Een schip van 190 containers dat jaarlijks 3.000 ton CO2 bespaart, geen rookpluim heeft en stil de Rijn opvaart: dat is geen toekomstmuziek maar de dagelijkse praktijk van H2 Barge 2, een binnenvaartschip dat al op groene waterstof vaart. Toch blijft de vraag hoe dat precies werkt voor velen vaag. Waterstof als scheepsbrandstof is technisch verrassend gelaagd.
Wat gebeurt er in een brandstofcel?
De kern van het systeem is de PEM-brandstofcel (Proton Exchange Membrane). Waterstofgas stroomt aan de anodezijde het membraan in. Het membraan is een dunne polymeerfolie die alleen protonen doorlaat. De elektronen, die het waterstofmolecuul ook bezit, nemen een andere route: via een extern circuit. Dat circuit is de generator van de elektriciteit. Aan de andere kant van het membraan, bij de kathode, reageert het proton met zuurstof uit de lucht en het binnenkomende elektron. Het enige bijproduct is water.
Eenvoudig in essentie, uitdagend in schaal. H2 Barge 2 heeft zes brandstofcellen met elk 200 kilowatt vermogen, goed voor 1,2 megawatt totaal. Die elektriciteit laadt een accubank op. De scheepsschroef wordt aangedreven door een elektromotor die op de accu is aangesloten. Raakt de accu te laag, dan neemt de brandstofcel het over. Het systeem werkt daarmee als een serie-hybride.
Hoe sla je waterstof veilig op aan boord?
Waterstof heeft een lage energiedichtheid per volume-eenheid. Dat is het fundamentele probleem. Een kubieke meter vloeibaar aardgas levert veel meer energie dan een kubieke meter waterstof bij atmosferische druk. De oplossing is comprimeren of koelen.
Gecomprimeerde waterstof wordt opgeslagen in stevige composietcilinders onder 350 tot 700 bar. Cryogene opslag, waarbij waterstof vloeibaar wordt bij -253 graden Celsius, geeft een hogere energiedichtheid maar vereist zware isolatie en actieve koeling. Binnenvaarschepen als H2 Barge 2 gebruiken doorgaans gecomprimeerde cilinders omdat de korte vaarroutes dagelijkse bunkering mogelijk maken.
Directe verbranding als alternatief voor de brandstofcel
Naast de brandstofcel bestaat ook de optie waterstof direct te verbranden in een gemodificeerde verbrandingsmotor of gasturbine. Het voordeel: bestaande motortechnologie is aanpasbaar zonder volledig nieuwe systemen. Het nadeel: bij verbranding van H2 bij hoge temperaturen kunnen stikstofoxiden (NOx) ontstaan. Dat is bij brandstofcellen niet het geval. Voor oceaanschepen, die meer vermogen vragen, wordt ook gekeken naar ammoniak (NH3) als waterstofdrager die aan boord weer wordt omgezet of direct verbrand.
Groene versus grijze waterstof
Waterstof is zelf geen energiebron, maar een energiedrager. Of het gebruik ervan duurzaam is, hangt volledig af van de productiewijze. Groene waterstof wordt via elektrolyse van water gemaakt met behulp van hernieuwbare elektriciteit. Grijze waterstof, veruit het meest geproduceerde type, komt voort uit aardgas met CO2 als bijproduct. Blauwe waterstof gaat ook uit van aardgas, maar vangt de CO2 af (CCS). Voor de scheepvaart is alleen groene waterstof een echte nul-emissieoplossing.
De TU Delft onderzoekt hoe waterstof de zeevaart kan verduurzamen, specifiek voor route-optimalisatie en hybride systemen waarbij batterijen en brandstofcellen samenwerken bij wisselende belasting. Regelgeving volgt de techniek. Vanaf 2025 verplicht de FuelEU Maritime Regulation rederijen met grote schepen tot een geleidelijk stijgend aandeel koolstofarme brandstoffen, inclusief waterstof.
