Hoe Brandstofcellen Werken: Elektrochemische Omzetting en Emissievrije Bediening

Kern elektrochemisch proces: waterstof-oxidatie en zuurstof-reductie

Brandstofcellen genereren elektriciteit via een chemische reactie tussen waterstof en zuurstof, en belangrijk is dat ze dit doen zonder iets te verbranden. Wanneer waterstof de anodekant bereikt, wordt het door een katalysator, grotendeels gemaakt van platina, opgesplitst in protonen en elektronen. De elektronen bewegen via buitendraadjes buiten de cel, waardoor een elektrische stroom ontstaat die we daadwerkelijk als energie kunnen gebruiken. Ondertussen glijden die protonen door iets dat een protonenuitwisselingsmembraan wordt genoemd (of PEM voor het gemak) naar de andere kant van de cel. Daar, aan de kathode, ontmoeten deze protonen zuurstofmoleculen en de elektronen die via de externe stroomkring zijn teruggekeerd. Samen vormen ze uitsluitend schoon water als bijproduct. Dit gehele proces werkt zo efficiënt omdat het niet afhankelijk is van warmteoverdracht zoals traditionele motoren. Daarom zetten PEM-brandstofcellen doorgaans ongeveer de helft tot twee derde van hun ingevoerde energie rechtstreeks om in elektriciteit. Dat is ongeveer het dubbele van wat de meeste benzinevoertuigen presteren, aangezien hun rendement beperkt wordt door fundamentele thermodynamische principes, bekend als de Carnotcyclus.

Belangrijke voordelen zijn:

• Bijna geruisloze werking zonder bewegende onderdelen buiten hulpystemen
• Continue vermogensafgifte zolang brandstof en oxidator worden toegevoerd
• Modulaire schaalbaarheid — van kilowatt kleine eenheden tot meerdere megawatt stationaire installaties

In tegenstelling tot batterijen zijn brandstofcellen energie-omzetters, geen opslagapparaten — waardoor continu gebruik mogelijk is zonder oplaadtijd.

Waarom brandstofcellen alleen water uitstoten — geen CO₂, NO₂ of fijnstof

Brandstofcellen stoten niets uit wat gereguleerd wordt, omdat ze werken via elektrochemische reacties in plaats van door verbranding. Waterstof bevat gewoonweg geen koolstof, wat betekent dat er tijdens het gebruik geen CO2 kan ontstaan. Bovendien vinden de reacties plaats bij maximaal ongeveer 100 graden Celsius, ver onder de 1.300 graden waarbij stikstofoxiden beginnen te vormen. Er zijn ook geen vlammen bij betrokken, dus vaarwel roet, as en die vervelende onverbrande koolwaterstoffen die de lucht vervuilen. Wat komt er dan wel uit? Eigenlijk alleen zuivere waterdamp, soms gevangen en opnieuw gebruikt in industriële processen. Daarom functioneren deze systemen zo goed binnenshuis, in drukke stedelijke gebieden of overal waar de luchtkwaliteit belangrijk is. Ze sluiten goed aan bij de aanbevelingen van het EPA, voldoen aan Europese regels voor schone lucht en komen overeen met de richtlijnen van de Wereldgezondheidsorganisatie.

Toepassingen van brandstofcellen in moeilijk te reduceren sectoren

Zwaar transport: vrachtwagens, bussen, treinen en maritieme vaartuigen

Als het gaat om zwaar vervoer, lossen waterstofcellen enkele belangrijke pijnpunten op die batterijen gewoon niet goed genoeg aankunnen. Denk aan opslagcapaciteit van energie, de tijd die nodig is om ze op te laden, en het effect op voertuiggewicht. Waterstof-aangedreven vrachtwagens zijn momenteel ook in opkomst. Deze zware vrachtwagens kunnen tussen de 500 en 800 kilometer afleggen op één tank, en het bijtanken duurt minder dan twintig minuten, wat vergelijkbaar is met traditionele dieselmotoren. Dat verslaat bij lange na het meeslepen van enorme batterijpakketten, die een extra gewicht van ongeveer drie tot vier ton zouden toevoegen. We zien deze technologie al wereldwijd op gang komen, met meer dan vijfduizend waterstofbussen in bedrijf in landen als China, delen van Europa en zelfs Californië. De toepassingen groeien ook uitgebreid buiten bussen. Neem bijvoorbeeld de Coradia iLint-trein van Duitsland, of bekijk de inspanningen van Noorwegen met hun HYDROGEN-veerbootproject. Havens staan vooral te profiteren, aangezien de meeste containeroperaties sterk afhankelijk zijn op dieselapparatuur die te veel stikstofoxide en fijnstof de lucht inpompt. Overstappen naar waterstofcellen betekent nul uitstoot precies daar waar die uitstoot plaatsvindt, wat havenautoriteiten helpt de strenge doelen van de Internationale Maritieme Organisatie te halen voor het verminderen van koolstofuitstoot tegen 2030 en 2050.

Industriële Voedingen en Back-upsystemen: Vervanging van Dieselgeneratoren

Brandstofcellen leveren schone en betrouwbare stroom voor kritieke infrastructuur zoals datacenters, ziekenhuizen en fabrieken, waar traditioneel dieselgeneratoren als back-upstroombron dienen. In vergelijking met dieselsystemen stoten deze systemen geen schadelijke stikstofoxiden, zwaveldioxide of fijnstof uit binnen gebouwen of in de buurt van gevoelige bedrijfsprocessen. De manier waarop ze zijn opgebouwd, maakt het mogelijk om eenvoudig te schalen van kleine installaties van 50 kilowatt tot enorme opstellingen van wel 3 megawatt. De gebruiksduur hangt vooral af van de beschikbare hoeveelheid waterstof, in plaats van zorgen over het verslijten van batterijen in de tijd. Wanneer ze worden aangedreven door gecomprimeerde waterstoftanks, kunnen de meeste eenheden langer dan drie volledige dagen continu op volle belasting werken, wat het brandrisico verlaagt in vergelijking met het opslaan van grote hoeveelheden dieselbrandstof ter plaatse. Het Amerikaanse ministerie van Energie meldde dat het aantal bedrijven dat brandstofcellen als back-up gebruikt, vorig jaar met ongeveer 40 procent is gestegen. Deze groei is begrijpelijk als je kijkt naar hun uitzonderlijke betrouwbaarheid met een uptime van meer dan 99,999 procent, en het feit dat veel bedrijven tegenwoordig milieu-, sociale- en governance-doelstellingen (ESG) hoog in het vaandel dragen in hun zakelijke besluitvorming.

Het inschakelen van het brandstofcel-ecosysteem: infrastructuur, veiligheid en beleid

Waterstofopslag, tankinfrastructuur en operationele veiligheidsprotocollen

Het op grote schaal inzetten van brandstofcellen hangt sterk af van veilige manieren om waterstof te leveren zonder de bank te laten springen. Er zijn in feite drie hoofdaanpakken voor het opslaan van waterstof: gasvaten onder druk van ongeveer 350 tot 700 bar, zeer koude vloeibare waterstof opgeslagen bij min 253 graden Celsius, en nieuwere opties die gebruikmaken van metaalhydriden of speciale adsorptiematerialen. Elke methode presteert beter in verschillende situaties, afhankelijk van de specifieke toepassing. Als we kijken naar de cijfers bij het begin van 2023, zijn er wereldwijd meer dan 160 openbare waterstoftankstations, voornamelijk in regio's zoals Californië, Japan, Zuid-Korea en delen van Duitsland. Maar wanneer het erop aankomt deze infrastructuur uit te breiden voor grotere voertuigen zoals vrachtwagens en bussen, wordt het al snel gecompliceerd. De bouw van één gemiddeld groot station kost doorgaans tussen de twee en drie miljoen dollar, exclusief alle papierwerk dat nodig is voor vergunningen en de aansluiting op bestaande elektriciteitsnetten, wat een extra complicatie toevoegt die niemand graag wil aanpakken.

Veiligheid wordt gewaarborgd via internationaal geharmoniseerde technische normen, met name ISO/TS 15916, SAE J2601 en het European Hydrogen Safety Handbook. Deze stellen onder meer vereisten aan:

• Samengestelde waterstoftanks die gecertificeerd zijn om meer dan 10.000 drukcycli en ballistische inslagen te weerstaan
• Tankmunten met automatische lekdetectie, thermische uitschakeling en drukontlastingsinrichtingen
• Ventilatie van gesloten ruimtes ontworpen om de waterstofconcentratie onder de 1% onderste ontvlambaarheidsgrens te houden

De praktijkvalidatie komt uit initiatieven zoals het Europese H2 Mobility-programma, dat protocollen standaardiseerde over 29 stations — interoperabiliteit, veiligheid en gebruikersvertrouwen demonstrerend, essentieel voor brede adoptie.

Brandstofcellen in de route naar koolstofneutraliteit

Brandstofcellen spelen een sleutelrol in de zoektocht naar koolstofneutrale economieën, met name daar waar traditionele elektrificering niet voldoende is. Deze systemen gebruiken groene waterstof, geproduceerd uit hernieuwbare bronnen via elektrolyse, en zetten die om in elektriciteit, waarbij uitsluitend waterdamp wordt geproduceerd. Dit betekent geen CO₂-uitstoot, geen stikstofoxiden en zeker geen schadelijke deeltjes die in de lucht terechtkomen. Wat ze echt interessant maakt, is hoe ze samenwerken met hernieuwbare energiebronnen. Wanneer er te veel zonne- of windenergie wordt opgewekt, kunnen we in plaats van die overtollige energie te verspillen, deze opslaan als waterstof. Later, wanneer de vraag piekt, zetten we de opgeslagen waterstof eenvoudig weer om in elektriciteit. Deze aanpak draagt bij aan een robuustere stroomvoorziening, zonder afhankelijk te zijn van de ouderwetse fossiele back-upcentrales die iedereen wil afschaffen.

De wereld steekt echt geld in waterstof als een belangrijke speler: volgens het International Energy Agency is rond de 100 miljard dollar toegezegd voor waterstofinfrastructuur tegen 2030. De prijzen van brandstofcellen zijn ook sterk gedaald, ongeveer 60% sinds 2015, dankzij grotere productielopen en betere katalysematerialen. Overheidsbeleid begint ook bij te trekken. Denk aan de recente Amerikaanse Inflation Reduction Act, die een belastingkorting van 3 dollar per kilogram biedt voor schonere waterstof, evenals de bijgewerkte Europese Richtlijn Hernieuwbare Energie. Deze ontwikkelingen betekenen dat brandstofcellen niet langer experimenteel zijn, maar daadwerkelijk onderdeel worden van de reguliere infrastructuur. Vooruitkijkend, schattingen wijzen erop dat deze systemen ongeveer 15% van de energiebehoefte kunnen dekken in sectoren waar emissiereductie erg lastig is. Dat maakt ze behoorlijk belangrijk als we onze netto-nuldoelstellingen willen halen, hoewel er nog werk aan de winkel is voordat ze wijdverspreid worden.

Veelgestelde vragen

Wat is een brandstofcel?
Een brandstofcel is een apparaat dat chemische energie uit waterstof omzet in elektrische energie via een elektrochemische reactie met zuurstof.

Produceren brandstofcellen emissies?
Brandstofcellen produceren voornamelijk waterdamp als bijproduct en stoten geen gereguleerde verontreinigingen uit, zoals CO2, NOx of fijnstof.

Kunnen brandstofcellen worden gebruikt in het vervoer?
Ja, brandstofcellen worden steeds vaker gebruikt in zwaar vervoer, waaronder vrachtwagens, bussen, treinen en maritieme vaartuigen.

Wat zijn de veiligheidsmaatregelen voor het gebruik van waterstof?
Veiligheidsmaatregelen omvatten gecertificeerde waterstoftanks, lekdetectiesystemen en adequate ventilatie om de waterstofconcentratie op een veilig niveau te houden.