211service.com
Vul 'er op met waterstof'
Met een gewicht van bijna 2.600 kilogram lijkt het gespierde voertuig in de voorstedelijke skunkfabriek van DaimlerChrysler een onwaarschijnlijke auto van de toekomst. De lijnen zijn duidelijk eind 20e eeuw. Spring in de bestuurdersstoel en het voelt als uw standaard SUV (Sport Utility Vehicle). Maar doe de motorkap open en het wordt meteen duidelijk dat dit geen gewone gasslurper is: in plaats van een verbrandingsmotor bevindt zich een geavanceerde raffinaderij aan boord - een brandstofverwerkingssysteem van hogedrukgasleidingen, compressoren en chemische reactoren om methanol om te zetten in Hydrogen gas.
Dit bewegende laboratorium van miljoenen dollars, de Jeep Commander II, voert de waterstof naar twee brandstofcelstapels, die waterstof en zuurstof geruisloos combineren in een chemische reactie die genoeg elektriciteit opwekt om de SUV over de snelweg te laten razen. De werking van de auto is schoon en efficiënt en genereert alleen water, koolstofdioxide en wat extra warmte. Ontbrekend zijn de giftige luchtverontreinigende stoffen en fijn roet dat uit de uitlaatpijpen van de meeste voertuigen komt.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2000
- Zie de rest van het probleem
- Abonneren
DaimlerChrysler en zijn partners, de Canadese brandstofcelontwikkelaar Ballard Power Systems en de rivaliserende autofabrikant Ford Motor Co., zijn van mening dat brandstofcelvoertuigen het vermogen en de prestaties kunnen leveren die de hedendaagse chauffeurs gewend zijn. Commander II laat zien hoe zwaar dit is. Hoewel het voertuig de state-of-the-art in brandstofceltechnologie vertegenwoordigt, heeft de motor een half uur nodig om op te warmen en zou de massaproductie meerdere keren duurder zijn dan een standaard V6. Maar DaimlerChrysler dicht het gat. De volgende brandstofceldemo, een hatchback die al in de herfst wordt onthuld, zal een brandstofcel bevatten die twee keer zo krachtig is als die van Commander II. De brandstofprocessor weegt niet alleen de helft, maar start in minder dan een minuut op.
Het is dit soort gestage en substantiële verbeteringen in brandstofceltechnologie die veel autofabrikanten en oliemaatschappijen ervan hebben overtuigd dat de verbrandingsmotor eindelijk zijn gelijke heeft gevonden. Geconfronteerd met strengere regulering van uitlaatemissies, investeren verschillende autofabrikanten zwaar om de overgang te leiden. DaimlerChrysler, Ford en Ballard hebben bijna $ 1 miljard uitgegeven aan brandstofcellen en zijn van plan om tegen 2004 minstens een miljard meer uit te geven om voertuigen in massaproductie te gaan produceren. Het doel is om brandstofcellen uit de skunkfabriek en de showroom te halen. De grote meerderheid van onze mensen die aan brandstofcellen werken, werken aan het productieprogramma, zegt Bruce Kopf, directeur van TH!NK Technologies, de elektrische auto-onderneming van Ford.
De concurrenten van Ford en DaimlerChrysler hebben zich aangesloten bij de race, samen met grote leveranciers van onderdelen. De vier grootste autofabrikanten van Japan hebben het afgelopen decennium meer dan $ 850 miljoen geïnvesteerd in brandstofcellen, en verschillende zijn toegewijd aan het commercialiseren van de technologie, mogelijk zelfs vóór DaimlerChrysler en Ford.
Deze bedrijven zijn enthousiast over brandstofcellen omdat de verbrandingsmotor steeds moeilijker te verbeteren is. Zelfs de meest geavanceerde ontwerpen zullen moeite hebben om te voldoen aan de strengere emissienormen die binnenkort worden opgelegd in Californië en verschillende staten aan de oostkust. En het opruimen van de verbrandingsmotor begint zijn kosten te verhogen. Na 100 jaar verbeteringen bereikt de verbrandingstechnologie haar grenzen.
Brandstofcellen zijn ook aantrekkelijk omdat ze elektrische auto's van batterijvermogen zullen bevrijden, wat de schoonste auto's op de weg van vandaag oplevert, maar hen ook tot een nichemarkt verdoemt. Batterij-aangedreven auto's zijn snel en responsief, en bijna stil zonder het geratel en gebrul van zuigers. Maar deze kenmerken werden overschaduwd door het beperkte bereik van de voertuigen. Batterijen zijn gewoon niet veel verbeterd sinds ze bijna een eeuw geleden van de weg werden gereden door de verbrandingsmotor. De inherente beperkingen van de elektrische auto nopen hem in wezen tot een zeer klein rijbereik, en dat is het verhaal van vandaag, zegt historicus Robert Casey, curator voor vervoer in het Henry Ford Museum in Dearborn, Michigan. De elektrische auto is de auto van de toekomst geweest voor de laatste honderd jaar.
Membraan Magie
Een manier om de actieradius van de elektrische auto te vergroten, is door brandstof aan boord te vervoeren en elektriciteit op te wekken. Dit is de benadering die wordt gebruikt door hybride benzine-elektrische auto's zoals de Toyota Prius, die deze zomer in de Amerikaanse showrooms te zien zijn. De Prius maakt gebruik van een kleine, efficiënte verbrandingsmotor, plus een stapel batterijen die de motor aanvullen tijdens het accelereren en het vermogen van de wielen absorberen tijdens het remmen. Het probleem met deze oplossing is dat deze inherent gecompliceerd en kostbaar is, aangezien deze elektrische en mechanische aandrijftechnologieën combineert. Robert Winters, analist energietechnologie bij Bear Stearns in New York, zegt dat de Prius zwaar wordt gesubsidieerd en vraagt zich af of hybrides ooit betaalbaar zullen zijn. Je hebt daar een redundant motorsysteem. Hoe ga je dat overwinnen?
Voer de brandstofcel in. In tegenstelling tot batterijen, die een lading opslaan, wekken brandstofcellen on-the-fly elektriciteit op. Neem voldoende brandstof mee en de brandstofcel brengt uw elektrische auto overal waar u maar wilt. Winters zegt dat brandstofcellen snel een handelsartikel worden en dat voertuigen die ze vervoeren gemakkelijk enkele procenten kunnen uitmaken van de ongeveer 60 miljoen auto's die tegen 2010 wereldwijd zullen worden geproduceerd.
Hoewel er een half dozijn varianten van brandstofcellen zijn, waarbij verschillende brandstoffen en materialen worden gebruikt, is één versie naar voren gekomen als de duidelijke favoriet voor gebruik in de auto: de brandstofcel met protonenuitwisselingsmembraan (PEM). Een PEM-cel is stevig en compact en werkt bij een relatief koele 80 C. Het hart van de PEM-cel is een rubberachtig plastic membraan bedekt met een platinakatalysator. De katalysator splitst waterstofgas in protonen en elektronen; alleen de protonen kunnen door het membraan. De elektronen reizen rond het membraan en genereren de gekoesterde elektrische stroom, voordat ze opnieuw worden gecombineerd met de protonen en zuurstof aan de andere kant van het membraan om water te genereren. Door een reeks van deze membraankatalysatorassemblages of cellen te stapelen, wordt de spanning vermenigvuldigd.
PEM-stacks verlichtten het Gemini-ruimtevaartuig dat in de jaren zestig om de aarde cirkelde, maar genereerde een stroompje elektriciteit dat te zwak en te duur was voor commerciële toepassingen, laat staan voor automotoren. Aan het eind van de jaren tachtig boekten onderzoekers van het Los Alamos National Laboratory grote vorderingen op het gebied van katalysatoren, waarbij de benodigde hoeveelheid platina met 90 procent werd verminderd. Ballard vermenigvuldigde de vermogensdichtheid van de stack (het teruggegeven vermogen per eenheid kostbare voertuigruimte die het inneemt) door te leren hoe hij de membranen tevreden houdt (nat maar niet doorweekt) en door het sanitair te perfectioneren dat waterstof, zuurstof en water door de stacks transporteert. Ballard, gevestigd in Burnaby, B.C., heeft bijna 400 patenten die zijn uitgegeven of in behandeling zijn om zijn voorsprong in PEM-technologie te beschermen.
Twee jaar geleden overschreed Ballard de minimale vermogensdichtheid voor auto's - 1.000 watt per liter - met zijn Mark 700-stack, waarvan er twee Commander II voortstuwen. De Mark 900-stacks van Ballard, die begin dit jaar werden uitgebracht, leverden maar liefst 1.350 watt per liter. Dat is een vermogensdichtheid die praktisch is voor de voertuigen van vandaag, zegt Paul Lancaster, Ballard Vice President Finance. Met andere woorden, een auto die zo'n stapel inpakt, moet de gezinsauto, inclusief bagage, versnellen met hetzelfde enthousiasme als een verbrandingsmotor.
Sturen rond obstakels
Maar houd je chequeboek vast, want er is nog meer werk om de brandstofcelauto praktisch te maken. Al zijn systemen zijn te duur - zelfs duurder dan het laden van een auto met batterijen - en het leveren van waterstof aan de stapels is nog steeds een strijd.
De grootste uitdaging van Ballard is het vervaardigen van goedkopere stapels. Het bedrijf werkt samen met Ford en DaimlerChrysler om zijn stapelontwerpen te optimaliseren voor goedkope, geautomatiseerde productie. En om een kritieke productiemassa te bereiken, commercialiseert Ballard brandstofcellen tegelijkertijd in meerdere markten - niet alleen voertuigen, maar ook draagbare stroomgeneratoren, generatoren voor woningen en stationaire energiecentrales. Lancaster legt het break-evenpunt vast op ongeveer 300.000 stacks per jaar. Voor zover mogelijk hebben we gemeenschappelijke materialen en gemeenschappelijke productieprocessen gebruikt in alle productlijnen, dus we hoeven geen brandstofcellen te maken voor 300.000 auto's om dat volume te bereiken.
DaimlerChrysler en Ford concentreren zich ondertussen op het maken van de rest van de auto. Hun grootste hoofdpijn was om de stapels met waterstof gevoed te houden. Het probleem met brandstofcellen is de brandstof geworden. Het is niet meer de brandstofcel, zegt Mohsen Shabana, die als programmamanager brandstofcelvoertuigen bij DaimlerChrysler's engineering technologies-operatie in Rochester Hills, Michigan, verantwoordelijk is voor het laten draaien van Commander II. Alle drie de brandstoffen die autofabrikanten overwegen - benzine, methanol en waterstof - vormen een serieuze uitdaging.
De winning van waterstof aan boord uit benzine zou de overgang naar het brandstofcelvoertuig naadloos maken, aangezien benzine overal aanwezig is. Maar onderweg gas raffineren is moeilijk. De reacties vinden plaats boven 800 ° C, waardoor de apparaten traag starten en de chemie is temperamentvol; terwijl het proces routinematig wordt gebruikt in chemische fabrieken en olieraffinaderijen om industriële hoeveelheden waterstof te maken, is het lastig om het onder de motorkap te persen. Een ander onopgelost probleem is het beschermen van de brandstofcel tegen de katalysatorvergiftigende zwavel in benzine.
Ondanks de technologische uitdagingen hebben General Motors en Exxon Mobil onlangs de gezamenlijke ontwikkeling aangekondigd van een benzine-brandstofprocessor en zeggen ze dat een demonstratievoertuig met brandstofcellen aangedreven door de processor binnen 18 maanden klaar zou kunnen zijn. De autofabrikant stelt dat waterstof weliswaar de brandstof van de toekomst zal zijn, maar dat de technologie voor de verwerking van benzine een cruciale overgang zal vormen om brandstofcelauto's praktisch te maken.
Anderen wachten niet op de benzineprocessor. DaimlerChrysler ontwikkelt een methanolsysteem. Sommige brandstofcellen werken rechtstreeks op methanol in plaats van waterstof, maar brandstofcelexperts zeggen dat deze technologie minstens zeven jaar verwijderd is van het efficiëntieniveau dat nodig is om een auto aan te drijven. Dus het tegenwoordig gebruiken van methanol als brandstof betekent het extraheren van zijn waterstof. Methanol is een gemakkelijker doelwit dan benzine omdat het zwavelvrij is en waterstof oplevert bij een relatief milde 300 C. Maar het raffineren van methanol is nog steeds een complex proces met veel stappen, die elk bij een bepaalde temperatuur moeten plaatsvinden.
De methanolprocessor onder de motorkap van Commander II pompt genoeg waterstof uit om het voertuig een schaduw van minder dan 200 kilometer te brengen tussen het tanken van methanol. Het bereik wordt beperkt door de kleine omvang van de brandstoftank - een gevolg van de omvangrijke brandstofprocessor. Het grote probleem is echter dat de brandstofprocessor een half uur nodig heeft om op te warmen, wat een half uur langer is dan bestuurders bereid zijn te wachten. Het probleem is dat de processor stoom gebruikt om de waterstof vrij te maken, en het kost tijd om op stoom te komen, net als bij de stoomauto's van het begin van de 20e eeuw.
DaimlerChrysler, Ford en Ballard zeggen dat ze aan een oplossing werken: een brandstofprocessor van de volgende generatie die een katalysator gebruikt in plaats van stoom om de waterstofproductie op gang te brengen. Het nieuwe systeem is veel kleiner – iets groter dan een archiefdoos – en weegt half zoveel als het beest dat onder de motorkap van Commander II wordt geperst. Maar deze geavanceerde kleine brandstofprocessor heeft lang op zich laten wachten. Ford en DaimlerChrysler waren beide van plan om de technologie dit voorjaar in demo-auto's te laten zien, maar alleen Ford's verschenen op het autoshowcircuit - en de brandstofprocessor werkte niet. Ford's Kopf zegt dat de twee bedrijven besloten hun middelen te bundelen - inclusief de schaarse auto-ingenieurs die vertrouwd zijn met de communicatiesystemen van het elektrische voertuig - om de processor te laten werken in de volgende conceptauto van DaimlerChrysler. Het systeem is zo ingewikkeld en er zijn veel computers die met elkaar praten, zegt Kopf. Er zijn niet veel mensen in de wereld die deze kunnen laten draaien.
Terwijl deze elite-ingenieurs zich druk maken over katalysatoren en controles, groeien er twijfels over de levensvatbaarheid van methanol als consumentenproduct. Methanol is smerig spul - het kan niet alleen dodelijk zijn als het wordt ingenomen, maar zelfs spatten op de huid kan blindheid en lever- en nierfalen veroorzaken. En omdat methanol oplost in water, vormt het een bedreiging voor de ondergrondse drinkwatervoorziening. Dat maakt oliemaatschappijen nerveus; ze klauteren al om het op methanol gebaseerde brandstofadditief MTBE (methyl-tertiaire butylether) uit hun benzine te halen, nadat de smerig smakende chemische stof begon te verschijnen in het drinkwater van Californië.
De meest voor de hand liggende oplossing is natuurlijk om waterstof direct als brandstof te gebruiken. Dat zou de noodzaak voor een hervormer elimineren, evenals de klimaatverwarmende koolstofdioxide die het genereert (hoewel er nog steeds wat CO2 vrijkomt tijdens de waterstofproductie uit fossiele brandstoffen, de meest gebruikelijke methode van vandaag). Het probleem is dat, hoewel waterstof meer energie per gewicht bevat dan welke andere brandstof dan ook (ongeveer drie keer meer dan benzine), het moeilijk is om veel van dit energetische gas in een brandstoftank te proppen. Pak een in de handel verkrijgbare tank voor gecomprimeerd gas in met waterstof, en uw voertuig zal amper 150 kilometer rijden - niet verder dan de beste autoaccu's van vandaag. Waterstof is ook de kleinste van alle moleculen en glipt door de kleinste gaatjes - een zorgelijke eigenschap, gezien de karakteristieke ontvlambaarheid. (Herinner je je de Hindenburg?) DaimlerChrysler duwde een demo-auto 450 kilometer met een tank voor vloeibare waterstof, maar de cryogene technologie om brandstof op te slaan bij -253 C (slechts 20 graden boven het absolute nulpunt) is niet volwassen voor massamarkten. En veel succes met het vinden van een waterstoftankstation - er zijn er wereldwijd maar een half dozijn.
De beschikbaarheid van waterstof kan echter minder een probleem worden naarmate grote oliemaatschappijen de uitdaging van de distributie van het gas aangaan. Graham Batcheler, president van Texaco Energy Systems, de dochteronderneming van de oliegigant op het gebied van geavanceerde brandstoffen in Houston, zegt dat het bedrijf gelooft dat de brandstofcel op de lange termijn de verbrandingsmotor zal vervangen. Hij acht het onvermijdelijk dat automobilisten waterstof gaan tanken - en hij wil dat ze dat bij een Texaco-station doen. In plaats van te vechten om zijn benzinefranchise te beschermen, investeert Texaco in de belangrijkste technologie om waterstoftanken mogelijk te maken: geavanceerde opslagtanks.
Een mogelijkheid om het waterstofpakkingsprobleem op te lossen, is simpelweg het heroverwegen van compressie. Sterkere tanks zouden de waterstof tot een hogere druk kunnen comprimeren, of radicaal herontworpen voertuigframes kunnen massieve maar vreemd gevormde tanks herbergen. Een andere optie is om tanks vol te laden met materialen die waterstof binden, waardoor de moleculen worden vertraagd zonder het gas vloeibaar te maken. Van grafietvezels met ingewikkelde nanostructuren is bijvoorbeeld aangetoond dat ze meer dan 20 gewichtsprocent waterstof absorberen, waardoor veel meer van het gas in een tank kan worden gestopt.
Visioenen consumeren
Gezien de uitdagingen erkent Johannes Ebner, de directeur van het brandstofcelprogramma van DaimlerChrysler die verantwoordelijk is voor de brandstofinfrastructuur, dat eerdere schattingen van het bedrijf om in 2004 20.000 tot 40.000 van de auto's op de weg te zetten, nu onrealistisch lijken: het zal een zeer beperkte productie zijn. Ballard, DaimlerChrysler en Ford beginnen volgend jaar met het testen van hun technologieën op consumenten in Californië, waar in 2003 strenge eisen voor vervuilingsvrije voertuigen van kracht worden. Het California Fuel Cell Program (opgericht door deze drie bedrijven samen met andere autofabrikanten, celfabrikanten en verschillende grote oliemaatschappijen) zijn van plan om 60 brandstofcelauto's en -bussen op de weg te plaatsen, waardoor brandstofcelvoertuigen uit de handen van zorgvuldige ingenieurs en in de handen van veeleisende consumenten komen.
Deze Californische auto's zullen, net als de Commander II, op maat worden gebouwd. De echte test voor brandstofcellen zal komen wanneer in massa geproduceerde auto's de weg op gaan - wat zowel Ford als DaimlerChrysler hebben gezworen in 2004, ondanks het feit dat ze wisten dat ze er geld aan zouden verliezen. We hebben verklaard dat we voertuigen in handen van het publiek zullen hebben, en er zijn programma's om dat te doen, maar dat betekent niet dat ze commercieel levensvatbaar zijn, zegt Ford's Kopf. Hij geeft toe dat brandstofcelauto's nu een stuk duurder zijn dan batterij-aangedreven auto's, die zelf niet goedkoop zijn. Ford zou minstens $ 35.000 in rekening moeten brengen om de kosten van zijn op batterijen werkende Ranger-pick-up te dekken, bijna drie keer meer dan het prijskaartje dat hem winst oplevert voor een eenvoudige Ranger met verbrandingsmotor.
Waarom maken autofabrikanten plannen om geld te verliezen? Kopf zegt dat er altijd een mogelijkheid is dat de technologie sneller vruchten afwerpt dan verwacht. Instabiliteit in het Midden-Oosten kan bijvoorbeeld de benzineprijs opdrijven tot $ 5 per gallon, waardoor Amerikanen op zoek gaan naar brandstofefficiëntie, net zoals de oliecrises in de jaren zeventig deden. We willen een kerntechnisch vermogen hebben ontwikkeld om te weten waar de problemen zijn, waar we moeten vereenvoudigen. We willen voorbereid zijn.
Maar hij zegt dat de ultieme motivatie van lange duur is. De brandstofcel belooft de auto duurzaam te maken, vervuiling tegen te gaan en te bevrijden van de oliepolitiek - en ervoor te zorgen dat Ford in deze eeuw net zo veel succes kan hebben als in de vorige. De grote aantrekkingskracht van brandstofcellen is de belofte van nul uitlaatemissies, mogelijk geen uitstoot van broeikasgassen en energieonafhankelijkheid, zegt Kopf. Dat zijn de heilige gralen van de auto-industrie.
Kopf kijkt naar de toekomst en stelt zich een wereld voor waarin elektriciteit uit hernieuwbare bronnen zoals wind- en zonnecellen waterstof opwekt uit water - het omgekeerde van het brandstofcelproces - om een vloot brandstofcelvoertuigen aan te drijven. Je zou een brandstofsysteem en voertuig kunnen maken dat nul broeikasgassen en nul uitlaatemissies produceert - een waterstof-zuurstof-watercyclus die voor altijd duurzaam is. Dat is het uiteindelijke doel.
Je zou kunnen verwachten dat dit soort praatjes de leiders van DaimlerChrysler, die onlangs een crashprogramma aankondigden om $ 2 miljard aan operaties te besparen, de angst van aandeelhouders over dalende aandelenkoersen en zwakke rendementen de kop in te drukken. Maar Ebner zegt dat Juergen Schrempp, voorzitter van DaimlerChrysler, persoonlijk de kredietlijn van $ 1 miljard van het brandstofcelprogramma beschermt als een pijplijn naar de toekomst. De visie van Schrempp klinkt nog messiaanser dan die van Kopf.
In een recente toespraak voor de World Engineers Convention smeekte de ingenieur die nu bedrijfsleider is geworden ingenieurs over de hele wereld om hun projecten af te blazen en op de brandstofceltrein te springen. De redenering van Schrempp? Ervoor zorgen dat toekomstige generaties niet worden overweldigd door wereldwijde klimaatverandering en economische ontwrichtingen door afnemende olievoorraden. We delen allemaal de verantwoordelijkheid voor het uitvoeren van dit project, voor de verantwoordelijkheid voor het uitvoeren van dit project, want het nemen van verantwoordelijkheid maakt deel uit van de waardigheid van mensen.
BEDRIJVEN STRATEGIE PLANNEN DaimlerChrysler , Ballard Power Systems , en Ford Motor Samenwerken om brandstofcellen, brandstofprocessors en elektrische aandrijvingen te commercialiseren. Ballard richt zich op het verlagen van de kosten van brandstofcellen, terwijl DaimlerChrysler en Ford geïntegreerde voertuigen demonstreren die rijden op gecomprimeerde waterstof, vloeibare waterstof en methanol. Gepland om tussen 2001 en 2003 30-40 voertuigen te demonstreren in Californië. Modellen ontwerpen voor beperkte productie in 2004. GM en Toyota Samenwerken aan elektrische auto's. Beide bedrijven, leiders op het gebied van batterij- en benzine-elektrische hybridetechnologieën, hebben volledig functionele conceptauto's met brandstofcellen, brandstofcellen en waterstofopslagsystemen ontwikkeld. Honda Bullish over zijn ultraschone verbrandingstechnologie, maar ook investeren in brandstofcellen. Honda heeft conceptauto's met brandstofcellen gebouwd met Ballard-stacks en eigen stacks, maar de uitrusting neemt de passagiersruimte achterin in beslag. Plannen om tegen 2003 een pakket technologieën gereed te hebben voor het commercialiseren van brandstofcelauto's, maar heeft nog geen productieplannen aangekondigd. Nissan Zijn door batterijen aangedreven stationwagen aangepast om Ballard-brandstofcellen en een methanolprocessor te vervoeren, maar de apparatuur neemt de passagiersruimte achterin in beslag. Volgend prototype om apparatuur onder de vloer op te bergen. Kan al in 2003 brandstofcelauto's produceren. BMW, International Fuel Cells en Delphi Automotive Systems werken samen om batterijen te vervangen door brandstofcel-hulpaggregaten (APU's) in auto's met verbrandingsmotor. Plannen om tegen 2005 brandstofcel-APU's op de markt te brengen.