseous) hydrogen (gecomprimeerd gasvormig waterstof) : Fuel Cell (brandstofcel) : Fuel Processor Fuel Cell (brandstofcel met reformer) : Fisher Tropsch diesel (synthetische diesel uit aardgas) : Green House Gas emissies (CO2, CH4, N2O, …) : Global Warming Potential : Higher Heating Value (Bovenste verbrandingswaarde) : Internal Combustion Engine (verbrandingsmotor) : Kaliumhydroxide : Liquid hydrogen (vloeibaar waterstof) : Lower Heating Value (onderste verbrandingswaarde) : Normale m3 = m3 onder STP : Phosphoric Acid Fuel Cell : Proton Exchange Membrane : Partiële oxidatie : stoomreforming : Standaard omstandigheden (1atm en 273 K) : Total Suspended Solid (parameter voor waterkwaliteit) : Tank to Wheel : Well to Tank : Well to Wheel (=Well to Tank + Tank to Wheel)

97

REFERENTIES 1

W. Zittel, R. Wurster, ‘Hydrogen in the Energy Sector’, Hyweb:Knowledge, http://www.hydrogen.org 2 Hydrogen course tekst, College of the Desert, Revision December 2001, http://www.ott.gov/otu/field-ops/hydrogen_class.html 3 GM Well to Weel Analysis of Energy Useand Greenhouse Gas emissions opf Advanced Fuel /Vehicles Systems – A European Study 4 G. Harris, Pathways for Natural Gas Into Advanced Vehicles, 2002 5 ESTO Study “Trends in Vehicle and Fuel Technologies”, Vito, MERIT, OPTI and JRC-IPTS, Draft october 2002 6 M. Q. Wang, H. S. Huang, ‘A Full Fuel-Cycle Analysis of Energy and Emisisons Impacts of Transportation Fuels Produced from Natural Gas’, Center for Transportation Research Argonne National Laboratory, December 1999. 7 J. Row, M. Raynolds, G. Woloshyniuk et al., ‘Life-Cycle Value Assessment (LCVA) of Fuel Supply Options for Fuell Cell Vehicles in Canada’, June 2002. 8 http://europa.eu.int/comm/research/energy/nn_rt_hlg1_en.html 9 ‘Hydrogen Energy and Fuel Cells – A Vision of Our Future’, HLG Draft report v4.8, 1 april 2003, http://europa.eu.int/comm/research/energy/nn_rt_hlg3_en.html 10 http://www.stuart.com 11 http://www.hydrogensystems.com 12 mondelinge mededeling van Air Liquide Industries Benelux 13 Paper in publicatie, Grietus Mulder 14 P. L. Spath, M. K. Mann, ‘Life Cycle Assessment of Hydrogen Production via Natural Gas Steam Reforming’, NREL/TP-570-27637. 15 A. D. Little, ‘Energy Efficiency and Emissions of Transportation Fuel Chains’, Phase I Technical Report to Ford Motor Company, February 1996. 16 Productie Milieurapport 2001, Electrabel, http://www.electrabel.be 17 Cordis News http://dbs.cordis.lu/cgi-bin/srchidadb 18 T. A. Milne, C. C. Elam, R. J. Evans, ‘Hydrogen from Biomass; State of the Art and Research Challenges’, IEA/H2/TR-02/001 19 NAVC Survey, ‘Future Wheels: Interviews with 42 Global Experts on the Future of Fuel Cells for Transportation, Fuell Cell Infrastructure and Fuell Cell Primer’, Northeast Advanced Vehicle Consortium (NAVC), November 2000. 20 S. E. Gay-Desharnais, J.-Y. Routex, M. Holtzapple, M. Ehsani, ‘Investigation of Hydrogen Carriers for Fuel-Cell Based Transportation’, SAE 2002-01-0097, 2002. 21 M. Allard, ‘Issues Associated with Widespread Utilization of Methanol’, SAE 200001-0005, 2000. 22 Dieselnet UPDATE – december 2002 23 D.-L. Liu, J. Williams, M. Kaiser, D. Winstead, J. Kudart, S. F. Simpson, T. Rehg, ‘Two New Approaches for CO Removal from Reformate Fuel for the PEM Fuel Cell Application’, SAE 2000-01-0379. 24 T. C. Simmons, P. A. Erickson, M. J. Heckwolf, V. P. Roan, ‘The Effects of StartUp and Shutdown of a Fuel Cell Transit Bus on the Drive Cycle’, SAE 2002-01-0101, 2002. 25 R. Dhingra, ‘Environmental Evaluation of Direct Hydrogen and Reformer Based Fuel Cell Vehicles’, SAE2002-01-0094, 2002.

98

26

S. Casten , P. Teagan, R. Stobart, ‘Fuels for Fuel Cell-powerd vehicles’, SAE 200001-0001, 2000 27 H. L. MacLean, L. B. Lave, ‘Evaluating Automobile Fuel/Propulsion System Technologies’, J. Prog. Energy Comb. Science 29, in publicatie. 28 W. A. Amos, ‘Costs of storing and Transporting Hydrogen’, NREL/TP-570-25106, National Renewable Energy Laboratory, November 1998. 29 http://www.impco.ws 30 http://www.hydrogen.org/h2muc/schemae/mannpbe.htm 31 S. J. Szwabowski, S. Hashemi, W. F. Stockhausen, R. J. Natkin, L. Reams, D. M. Kabat, C. Potts, ‘Ford Hydrogen Engine Powered P2000 Vehicle’, SAE 2002-01-0243. 32 W. F. Stockhausen, R. J. Natkin, , D. M. Kabat , L. Reams, X Tang, S. Hashemi, S. J. Szwabowski, , V. P. Zanardelli, ‘Ford P2000 Hydrogen Engine Design and Vehicle Development Program’, SAE 2002-01-0240. 33 http://www.ford.com 34 http://www.bmw.com 35 S. Verhelst, R. Sierrens, ‘Hydrogen Engine Specific Properties’, Int. J. of Hydrogen Energy 26 (2001), 987 -990. 36 S. Verhelst, R. Sierrens, ‘Aspects Concerning the Optimisation of a Hydrogen Fueled Engine’, Int. J. of Hydrogen Energy 26 (2001), 981 -985. 37 http://www.mn.man.de/presse/en/aae/aa47e.htm 38 mededeling per mail : [email protected] 39 http://www.iahe.org 40 website van het CUTE-project http://www.fuel-cell-bus.com 41 http://www.ballard.com 42 L. Eudy, R. Parish, J. Leonard, A. D. Little, ‘Hydrogen Fuel Cell Bus Evaluation’, Proceedings of the 2001 DOE Hydrogen Program Review, NREL/CP-570-30535. 43 C. Grüber, R. Wurster, ‘Hydrogen Fueles Buses: The Bavarian Fuel Cell Bus Project’, http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/ 44 P. J. Berlowitz, C. P. Darnell, ‘Fuel Choices for Fuel Cell Powered Vehicles’, SAE 2001-01-0003, 2001. 45 M. A. Weiss, J. B. Heywood, A. Schafer, V. K. Natarajan, ‘Comparative Assessment of Fuel Cell cars’, Energy Laboratory report MIT LFEE 2003-001 RP, Massachusetts Institute of Technology, February 2003. http://www.Ifee.mit.edu/publications 46 M. A. Weiss, J. B. Heywood, E. M. Drake, A. Schafer, F. F. AuYeung, ‘On the Road in 2020: A Life Cycle Analysis of New Automobile Technologies’, Energy Laboratory Report MIT EL 00-003, Massachusetts Institute of Technology, October 2000, http://web.mit.edu/energylab/www 47 UBA (2000): “Comparative study of fuel cell vehicles and vehicles with internal combustion engines”, Umweltbundesamt, Germany, January 2000, http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-daten-e/daten-e/brennstoffzelle.htm 48

E. Vandenberghe, ‘Project H: Waterstof en Benzine als motorbrandstof in bi-fuel’, versie Maart 2003. 49 M. Van Poppel, A. Martens, D. De Keukeleere, ‘Evaluatie Project H’, Vito nota, April 2003. 50 Cleaner Drive Workshop: ‘Methane & Hydrogen and Refuelling Infrastructure Economics’, 13 March 2003, Brussels. 51 http://www.hydrogen.org

99

52

C. Bordeaux, ‘Hydrogen Fueling Infrastructure: What comes first, the chicken or the egg?’, NHA News http://www.hydrogenus.org/advocate/ad72inf.asp 53 ‘On the Road to Hydrogen: Policy Priorities’, the NHA, 5 maart 2003, http://www.hydrogenus.org/approvedpolicypaper.pdf 54 U. Bünger, ‘Current Status and Perspectives of Hydrogen Energy Related Activities in Germany’, Interbational Conference on Hydrogen Age of Asia, November 27-28 2001, Tokyo, Japan. 55 ‘Standards Analysis for Gaseous & Cryogenic Vehicle Fuels: Natural Gas & Hydrogen’, in Cleaner Drive WP 4.1 Deliverable 1, 2002. 56 info van hydrogen systems, mondelinge mededeling 57 M. Van Driel (Hexion), mededeling op Studiedag Brandstofcellen, 29 april 2003, Vito.

100