Mobiliteit van de toekomst: batterijen of waterstof… of beide? – Deel 2

Dit is het tweede deel van een driedelige serie over de mobiliteit van de toekomst: worden het batterijen of toch waterstof? Lees hier de hele serie.

Nadat we in deel 1 van onze kleine serie hebben behandeld wat Duitse autofabrikanten op het gebied van elektrische auto’s, of het nu gaat om accu’s of waterstof, aanbieden of gepland hebben, gaan we in deel 2 nader in op de accu’s of brandstofcellen en hun gamma’s, en gaan we in op het onderwerp milieuvriendelijkheid.

HIER naar deel 1 van de serie over de mobiliteit van de toekomst – batterij of waterstof of beide?

Batterij

Het bereik van een accu wordt voornamelijk bepaald door de laadcapaciteit of het beheersysteem. Tesla is nog steeds de onbetwiste leider op dit gebied, dankzij het geavanceerde beheersysteem. Met de Model S kun je tot 600 kilometer afleggen zonder dat je de accu hoeft op te laden. Deze versie met de 100 kWh batterij kost echter ook een indrukwekkende 86.800 euro. Een BMW i3 daarentegen kan slechts 340 kilometer afleggen met een 42,2 kWh acculading. Aan de andere kant kost het met zijn basisuitrusting minder dan de helft van een Tesla: 41.600 euro. Een auto met een brandstofcel daarentegen heeft een actieradius van ongeveer 500 km en de nieuwe Toyota FCHV-adv zal naar verwachting zelfs 800 km bereiken met één tank brandstof.

Momenteel worden lithium-ionenaccu’s bijna uitsluitend in elektrische auto’s gebruikt, omdat ze een hoge energiedichtheid hebben en zeer vaak kunnen worden opgeladen zonder dat de capaciteit aanzienlijk wordt verminderd. Nogmaals, Tesla is de leider op dit gebied. Elon Musk’s bedrijf ontwerpt de motoren die ongeveer 1,6 miljoen kilometer mee moeten kunnen. Een batterij in Model 3 gaat meestal tot 800.000 kilometer mee. Duitse fabrikanten gaan uit van een batterijlevensduur van 100.000 tot 200.000 kilometer.

Voor de productie van de batterijen zijn echter talrijke grondstoffen nodig, zoals lithium, kobalt, nikkel, mangaan en grafiet, die bijna allemaal uit het buitenland moeten worden ingevoerd. Aangezien de meeste van deze grondstoffen niet onbeperkt beschikbaar zijn, zijn ze duur, wat ook tot uiting komt in de prijs van de batterijen. Zo kost de accu voor een kleine of middelgrote auto gemiddeld 10.000 euro, voor een Tesla 20.000 euro.

CO2 balans

De vraag rijst nu in hoeverre een emissievrije auto werkelijk geen belasting meer is voor het milieu. Het antwoord is eenvoudig: er is geen auto zonder uitstoot, alleen al omdat er veel CO2 vrijkomt bij de winning van de grondstoffen. Het Zweedse ministerie van Milieu heeft in een studie ontdekt dat er tussen de 150 en 200 kilo CO2 per kilowatt opslagcapaciteit van een batterij wordt geproduceerd.

“Er is geen auto zonder uitstoot, alleen al omdat er veel CO2 vrijkomt bij de winning van de grondstoffen.”

Bovendien moet eerst de elektriciteit worden geproduceerd die nodig is om de accu’s op te laden, wat in een land als Duitsland allesbehalve emissievrij is. De Duitse “Strommix” haalt nog steeds het grootste deel van zijn energie uit kolengestookte elektriciteitscentrales, wat betekent dat een “lokaal emissievrije” elektrische auto die wordt aangedreven door een oplaadbare batterij, volgens een studie van Daimler, nu vervuild is met 87,0 g/km CO2.

Dit ziet er wat beter uit in landen als Frankrijk, waar elektriciteit ook afkomstig is van een mix, maar vooral van kerncentrales. Het valt nog te bezien hoe de uiteindelijke milieubalans eruit zou zien als rekening werd gehouden met het probleem van de opslag van verbrande staven.

De beste CO2-balans zou natuurlijk zijn als de elektriciteit uitsluitend uit hernieuwbare energiebronnen zou komen. Zoals in Costa Rica. Het kleine Midden-Amerikaanse land haalt, geloof het of niet, meer dan 99 procent van zijn totale elektriciteitsvraag uit hernieuwbare energiebronnen. Het grootste deel van de elektriciteit (78 procent) wordt opgewekt uit waterkracht, ongeveer tien procent elk uit wind- en geothermische energie; zonne- en bio-energie hebben slechts een verwaarloosbaar aandeel van iets minder dan een procent.

Brandstofcel

Elektrische auto’s met een waterstoftank zijn al even weinig emissievrij als elektrische auto’s op batterijen zijn, vanwege de manier waarop ze elektriciteit opwekken.

Terwijl bij de winning van grondstoffen en de productie van oplaadbare batterijen veel vervuilende stoffen in het milieu zouden vrijkomen, zou een auto met een brandstofcel alleen waterstof verbranden, wat absoluut onschadelijk is voor het klimaat en milieuvriendelijker dan een batterijauto. Dit is het argument van de voorstanders van de waterstofmotor.

In een brandstofcel produceert een chemische reactie tussen waterstof en zuurstof elektriciteit, die vervolgens wordt doorgegeven aan de motor. Deze chemische reactie produceert geen schadelijke stoffen en de auto laat gewoon waterdamp in het milieu vrijkomen. Hierdoor is de brandstofcelauto, net als de accu-auto, “lokaal emissievrij”. Er is maar één klein probleempje: je hebt eerst elektriciteit nodig om waterstof te produceren.

Waterstof is geen natuurlijk element, kan niet zomaar worden verkregen en moet daarom worden geproduceerd. Deze productie vindt plaats door middel van zogenaamde “elektrolyse”. De wateratomen (H2O) worden opgesplitst in waterstof (H2) en zuurstof (O) met veel stroom. Pas dan kan er weer elektriciteit worden opgewekt in de brandstofcel wanneer de waterstof door de zuurstof in de lucht weer water wordt en de in de waterstof opgeslagen energie wordt omgezet in elektriciteit.

Door de kolen-gedomineerde elektriciteitsmix in Duitsland zouden waterstofauto’s een veel slechtere CO2-balans hebben dan auto’s op batterijen. Bovendien, volgens cijfers van Transport & Milieu, zet de batterij-aangedreven auto 73 procent van de oorspronkelijk opgewekte elektriciteit om in aandrijving, terwijl de brandstofcelauto slechts 22 procent omzet in aandrijving. Verdere energie wordt gebruikt om waterstof, benzine en diesel naar de tankstations te transporteren, voor koeling en compressie; eerst tijdens de productie en vervolgens tijdens de opslag bij de tankstations. Al met al moet volgens de laatste cijfers tien keer zoveel energie worden gebruikt om een waterstofauto te laten rijden als voor een batterijauto. Dit zou betekenen dat 870 gram CO2 gedurende 100 kilometer gebruikt zou moeten worden.

Er zij echter op gewezen dat deze berekeningen uiteraard ook gebaseerd zijn op waarden uit de Duitse elektriciteitsmix en er bij elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen – zie Costa Rica – heel anders zouden uitzien.

Energieopwekking uit uitlaat, remmen en zonnecellen

Maar waarom laad je de accu dan niet gewoon op tijdens het rijden? Sinds de introductie van hybride motoren in 2014, heeft de Formule 1 een technologie gebruikt die precies dat doet. De MGU-H (Motor Generator United – Heat) is een motor die is aangesloten op de turbolader en de energie van de uitlaatgassen omzet in elektrische energie. De MGU-K (Motor Generator United – Kinetic) zet de warmte die bij het remmen wordt opgewekt om en geeft deze weer af bij het accelereren.

In een wegvoertuig is het mogelijk om de kinetische energie terug te winnen die door de beweging van de wielveren wordt gegenereerd. Of je doet het zoals Lightyear One of Toyota met de Prius PHV en voorziet de carrosserie van zonnecellen die de actieradius vergroten. Allemaal goede mogelijkheden om de CO2-balans van de “lokale emissievrije” auto verder te verbeteren.