Interviews

‘Ik zit liever op 5 kg waterstof’

Arjen Dijkgraaf |
(Bio)procestechnologie, Carrière & Opleiding, Duurzaamheid & Energie, Katalyse

Rijden elektrische auto’s in de toekomst op waterstof of accu’s? Allebei, verwacht hoogleraar elektrochemie Hubert Gasteiger. Mits het platinagehalte van brandstofcellen nogmaals met een factor drie omlaag kan.

‘Ik ben altijd te laat met douchen, tijdens congressen verbaast niemand zich meer over mijn natte haren’, zo verontschuldigt Hubert Gasteiger (54) zich. Inderdaad wapperen zijn manen wat minder indrukwekkend dan de avond daarvoor, toen de hoogleraar de jaarlijkse Jacobus van ’t Hofflezing verzorgde aan de Technische Universiteit Delft.

Volgens de aankondiging ging die lezing over waterstof als energiedrager in personenauto’s. Dat gas laat je gecontroleerd reageren met zuurstof in een zogeheten brandstofcel, die naast water een elektrische stroom genereert. Maar minstens zo belangrijk bleek de vraag of je die technologie moet prefereren boven de nu gebruikelijke accu’s. Gasteiger kan daar als geen ander iets over zeggen, want als hoogleraar aan de Technische Universiteit München doet hij onderzoek naar allebei. ‘Bij mijn aanstelling in 2010 had ik afgesproken dat ik minstens de helft van mijn tijd in accu’s zou steken. Maar de eerste jaren was het bijna 100 %. Er was haast geen geld voor brandstofcellen, het hele onderzoeksbudget ging naar accu’s. Daarop brandstofcelonderzoekstechnieken toepassen was dan wel weer erg nuttig. Inmiddels is de verhouding wel ongeveer half om half.’

Heb je uiteindelijk toch liever brandstofcellen?

‘Dat kun je emotioneel of technologisch bekijken. Uiteraard hou ik van brandstofcellen en elektrolyse, ik heb er tenslotte lang aan gewerkt. Voor korte afstanden, zeg maximaal 120 km, denk ik dat accu’s economischer zijn én ecologisch verstandiger. Maar tenzij morgen iemand komt met Nobelprijswaardige accuchemie die alles verandert, is het onzinnig om rond te rijden met een accu voor meer dan 300 km. Die wordt te zwaar en bij de productie komt een hoop CO2 vrij. De auto-industrie wordt wel die kant op gedrukt. Nu klanten geen auto’s blijken te willen met een beperkt bereik moeten ze hun accu’s wel groter maken. Met 250 km kun je echter de meeste mensen geruststellen. Dan kunnen ze eens per maand op familiebezoek, zelfs als ze anders nooit meer dan 90 km per dag rijden.

‘Een accu voor meer dan 300 km is onzinnig’

Het andere voordeel van waterstof is dat je het kunt opslaan. Zodra meer dan 30 of 40 % van je energie uit duurzame bronnen komt, wordt het lastig om zonder opslagcapaciteit je elektriciteitsnet stabiel te houden. Accu’s voor giga- of terawatturen zijn niet echt realistisch. Het alternatief is chemische opslag, en waterstof is dan een eerste keuze. Je stopt daar eerst al je elektriciteit in, en dan doe je er CO2 bij om methaan of alcoholen of wat dan ook te maken. Al is de vraag wel waar die CO2 vandaan moet komen als je net alle koolstof uit je energiecyclus hebt gehaald. Om een kilogram te winnen uit de atmosfeer moet je enorme hoeveelheden lucht ver­pompen.’

In je lezing legde je nogal de nadruk op het beperken van de hoeveelheid platina, die je nodig hebt als kataly­sator.

‘Ooit was de vraag of je wel een brandstofcel kon bouwen die klein genoeg was om in een auto te passen. Dat lukte rond 2000. De volgende vraag betrof de levensduur, in het begin slechts een uur of tien. Rond 2005 was duidelijk hoe we dat moesten oplossen. En toen kwam de vraag of we het betaalbaar konden maken.

De beschikbare voorraad platina is dan een belangrijk punt. Nu bouwen we per jaar maar een paar duizend auto’s met brandstofcellen. Als je naar tientallen miljoenen wilt, moet je toekunnen met minder dan 10 g platina per auto. Dat is een factor drie minder dan bij de Mirai (Toyota’s huidige productiemodel, red.). Maar die technologie is nu minstens vijf, zes jaar oud en inmiddels zijn ze ongetwijfeld een stuk verder. Ook publicaties van Opel en General Motors suggereren dat minder dan 10 g realistisch is.’

En met minder dan 10 g ga je het redden?

‘Ja. Je hebt wel een recyclingfabriek nodig. Maar platina zit tien, vijftien jaar in een auto vast. Je gaat niet ineens van nul naar twintig miljoen auto’s, en tegen de tijd dat je zo ver bent komt er al een stroom materiaal terug.

Bij de elektrolytische productie van waterstof met iridiumkatalysatoren speelt hetzelfde probleem. Iridium is nog schaarser dan platina. Je moet een strategie ontwikkelen die ervoor zorgt dat op de lange termijn de metaaltoevoer niet de limiterende factor wordt.’

Het lijkt of accu-onderzoekers makkelijk wisselen van chemie, terwijl ze bij brandstofcellen vasthouden aan platina of iridium. Zijn daarvoor echt geen alternatieven te vinden?

‘Aan de chemie van lithium-ionaccu’s verandert ook niet zoveel. In het begin zat er grafiet in en een gelaagd overgangsmetaaloxide. Nu nog steeds, alleen is kobalt grotendeels vervangen door nikkel en mangaan.

Bij brandstofcellen heb je altijd twee denkrichtingen gehad: óf platinakatalysatoren verbeteren, óf metalen gebruiken van buiten de platinagroep. Aan de platinakant zijn we overgegaan op legeringen, in de praktijk een platinahuidje op een kern van een overgangsmetaal. Vergeleken met vijftien jaar geleden haal je nu hetzelfde katalytische effect uit een derde van de hoeveelheid platina. Platinavrije materialen leveren vrijwel dezelfde prestaties, maar de levensduur is te kort. Je werkt bij pH 0 en sterk oxidatieve condities, en het periodiek systeem bevat weinig dat daartegen bestand is.’

Je hoort wel vaak praten over lithiumsulfide-accu’s, of iets met nikkel of zink...

‘Natuurlijk zijn er van die hypes, maar meestal komt er weinig uit. Tien jaar geleden waren lithium-zuurstofaccu’s populair, ze beloofden een vertienvoudiging van de capaciteit. Maar na vele jaren onderzoek lijk je qua totale energiedichtheid maar 20 tot 30 % winst te kunnen boeken. En er is nog steeds geen elektrolyt gevonden dat stabiel genoeg is.’

Ben je niet bang dat automobilisten waterstof eng vinden?

‘Naarmate er meer demonstratieprogramma’s komen, raken ze die angst wel kwijt. Persoonlijk zit ik liever op 5 kg waterstof dan op een 100 kWh-lithiumaccu. Een waterstoftank bevat alleen brandstof, om het te verbranden heb je lucht nodig. En waterstof is heel vluchtig. Het enige echt gevaarlijke scenario is dat de tank lek raakt in een tunnel waar het gas niet weg kan. Die accu heeft dezelfde energie-inhoud, maar brandstof en oxidator zitten in dezelfde doos. Als dat in brand vliegt, is er geen blussen aan, je kunt er hooguit zand overheen storten om de schade te beperken.’

Hoe ben je eigenlijk in de elektrochemie terechtgekomen?

‘Dat was compleet toeval. Ik voelde me altijd aangetrokken tot fysische chemie, niet speciaal elektrochemie. Maar op Berkeley kon ik pas halverwege het studiejaar beginnen met mijn promotieonderzoek, en toen waren de meeste projecten al vergeven. Bij elektrochemie stond nog iets open en het onderwerp klonk interessant, dus dat werd het.’

En hoe kwam je in Berkeley terecht?

‘In Duitsland volgde ik een opleiding op hbo-niveau. Ik mocht een half jaar stage lopen bij een bedrijf in het Verenigd Koninkrijk, en ik had het daar echt naar mijn zin. Zodra ik terug kwam, wilde ik terug naar het buitenland. Een vriend wees me op de Fulbright-beurzen. Amerikaans-Engels vond ik afschuwelijk klinken, maar ik zag geen andere optie. Ik kreeg zo’n beurs en ik heb die hbo-opleiding niet eens meer afgemaakt.

Eerst deed ik een master in Oregon bij Octave Levenspiel, een beetje mijn held op het gebied van reactorkunde. Daarna promoveerde ik op Berkeley en bleef nog even als postdoc. Maar toen moest ik terug naar Duitsland, dat stond in de voorwaarden van Fulbright.

Heb je toen maar besloten het bedrijfsleven in te gaan?

‘Op dat moment wilde ik nog op de universiteit blijven. In Ulm leidde ik drie jaar een project met acht promovendi, maar van een habilitatie (in Duitsland een graad hoger dan doctor, red.) zag ik uiteindelijk af. Ik kreeg een aanbod van Opel, dat samen met General Motors werkte aan brandstofcellen. De materialen ontwikkelden ze vooral in de VS; in het eerste jaar reisde ik om de drie weken heen en weer, toen eiste ik daar een permanente plek op.

Na tien jaar was ik toe aan frisse wind. Ik stapte over naar Acta, een Italiaanse start-up die brandstofcellen voedde met ethanol. Na een jaar had ik door dat het... nou ja, het was er fantastisch, maar wetenschappelijk werd het een lastig verhaal.

Daarna wist ik even niet meer wat ik wilde, het lab of de industrie. Ik kon een jaar terecht bij het MIT en intussen solliciteerde ik bij alle mogelijke universiteiten. En toen kwam het telefoontje uit München.’

Tot slot, wanneer worden waterstofauto’s echt gemeengoed?

‘Moeilijke vraag. Het heeft vooral met politiek te maken. Er waren altijd twee drijfveren. In de VS wilden ze niet afhankelijk zijn van olie-import, en dankzij schaliegas is dat opgelost. In Europa ging het om klimaatverandering, maar in tijden van crisis maken mensen zich daar niet zo druk over.

‘Je moet toekunnen met minder dan 10 g platina per auto’

De machthebbers moeten er zelf last van krijgen, denk ik. Dat zie je nu alleen in China. In de VS lijden ze niet onder klimaatverandering of NOx, in Europa ook niet. Maar als je rijk bent en in Peking of Shanghai wilt gaan wonen, dan wil je daar wel frisse lucht inademen.

Ik hoop en verwacht dat China de enige plek zal zijn waar iets gaat veranderen. En dat is een gigantische markt met een enorm potentieel om de rest van de wereld te beïnvloeden. Als ze daar zeggen dat ze geen benzine of diesel meer willen, hebben Duitse toeleveranciers ook geen keus.’

Beknopt cv Hubert Gasteiger

2010-heden: hoogleraar, Technische Universiteit München

2009: visiting professor, MIT

2007-2008: director catalyst development, Acta, Italië

1999-2007: technical manager fuel cell activities, GM/Opel, Mainz-Kastel en Honeoye Falls, New York

1995-1998: onderzoeker, Universität Ulm

1994-1995: postdoc, Berkeley Lab

1993: promotie, UC Berkeley

1988: MSc, Oregon State University 

Deel deze pagina

Masterclass Business Development & Innovation in Life Sciences:
d
onderdag 26 januari in Utrecht.

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je aan voor de nieuwsbrief en blijf op de hoogte van het laatste nieuws van C2W.

Meld je nu aan!

Word abonnee/lid

Sluit nu een abonnement af of word lid van de KNCV en ontvang elke week het laatste nieuws, digitaal of op papier. 

Sluit nu een abonnement af!

Naar boven