Waterstof onderweg: Milieu-impact van waterstof in personenwagens

Ton Lambrechts
 
 
Master Duurzame Ontwikkeling en Menselijke Ecologie
 
Waterstof onderweg
Milieu-impact van waterstof in personenwagens
 
            Waterstof wekt de laatste jaren veel interesse. Ook de automobielindustrie laat van zich horen omdat ze in waterstof een potentiële, niet-vervuilende toekomstige brandstof zien. Toch is de effectieve ecologische impact van waterstof in voertuigen nooit concreet onderzocht. In deze thesis worden de verschillende waterstofproductiemethoden gecombineerd met verschillende wijze om waterstof te transporteren en op te slaan.

Waterstof onderweg: Milieu-impact van waterstof in personenwagens

 

 

Master Duurzame Ontwikkeling en Menselijke Ecologie

 

Waterstof onderweg

Milieu-impact van waterstof in personenwagens

 

            Waterstof wekt de laatste jaren veel interesse. Ook de automobielindustrie laat van zich horen omdat ze in waterstof een potentiële, niet-vervuilende toekomstige brandstof zien. Toch is de effectieve ecologische impact van waterstof in voertuigen nooit concreet onderzocht. In deze thesis worden de verschillende waterstofproductiemethoden gecombineerd met verschillende wijze om waterstof te transporteren en op te slaan. Vervolgens worden deze configuraties gecombineerd met voertuigen die waterstof in een verbrandingsmotor gebruiken en voertuigen die gebruik maken van een brandstofcel om een elektromotor aan te drijven. Aan de hand van hun respectievelijke Ecoscores, een maat die door het VITO, VUB en ULB ontwikkeld werd voor de Vlaamse overheid als beleidsinstrument, en die een geïntegreerde maat is voor de ecologische impact van een voertuig, worden conclusies getrokken met betrekking tot de ecologische impact van de verschillende productie-, transport-, opslag- en aandrijfwijze. Verschillende aspecten van milieubelasting worden in de Ecoscore-maat mee in rekening gebracht. Zo wordt er naast broeikasgassen ook rekening gehouden met de luchtkwaliteit op zowel volksgezondheid als op ecosystemen. Ook de hinder die veroorzaakt wordt door geluid wordt mee opgenomen in de berekeningen. De berekende Ecoscores worden ook vergeleken met de Ecoscores van voertuigen met andere brandstoffen en aandrijfsystemen.

            De eerste grote conclusie is dat voertuigen die gebruik maken van waterstof in een verbrandingsmotor geen betere Ecoscore behalen dan vergelijkbare voertuigen die gebruik maken van andere brandstoffen. De brandstofcelvoertuigen doen het wel goed op de Ecoscore schaal. Zij scoren zelfs beter dan de voertuigen die gebruik maken van LPG of aardgas. Enkel de batterij-elektrische voertuigen scoren beter.

            Wat de waterstofproductie betreft spreekt het voor zich dat het gebruik van hernieuwbare energie ecologisch zeer aantrekkelijk is. Elektriciteit die opgewekt wordt met behulp van hernieuwbare energie, die dan aangewend wordt om water om te zetten naar waterstof doormiddel van elektrolyse is veruit de meest ecologische wijze om waterstof te produceren. Verder scoort ook de stoomomvorming van aardgas, de meest gebruikte methode om waterstof te produceren, zeer goed. De gasificatie van steenkool en het gebruik van elektriciteit van het Belgische elektriciteitsnet scoren beduidend minder, mede doordat er aanzienlijke hoeveelheden broeikasgassen worden uitgestoten. Opvang en opslag van koolstof zou de milieu-impact van deze technieken aanzienlijk verbeteren. Enige voorzichtigheid met algemene conclusies is geboden aangezien er grote onderlinge verschillen zijn tussen de basisgegevens.  

            Bij het transport van waterstof is er keuze uit drie manieren. Over de weg (of spoor, of zee) kan men kiezen tussen cryogeen waterstof (vloeibaar) of gasvormig waterstof (gecompresseerd). In deze studie werd een vergelijking gemaakt tussen vloeibaar en gasvormig waterstoftransport over de weg over een afstand van 300 kilometer. Gecompresseerd waterstof komt als ecologisch aantrekkelijkste naar voor maar er wordt verwacht dat indien er over een grotere afstand getransporteerd wordt vloeibaar waterstof aantrekkelijker wordt. Het vloeibaar maken van waterstof vergt veel energie, maar het transport ervan is efficiënter aangezien het een grotere dichtheid heeft dan gecompresseerd gasvormig waterstof.

            Vermoedelijk is het transport met behulp van pijpleidingen ook aantrekkelijk, zeker in een dichtbevolkte regio als België. Daarenboven bestaat er in België al een uitgebreid netwerk van waterstof pijpleidingen. Aangezien de energie verbruiksgegevens van deze pijpleidingen niet bekend zijn konden ze niet worden opgenomen in de berekeningen.

 

Conclusies

            Waterstofvoertuigen die gebruik maken van een brandstofcel zijn ecologisch aantrekkelijker dan de meeste voertuigen die gebruik maken van andere brandstoffen of voertuigen die gebruik maken van waterstof in een verbrandingsmotor. Toch zijn elektrische voertuigen die gebruik maken van batterijen nog steeds ecologisch aantrekkelijker.

            Bi-fuels, voertuigen die op benzine en waterstof kennen rijden met behulp van een verbrandingsmotor, zouden nuttig kunnen zijn voor de uitbouw van een distributienetwerk voor waterstof, maar zijn ecologisch minder aantrekkelijk.

            Waterstof uit hernieuwbare energie en uit stoomomvorming van aardgas zijn vanuit ecologisch standpunt aan te raden. Waterstof uit het Belgische elektriciteitsnet scoort minder goed maar niet uitermate slecht.

            Afhankelijk van de transportafstand moet er een weloverwogen keuze gemaakt worden tussen vloeibaar en gasvormig waterstof. In een dichtbevolkte regio als België (of Benelux) lijken pijpleidingen aantrekkelijk.

 

Verder onderzoek

            Natuurlijk moeten de nieuwe technologieën op de voet gevolgd worden. Nieuwe onderzoeken en fondsen zorgen ervoor dat het een snel veranderende markt is. Met betrekking tot waterstof als voertuigbrandstof is het belangrijk dat er eenduidige, onderling vergelijkbare resultaten geproduceerd worden. Up to date resultaten zorgen ervoor dat er verstandige beslissingen kunnen gemaakt worden met betrekking tot toekomstig gebruik van waterstof.

            Het is interessant om te onderzoeken in welke mate waterstof uit kernenergie ecologisch aantrekkelijk is. Ook de ecologische impact van nieuwe technologieën als thermo-chemische splitsing van water en het gebruik van algen of bacteriën om waterstof te produceren moeten onderzocht worden.

            Ook de milieu-impact van de productie van de brandstofcellen moet mee in rekening gebracht worden. Aangezien hiervoor zeldzame stoffen ontgonnen moeten worden valt de milieu-impact niet te onderschatten. Vooral voor de eerste generatie, waarbij nog geen gebruik kan gemaakt worden van recyclage, zou dit een belangrijke factor kunnen zijn.

 

            Dit onderzoek werd verricht in het kader van een eindwerk voor het behalen van de graad van Master Duurzame Ontwikkeling en Menselijke Ecologie aan de VUB, academiejaar 2007-2008. Het werd gepromoot door Prof. Dr. Joeri Van Mierlo, met als co-promotor ir. Nele Sergeant.

 

Toon Lambrechts

toonlacht@yahoo.com

Wegens langdurig verblijf in het buitenland zal ik niet telefonisch bereikbaar zijn. Vragen kunnen steeds via mail gesteld worden.

 

Bibliografie

 

Altman, M., Schmidt, P., Wurster, R., Zerta, M., Zittel, W. “Potential for hydrogen as a Fuel for transport in the Long Term (2020-2030)- Full Background Report”, IPTS, EUR 21090 EN, March 2004, ftp://ftp.jrc.es/pub/EURdoceur21090en.pdf

 

Appleby, A. John. “Fuel Cell Handbook”. New York: Van Reinhold Co., 1989

 

Autoweek, 2006. Elektronisch beschikbaar op http://www.autoweek.nl/newsdisp.php?cache=no&ID=5574  Laatst geconsulteerd op 15/7/2008

 

Ballard, 2008. Ballard Power Systems. Website beschikbaar op www.ballard.com Laatst geconsulteerd op 20/5/2008.

 

Becker, Laura., 2001. “Hydrogen Storage”. Overview artikel. Elektronisch beschikbaar op  www.csa.com/discoveryguides/hydrogen/overview.php Laatst geconsulteerd op 15/4/2008

 

Brown, L.C., Besenbruch, G.E., Lentsch, R.D., Schultz, K.R., Funk, J.F., Pickard, P.S., Marshall, A.C. And Showalter, S.K. 2003. “High Efficiency Generation of Hydrogen Fuels Using Nuclear Power”. Final technical report for the period august1, 1999 through September 30, 2002. Produced by General Atomics for Nuclear Energy Research Initiative (NERI) Program under the U.S. Department of Energy

 

Colela, W.G., Jacobson, M.Z., Golden, D.M., 2005. “Switching to a U.S. hydrogen fuel cell vehicle fleet: The resultant change in emissions, energy use, and greenhouse gases”, Journal of Power Sources 150 (2005) 150–181 

 

Damen, Kay., van Troost, Martijn., Faaij, André., Turkenburg, Wim. 2007. “A Comparison of Electricity and Hydrogen Production Systems with CO2 Capture and Storage – Part B: Chain Analysis of Promising CCS Options”, Progress in Energy and Combustion Science 33 (2007) 580–609

 

Ecoinvent, 2007. Ecoinvent databank, versie 2.0, 2007. Informatie elektronisch beschikbaar op www.ecoinvent.ch.

 

Ecoscore, 2008. Website Ecoscore elektronisch beschikbaar op www.ecoscore.be Laatst geconsulteerd op 10/6/2008.

 

EG&G Services, 2000. “Fuel Cell Handbook”. Parsons, Inc. Science Applications International Corporation. U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgan, West Virginia

 

Eichert, H and Fischer, M., 1984, “Hydrogen Safety in Energy Application Compared with Natural Gas,” in Hydrogen Energy Progress V, Pergamon Press, Elmsford, NY, p. 1869

 

Electrabel, 2008. Persoonlijke communicatie met Gwen Huyghe van Electrabel op 2 april, 2008.

 

European Commission, 2007. “Directrorates Generale: Energy and Transport”, Elektronisch beschikbaar op http://ec.europa.eu/energy/index_en.html

 

Europese Commission, 2007. “Informatieblad Energiemix” verstrekt door de Europese Unie. Elektronisch beschikbaar op: http://ec.europa.eu/energy/energy_policy/doc/factsheets/country/be/be_n… geconsulteerd op 16/4/2008

 

Ewan, B.C.R, Allen, R.W.K., 2005. “A Figure of Merit Assessment of the Routes to Hydrogen”, International Journal of Hydrogen Energy 30, 809-819

 

Fingersh, L.J., 2003. “Optimized hydrogen and electricity generation from wind”. National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-500-34364

 

Futuregen, 2008. http://www.futuregenalliance.org/.  Laatst geconsulteerd op 20/3/2008

 

Ghirardi, Maria and Seibert, Michael, s.d.. “Algal Hydrogen Photoproduction”, NREL; New horizons for Hydrogen, NREL

 

GEMIS: Global Emission Model for Integrated Systems (GEMIS) database, 2002. Sko-Institut, Gesamthochschule Kasse, September

 

GM, LBST, bp, ExxonMobil, Shell, TotalFinaElf., 2002. “Well-to-Wheel Analysis of Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Advanced Fuel/Vehicle Systems - A European Study”. Elektronisch beschikbaar op: http://www.lbst.de/index__e.htmlhttp://www.lbst.de/publications/studies…

 

Granovskii, Mikhail., Dincer, Ibrahim., Rosen, Marc A., 2005. “Environmental and economic aspects of hydrogen production and utilization in fuel cell vehicles” Journal of Power Sources 157 (2006) 411–421

 

Granovskii, Mikhail., Dincer, Ibrahim., Rosen, Marc A., 2006.  “Life cycle assessment of hydrogen fuel cell and gasoline vehicles”, International Journal of Hydrogen Energy 31 (2006) 337 – 352

 

Granovskii, Mikhail., Dincer, Ibrahim., Rosen, Marc A., 2007. “Exergetic life cycle assessment of hydrogen production from renewables”, Journal of Power Sources 167 (2007) 461–471

 

Gray, D., Tomlinson, G. 2001. “Hydrogen from Coal” Mitretek Technical Paper, Mitretek Systems in opdracht van U.S. Department of Energy: National Energy Technology Laboratory

 

Green Car Congress, 2004. “10 000 Hythane Buses for Beijing”, Elektronisch beschikbaar op http://www.greencarcongress.com/2004/10/10000_hythane_b.html . Laatst geconsulteerd op 15/5/2008.

 

Greenfuel online, 2008. www.greenfuelonline.com/ Laatst geconsulteerd op 5/2/2008

 

High Level Group, 2003. “Hydrogen Energy and Fuel Cells: A Vision of our Future”, Final report of the High Level Group of the European Commission. Elektronisch beschikbaar op http://ec.europa.eu/research/energy/pdf/hlg_vision_report_en.pdf. Laatst geconsulteerd op 10/3/2008.

 

Hoffmann, Peter. “Tomorrow's Energy: Hydrogen, Fuel Cells, and the Prospect for a Cleaner Planet”. Cambridge, MA: MIT Press, 2001.

 

Honda website http://automobiles.honda.com/fcx-clarity/ Laatst geconsulteerd op 25/5/2008

 

Hussain, M. M., Dincer, I. 2007. “A Preliminary Life Cycle Assessment of PEM Fuel Cell Powered Automobiles”, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 2294–2299

 

IEA (International Energy Agency), 2006. “Hydrogen Production and Storage: R&D Priorities and Gaps”, Hydrogen Co-ordination Group

 

IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), 2005. “Carbon Dioxide Capture and Storage”, Special Reports of IPCC. Elektronische beschikbaar op http://www.ipcc.ch/ipccreports/srccs.htm

 

Khaselev, O.. Turner, J.A. “A Monolithic Photovoltaic-Photoelectrochemical Device for Hydrogen Production via Water Splitting.” Science; Vol. 280, april 17, 1998; pp. 425–427

 

Knoef, Harrie. s. d.. “Biomassa Vergassing: Stand van Zaken”, Biomass Technologie Group. Beschikbaar op http://www.btgworld.com/

 

Koroneos, C., Dompros, A., Roumbas, G., Moussiopoulos, N.. 2004. “Life cycle assessment of hydrogen fuel production processes”, International Journal of Hydrogen Energy 29 (2004) 1443 – 1450

 

 

Little, A.D., “Energy efficiency and emissions of transportation fuel chain”, Phase 1 technical report to Ford company, 1996. In: Martens, A., Germain, A. et. al, “Development of tools to evaluate the potential of sustainable hydrogen in Belgium”, Belgian science policy, pp. 106-107, 2006.

 

Machinedesign, 2003. Elektronisch beschikbaar op http://machinedesign.com/ContentItem/63028/ACloserLookatHydrogen.aspx Laatst geconsulteerd op 15/7/2008

 

MacLean, Heather L., Lave, Lester B.. 2002. “Evaluating automobile fuel/propulsion system technologies”, Progress in Energy and Combustion Science 29 (2003) 1–69

 

Milne, T.A.,  Elam, C.C., Evans, R.J. “Hydrogen from Biomass: State of the Art and Research Challenges.” IEA/H2/TR-02/001. International Energy Agency, 2001

 

National Energy Technology Laboratory, 2007. “Hydrogen from Coal Program: Research, Development, and Demonstration Plan” U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy (schema H2 productie uit steenkool, verhoudingen samenstelling syngas)

 

National Petroleum Council, 2007. Electric Generation Efficiency: Working Document of the NPC Global Oil & Gas Study“ Power Generation Efficiency Subgroup of the Demand Task Group of the NPC Committee on Global Oil and Gas

 

NREL, National Renewable Energy Laboratory, 2004. “New horizons for Hydrogen”, elektronisch beschikbaar op http://www.nrel.gov/research_review/pdfs/2003/36178b.pdf Laatst geconsulteerd op 4/5/2008.

 

NRC, 2004. National Research Council. Elektronisch beschikbaar op http://sites.nationalacademies.org/nrc/index.htm Laatst geconsulteerd op 20/4/2008

 

Norbeck, Joseph M., Heffel, James W., Durbin, Thomas D., Tabbara, Bassam, Bowden, John M. and Montana, Michelle C., 1996, “Hydrogen Fuel for Surface Transportation” Society of Automotive Engineers, Inc. Warrendale, PA, USA. ISBN 1-56091-684-2

 

Nuclear Energy Agency (NEA), part of the Organization for Economic Co-operation and Development (OECD), 2000 'Nuclear Energy in a Sustainable Development Perspective' OECD Publications. Paris, France.

 

Ogden, Joan m., Steinbugler, Margaret M., Kreutz, Thomas G.., 1998. “A Comparison of Hydrogen, Methanol and Gasoline as Fuels for Fuel Cell Vehicles: Implications for Vehicle Design and Infrastructure Development”, Journal of Power Sources 791999.143–168. Center for Energy and Environmental Studies, Olden ST., P.O. Box CN 5236, Princeton University, Princeton, NJ 08544-5263, USA  

 

Pehnt, Martin. 2001. “Life-cycle assessment of fuel cell stacks”, International Journal of Hydrogen Energy 26 (2001) 91-101

 

Pukrushpan, Jay T., Stefanpoulou, Anne G., Varigonda, Dubbaro, Pedersen, Lars M., Ghosh, Shubro and Peng Huei. 2003 “Control of Natural Gas Catalytic Partial Oxidation for Hydrogen Generation in Fuel Cell Applications”,  IEEE transaction on control system technology, vol. XX, No. Y, 2003

 

Ramage, Michael P. et al. National Research Council and National Academy of Engineering of the national academies, 2004, “The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers and R&D Needs” The National Academy Press, Washington, D.C. ISBN: 0-309-09163-2

 

Rifkin, Jeremy. 2002, “De Waterstofeconomie: Schone en Duurzame energie voor iedereen”, Vertaald uit het Engels in 2004. Originele titel: “The Hydrogen Economy: The Creation of the World-Wide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth”, Lemniscaat b.v., Rotterdam

 

RBACAS. Royal Belgian Academy Council of Applied Science, 2006. “Hydrogen as an energy carrier”.

 

Schultz, Ken. 2003. 'Thermochemical Production of Hydrogen from solar and Nuclear  Energy'. Presentation to the StanfordGlobal Climate and Energy Project. General Atomics, San Diego, CA

 

Smithsonian Institution, 2004. “Fuel Cells Origins: 1840-1890”. Elektronisch beschikbaar op: http://americanhistory.si.edu/fuelcells/origins/origins.htm.Laatst geconsulteerd op 5/4/2008

 

Sørensen, Bent, 2005, “Hydrogen and Fuel Cells” Elsevier Academic Press. London, UK. ISBN: 0-12-655281

 

Spath, Pamela L., Mann, Margaret K. 2001.  “Life Cycle Assessment of Hydrogen Production via Natural Gas Steam Reforming”, National Renewable Energy Laboratory, U.S. Department of Energy Laboratory. NREL/TP-570-27637. Golden, Colorado

 

Spath, P.L., Mann, M.K., 2004. “Life Cycle Assessment of Renewable Hydrogen Production via Wind/Electrolysis”, Report No. NREL/MP-560-35404, National Renewable Energy Laboratory, U.S. Department of Energy, 2004.

 

Srinivasa Murthy, S. s. d.. “Hydrogen storage for mobile and stationary applications”,  Refrigeration and Air-conditioning Laboratory. Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology, Madras. Chennai – 600036

 

Steinberg, M., 1983. “An Analysis of Concepts for Controlling Atmospheric Carbon Dioxide”, DOE/CH/00016-1 TR007 U.S. Dept. Of Energy, Carbon Dioxide Research Division, Washington, D.C.

 

Szwabowski, Steven J., Hashemi, Siamak., Stockhausen, William F., Natkin, Robert J., Reams, Lowell., Kabat, Daniel M., Potts, Curtis. 2002. “Ford Hydrogen Engine Powered P2000 Vehicle”, SAE Technical Paper Series, Ford Motor Co., SAE 2002 World Congress, Detroit, Michigan.

 

The Columbia Encyclopedia, 2001. “Hydrogen”. Columbia University Press, Columbia, zesde editie

 

Timmermans J.M., Van Mierlo J.,  “Taak 1: Eenduidige methode voor de bepaling van de Ecoscore van voertuigen”, 2005

 

Timmermans, Van Mierlo, J., J., Matheys, J., Lataire, P., 2006. “Environmental rating of vehicles with different alternative fuels and drive trains: a univocal and applicable methodology”,  EJTIR, 6, no. 4 (2006), pp. 313-334

 

Turner, J. in National Research Council and National Academy of Engineering of the national academies, 2004, “The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers and R&D Needs” The National Academy Press, Washington, D.C. ISBN: 0-309-09163-2

 

Turner, John A., 2004. “Sustainable Hydrogen Production”. Science, 13 august 2004. Vol.305 (System efficiencies of commercial electrolyzers range from 60 to 73%, so one argument often used to discount electrolysis is its perceived low efficiency p3;

 

USDEEERE, 2008. United States Department of Energy, Energy Efficicency and Renewable Energy. http://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_sbs.shtm

Laatst geconsulteerd op 15/7/2008

 

Utgikar, V., Thiesen, T. 2006. “Life cycle assessment of high temperature electrolysis for hydrogen production via nuclear energy”. International Journal of Hydrogen Energy 31 (2006) 939 – 944,

 

Van Mierlo, J., Timmermans, J., Maggetto, G., Van Den Bossche, P., Meyer, S., Hecq, W., Govaerts, L., Verlaak, J. 2004. “Environmental rating of vehicles with different alternative fuels and drive trains: a comparison of two approaches” Transportation Research Part D 9 (2004) 387–399

 

Walters, L., Wade, D. and Lewis, D., 2002. “Transition to a Nuclear/Hydrogen Energy System”. Annual Symposium of the World Nuclear Association, 2002.

 

Wang, Guihua., Ogden, Joan M. and Nicholas, Michael A. 2007. “Lifecycle impacts of natural gas to hydrogen pathways on urban air quality”, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 2731 – 2742

 

Wu, Ying., 2003. “Hydrogen Storage via Sodium Borohydride”, Stanford University, 2003)

 

Yang, Christopher., Ogden, Joan., 2006. “Determining the lowest-cost hydrogen delivery mode”, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 268 L – 286

 

Young, R. C., Chao, B., Myasnikov, V., Huang, B., Ovshinsky, S. R., 2004. “A Hydrogen ICE Vehicle Powered by Ovonic Metal Hydride Storage”, Texaco Ovonic Hydrogen Systems, SAE International.

 

Yürüm, Yuda, 1995, “Hydrogen Energy Systems: Production and Utilization of Hydrogen and Future Aspects” Kluwer Academic Publishers. Dordrecht, The Netherlands. ISBN: 0-7923-3601-1

 

Zamel, Nada., Li, Xianguo. 2005. “Life cycle analysis of vehicles powered by a fuel cell and”, Journal of Power Sources 155 (2006) 297–310

 

Züttel, Andreas. 2004. “Hydrogen Storage Methods”, Naturwissenschaften (2004) 91:157–172

 

Universiteit of Hogeschool
Master Duurzame Ontwikkeling en Menselijke Ecologie
Publicatiejaar
2008
Kernwoorden
Share this on: