Onlangs vonden in Groningen proefritten plaats met een ‘waterstoftrein’. Frits van Buren schrijft over de principes en de toepassing van waterstof als energiebron.

De waterstoftrein

Eind februari 2020 werd gemeld dat de “waterstoftrein” in Nederland was ge­arriveerd om een aantal proefritten tussen Groningen en Leeuwarden te maken. Maar de benaming “waterstoftrein” vraagt hier toch wel om wat meer uitleg.

Het Franse Alstom is de bouwer van onder andere een grote familie van meren­deels elektrische Coradia-treinen, waarvan er inmiddels meer dan 2200 rijden. Het ontwerp komt van het in Salzgitter gevestigde Linke-Hofmann-Busch, dat in 1998 door Alstom werd overgenomen. Een subfamilie zijn de  diesel­mechanische motorrijtuigen of treinstellen van het type Coradia LINT. Het acroniem LINT staat voor “Leichter Innovativer Nahverkehrs Triebwagen”.

iLint

Tijdens de InnoTrans-beurs in september 2016 stelde Alstom het iLint-treinstel voor, het eerste met waterstof aangedreven spoorwegmaterieel ter wereld. De Coradia iLint is gebaseerd op het Lint 54-dieseltreinstel. In dit geval niet met een jacobsdraaistel in het midden, maar op twee afzonderlijke draaistellen. Het ontwerp is van Alstom Salzgitter (het expertisecentrum van Alstom voor regionale treinen) en het ontwerp van het elektrisch gedeelte is van Alstom Tarbes (het expertisecentrum voor elektrische systemen).

In maart 2017 voltooide Alstom de eerste testrit met 80 km/h op het testbaanvak in Salzgitter. In juli 2018 verleende het Eisenbahn-Bundesamt toelating en op 16 september 2018 gingen twee voorserie-treinstellen rijden tussen Cuxhaven, Bremervörde, Buxterhude in Nieder-Sachsen.

Het meest bijzondere aan deze treinstellen is de aanwezigheid van brandstof­cellen, die zorgen voor de directe omzetting van waterstof en zuurstof tot water en elektriciteit. Het is juist de combinatie van waterstof en brandstofcellen die deze treinstellen uniek maakt.

Principe van de brandstofcel

Het principe van de brandstofcel werd in 1838 ontdekt door de Zwitser Christian Friedrich Schönbein. Deze had waterstof en zuurstof samengevoegd, waarbij elektriciteit vrijkwam. De Britse natuurkundige Sir William Robert Grove Grove bedacht in 1843 een manier om die ontdekking op een praktische manier te benutten.

In 1932 pakte Francis Thomas Bacon (1904-1992) en zijn groep in Cambridge het onderzoek naar de brandstofcel weer op. In 1959 demonstreerden ze een brandstofcel van 5 kW met een efficiëntie van 60%. Rond deze tijd was de NASA voor het Apollo-programma op zoek naar efficiënte elektriciteitsbronnen met een hoog rendement. De brandstofcel van Bacon was uiterst geschikt vanwege zijn hoge rendement en kleine massa. Met zuiver water als afvalstof kon hij daarnaast voor drinkwater zorgen.

Bij de Apollo 13-ruimtevlucht in 1970 veroorzaakte echter het ontploffen van een zuurstoftank grote problemen. Niet alleen trad ernstige schade op, maar ook werkten de brandstofcellen aan boord nauwelijks meer. De brandstofcellen van de Coradia iLint betrekken hun zuurstof echter simpelweg uit de atmosfeer.

Principe van een waterstof-zuurstof-brandstofcel. Bron: Wikipedia.

Een brandstofcel bestaat in principe uit een waterstofelektrode en een zuurstof­elektrode, gescheiden door een elektroliet. In veel gevallen is de elektroliet een H⁺-ionen geleidend kunststof membraan. Essentieel is dat de waterstof-ionen “binnendoor” naar de zuurstof-ionen gaan en dat de elektronen “buitenom” gaan en daar gebruikt kunnen worden. Een enkele waterstof-zuurstof-brandstof­cel levert theoretisch een spanning van 1,23 volt, maar in de praktijk ligt die spanning door een aantal oorzaken tussen de 0,5 en 0,8 volt. Serie/parallel-stapelingen van deze cellen maakt hogere spanningen en stromen mogelijk.

Deze brandstofcellen werken bij een temperatuur van 50–80^o C. Het gevormde water verlaat de brandstofcel dan ook als waterdamp. Bij lage buiten­temperaturen is dit zichtbaar in de vorm van stoom. Dit is in het filmpje bij dit artikel onder andere zichtbaar bij 5:29 en 6:04.

Productie van waterstof

De waterstof kan verkregen worden uit bijvoorbeeld aardgas of steenkool, maar daar komen grote hoeveelheden koolstofdioxide (CO₂) bij vrij. Een schoon alter­natief is de productie van waterstof door middel van elektrolyse: het omgekeerde van bovenbeschreven brandstofcel.

In Delfzijl wordt een elektrolyse-installatie gebouwd door een consortium bestaande uit Nouryon (afspliting van AkzoNobel), de Gasunie en vier andere partners, met een Europese subsidie van 11 miljoen euro. De installatie krijgt een capaciteit van 20 Megawatt, waarmee 3000 ton waterstof per jaar geproduceerd kan worden. [Chemiemagazine – VNCI – 62 (02) (2020) 26-27]

De opbouw van de iLint

De opbouw van deze treinstellen wordt getoond in onderstaande figuur:

Bron: www.partners.alstom.com

De tanks voor gasvormige waterstof en de brandstofcellen bevinden zich op het dak. Onder de trein bevinden zich onder andere Li-ion-batterijen en de componenten van de vermogens-elektronica. Ze kunnen een maximum snelheid van 140 km/h bereiken, waarbij ongeveer 150 zittende passagiers vervoerd kunnen worden.

De Li-ion-batterijen dienen enerzijds om te veel door de brandstofcellen geprodu­ceerde elektriciteit en de bij het remmen geproduceerde elektriciteit op te slaan, en anderzijds om elektriciteit te leveren voor de systemen aan boord en om extra elektriciteit te leveren bij het optrekken. Deze batterijen worden geleverd door de Duitse firma Akasol, de cilinders voor de opslag van waterstof worden geleverd door de Noors-Duitse firma Hexagon Xperion (nu genoemd Hexagon Plus) en systemen voor controle en monitoring van de trein door de Zwitserse firma Selectron Systems. De belangrijkste componenten – de brandstofcellen – worden geleverd door de Canadese firma Hydrogenics.

Bestellingen

Inmiddels heeft Alstom al twee orders voor deze treinen kunnen noteren:

De Landesnahverkehrsgesellschaft Niedersachsen mbH (LNVG) bestelde 14 treinstellen in november 2017. Het contract omvatte ook het onderhoud en de waterstofvoorziening gedurende 30 jaar. De eerste twee voorserie-treinstellen werden geleverd in september 2018. Zij “tanken” waterstof bij een mobiel vul­station uit een ruim 10 meter hoge stalen container bij het station van Bremervörde. Een van deze twee treinstellen – met al 200.000 gereden kilo­meters – arriveerde op 26 februari 2020 in Nederland voor nachtelijke proefritten zonder passagiers tussen Groningen en Leeuwarden tussen 27 februari en 14 maart 2020.

Fahrzeugmanagement Region Frankfurt RheinMain GmbH (fahma), een dochter van Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV),  plaatste in mei 2019 voor 500 miljoen euro een order voor 27 iLint-treinstellen met levering voor september 2022. Ook hier omvat de order gedurende 25 jaar onderhoud en levering van waterstof. De nieuwe treinen zullen gaan rijden op de lijnen RB11 (Frankfurt-Höchst – Bad Soden), RB12 (Frankfurt – Königstein), RB15 (Frankfurt – Bad Homburg – Brandoberndorf) en RB16 (Friedrichsdorf – Friedberg).

Succesvolle proefritten

Al op 2 maart 2020 meldde Alstom dat de proefritten tot dat moment goed verlopen waren. Dit treinstel heeft een actieradius van 600 km. De vervolgserie krijgt grotere waterstoftanks zodat een actieradius van 1000 km mogelijk zal zijn. Op zaterdag 7 maart 2020 kon het treinstel in het station Groningen bezichtigd worden.

Alstom Coradia iLint-treinstel 654 102 van de LNVG op 7 maart 2020 in het station Groningen tijdens een van de proefritten tussen Groningen en Leeuwarden. Foto: Sjoerd Bekhof.

Het is bijzonder dat twee technologieën die beide ongeveer 180 jaar oud zijn (treinen en brandstofcellen) verenigd in deze Coradia iLint-treinstellen springlevend zijn.

Frits van Buren is (gepensioneerd) scheikundige. Hij is gepromoveerd met als onderwerp brandstofcellen, de techniek die nu gebruikt wordt in de iLint.