In 2027 vertrekt een 200 meter lange veerboot met 1800 passagiers aan boord vanuit Kopenhagen naar Oslo. Maar het is geen gewone veerboot – in de machinekamer zit een revolutionaire nieuwe technologie. Het schip vaart namelijk op waterstof en stoot alleen water uit.
Al decennialang varen veerboten op bunkerolie en met dieselslurpende viertaktmotoren. Maar vanwege de klimaatcrisis gaan deze CO2-vervuilers nu vervroegd met pensioen. En een nieuwe generatie waterstofbrandcellen staat klaar om hun taak over te nemen.
De maatschappij achter dit project heet Europa Seaways en bestaat o.a. uit de rederij DFDS, technologiebedrijf ABB, de scheepsontwerper Knud E. Hansen en energiemaatschappij Ørsted. Zij willen de grootste waterstofveerboot ter wereld laten varen tussen Kopenhagen en Oslo.
‘We moeten af van fossiele brandstoffen en overstappen op klimaatneutrale brandstoffen,’ legt Jakob Steffense, Head of Innovation bij DFDS, uit.
Waterstof moet de scheepvaartsector ingrijpend veranderen en de koers verleggen naar een klimaatneutrale toekomst, maar er zijn nog wat obstakels die ervoor zorgen dat de technologie niet meteen kan worden toegepast.
Waterstof moet eerst gemaakt worden
Tegenwoordig varen de meeste schepen nog op verschillende soorten en kwaliteiten olie, maar bij de verbranding van olie komen broeikasgassen vrij. Om precies te zijn, 2-3 procent van alle broeikasgassen die wereldwijd worden uitgestoten komt uit de scheepvaartindustrie, volgens cijfers van de Internationale Maritieme Organisatie.
We moeten af van fossiele brandstoffen. Jakob Steffensen, Head of Innovation bij DFDS
De sector is zich bewust van het probleem en kijkt naar verschillende alternatieven – waarvan waterstof de meest veelbelovende is.
Waterstof (H) is het meest voorkomende element in het heelal, dus in principe is er meer dan genoeg om de veerboten te laten varen. Maar in tegenstelling tot olie kun je waterstof niet oppompen en in vaten vervoeren.
Waterstof komt namelijk bijna altijd voor in een verbinding met andere elementen, zoals water (H2O) of methaan (CH4).
Daarom moet waterstof eerst gewonnen worden. Een van de methoden is om water met behulp van elektriciteit op te splitsen in waterstof en zuurstof, ook wel elektrolyse genoemd.
Hier is veel energie voor nodig en het is dan ook de bedoeling dat de waterstof voor Europa Seaways gemaakt wordt met stroom van offshore-windmolens in de buurt van Kopenhagen.
Als de waterstoftank van de veerboot, die ruimte heeft voor 44 ton waterstof, vol zit, moet de chemische energie in de waterstof worden omgezet in elektrische energie, die de elektromotoren en de schroeven aandrijft.
Groene stroom haalt waterstof uit water
Het kost veel energie om waterstof uit water te halen, maar met de stroom van windmolens en zonnecellen wordt de waterstofproductie klimaatneutraal.
Stroom splitst zeewater
Gezuiverd zeewater wordt in een elektrolysevat gepompt, waar twee elektrodes onder stroom worden gezet – een kathode en een anode. De kathode trekt de waterstof naar zich toe, de anode de zuurstof. Een membraan houdt de twee moleculen gescheiden.
Waterstof onder druk
De waterstofmoleculen verdampen, maar het waterstofgas wordt opgevangen en gecomprimeerd tot 350 keer de atmosferische druk. Dan wordt het in druktanks gedaan, die gebruikt worden om de brandstoftanks van de veerboot te vullen met 44 ton waterstof.
De brandstofcellen aan boord van de Europa Seaways produceren stroom met behulp van een techniek die ‘proton exchange membrane’ (PEM) wordt genoemd.
Een PEM-brandstofcel lijkt op een batterij. De cel is voorzien van twee elektrodes, een kathode en een anode, die van elkaar gescheiden zijn door een elektrolyt. Aan de anodekant van de cel worden de waterstofatomen opgesplitst in twee waterstofionen en twee elektronen.
De waterstofionen kunnen door de elektrolyt heen naar de kathode toe, maar de elektrolyt houdt de elektronen tegen.
De elektronen lopen via leidingen naar een accu, die hierdoor wordt opgeladen en de elektromotoren van het schip kan aandrijven.
Waterstof wordt samengeperst
Moderne brandstofcellen hebben een elektrisch vermogen van 1 tot 5 megawatt – een megawatt is voldoende om 500-700 huishoudens van stroom te voorzien. Maar de cellen voor Europa Seaways moeten 23 megawatt gaan genereren.
Het probleem met brandstofcellen is dat ze niet heel efficiënt zijn. Een PEM-brandstofcel heeft op dit moment een rendement van 50 procent. Dat betekent dat ongeveer de helft van de energie wordt omgezet in elektrische stroom, terwijl de andere helft verloren gaat als warmte.
Stiller en beter voor het milieu
De oude viertaktmotoren die fossiele brandstoffen verbranden, moeten vervangen worden door brandstofcellen op waterstof. Hierdoor daalt hun CO2-uitstoot tot nul en maken ze minder herrie.
Grote waterstoftanks aan boord
De waterstof wordt opgeslagen in tanks onder het voertuigdek, onder een druk van 350 keer de atmosferische druk. De tanks hebben ruimte voor 44 ton waterstof, genoeg om de 500 kilometer tussen Kopenhagen en Oslo af te leggen.
Brandstofcellen wekken stroom op
De brandstofcellen werken als een batterij. Elk waterstofatoom raakt een elektron kwijt en verandert in een positief geladen ion. De waterstofionen gaan door de membraan in de brandstofcel heen, maar de elektronen worden tegengehouden en weggeleid als elektrische stroom.
Stroom laadt accu’s op
De stroom uit de brandstofcellen wordt gebruikt om accu's op te laden – die bestaan uit racks met kleinere accucellen. De accu’s werken als reserve voor de elektromotoren en kunnen het schip aandrijven als de brandstofcellen niet actief zijn.
Elektromotor drijft schroef aan
De energie uit de brandstofcellen en accu’s wordt doorgestuurd naar een transformator. Daarna gaat de stroom naar de achterkant van het schip. Daar zit een elektromotor met een koelsysteem dat de motor op de juiste temperatuur houdt. Onder de motor zit de stuureenheid en daaronder de schroeven die het schip aandrijven.
Daarom werken wetenschappers aan zogenoemde Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) die een keramisch materiaal als elektrolyt gebruiken en een rendement hebben van minimaal 60 procent.
Een ander probleem met waterstof is dat het gas brandgevaarlijk is en veel ruimte inneemt – 1 kilo waterstof heeft bij gewone atmosferische druk een volume van 11 kubieke meter.
Als een waterstofauto bijvoorbeeld 100 kilometer moet rijden, heeft hij 1 kilo waterstof nodig. Maar als een waterstofauto waterstof bij normale atmosferische druk zou gebruiken om 500-600 kilometer te rijden – het gemiddelde bereik van een benzineauto – dan moet hij een brandstoftank van 50 x 50 x 50 meter hebben.
Een van de grootste rederijen van Noorwegen, Norled, wil waterstof gebruiken voor haar schepen.
ÉnEén oplossing is om de waterstof af te koelen tot -250 graden Celsius. Dan wordt hij namelijk vloeibaar en neemt hij veel minder ruimte in, maar daar zijn enorm veel energie en geïsoleerde brandstoftanks voor nodig.
Europa Seaways kiest voor een andere oplossing: ze persen de waterstof samen tot een druk die 350 keer hoger is dan onze atmosferische druk.
‘Waterstof is een lastig materiaal omdat het enorm gecomprimeerd moet worden voordat we het mee aan boord kunnen nemen. Op dit moment hebben we zes brandstoftanks, maar met 350-bar waterstoftanks (350 x atmosferische druk, red.) hebben we er meer dan 1000 (tanks, red.) nodig. Dat is gewoon ingewikkeld,' zegt Jakob Steffensen.
Om dit probleem op te lossen, worden alle waterstoftanks onder het onderste voertuigdek geplaatst, waar ruimte is voor de 44 ton waterstof.
Waterstof stoot minder CO2 uit
Als Europa Seaways in 2027 zijn eerste reis maakt, kun je het een beetje vergelijken met de overstap van een fossiele auto naar een elektrische auto, zegt Jakob Steffensen.
'Je hebt nog steeds de bewegingen van het schip over de golven, de zeelucht, maar de scheepsmotoren zijn veel stiller,' vertelt hij.
VIDEO: Zo werkt waterstoftechnologie
Hier wordt uitgelegd hoe waterstof in de toekomst gebruikt wordt in de scheepvaart. *Bron: SciShow*
De waterstofveerboot is onderdeel van een grote omschakeling binnen DFDS en zijn vloot van 60 schepen. Ze willen hun CO2-uitstoot in 2030 met 45 procent verminderen en in 2050 klimaatneutraal zijn.
En DFDS is niet de enige rederij die zich hiermee bezighoudt. In een enquête uit 2021 van advocatenkantoor Watson Farley & Williams laten CEO’s uit deze sector weten dat brandstofcellen voor waterstof de komende vijf jaar tien procent van hun totale energieverbruik voor hun rekening zullen nemen, en binnen tien jaar zelfs 18 procent.
Maar wat de sector wil is één ding – wat haalbaar is, is een tweede. Hier komt de OESO-organisatie Internationaal Transport Forum (ITF) met concrete, vrij optimistische voorspellingen voor de komende decennia.
Met waterstof – en andere alternatieve brandstoffen zoals ammoniak – kan de scheepvaartsector zijn CO2-uitstoot in 2035 met wel 95 procent verminderen ten opzichte van vandaag.
De schepen van Europa Seaways zorgen daarmee voor een CO2-reductie die overeenkomt met het sluiten van 185 kolencentrales.