Elektrische machines vs. waterstofmachines

Steeds meer machinefabrikanten komen met elektrische machines. De ene machine haalt zijn elektriciteit uit een accupakket en de andere wekt in een brandstofcel de stroom op uit waterstof. Beide technieken hebben voor- en nadelen.

Een elektrische machine die zijn stroom uit een accu haalt, heeft de accu als enige energiebron. Er is hierbij geen mogelijkheid om de accu bij te laden tijdens het werk. Is de accu leeg, dan moet het pakket verwisseld worden of de machine moet aan de lader en komt daardoor stil te staan. Bijkomend nadeel is dat zo’n machine het meeste vermogen levert als de accu vol is. Zodra de machine in werking is, neemt de acculading en dus het vermogen af. Dat klinkt logisch, maar kan behoorlijk onpraktisch zijn. Een dieselmotor levert daarentegen het volledige vermogen tot de laatste druppel diesel.

Bij het gebruik van een elektrische machine moet de accu stroompieken kunnen leveren. Bij elke stroompiek ontstaat er een spanningsval (accuvoltage). Het batterijmanagementsysteem (BMS) zorgt ervoor dat de accu afschakelt voordat de ondergrens bereikt is en beschermt zo de accu. Maar nog voordat het BMS ingrijpt en er dus een soort black-out ontstaat, is het wenselijk dat de motorcontroller juist deze pieken niet laat ontstaan. De motorcontroller zal daarom het vermogen behoorlijk terugschroeven om in leven te blijven. Voor langdurige inzet op hoog vermogen is een elektrische machine met enkel een accu daardoor simpelweg ongeschikt. Daarentegen kan je met een dergelijke machine prima werkzaamheden uitvoeren waarbij de vermogensbehoefte wisselend of laag is.

Brandstofcel
Een waterstof aangedreven machine heeft eveneens een accu aan boord. Deze accu is echter veel kleiner dan bij een volledig elektrische machine en hoeft ook niet gewisseld te worden of aan de oplader worden gekoppeld. Simpel gezegd bestaat het systeem uit een waterstoftank, een brandstofcel met koeling, omvormers en een accu om de elektrische wielaandrijving van elektriciteit te voorzien. Met behulp van een brandstofcel en de bijpassende accu kan een machine hetzelfde vermogen blijven leveren totdat de waterstof op is. Daarnaast kan het vermogen van een brandstofcel geregeld worden. Echter kan een brandstofcel niet altijd snel genoeg reageren op de vermogensvraag. In dat geval zorgt de accu ervoor dat onregelmatigheden in de vermogensvraag worden opgevangen. Het laadniveau van de accu wordt door de brandstofcel op peil gehouden en werkt dus meer als accumulator of vliegwiel.

Waterstof heeft een hoge energiedichtheid; ongeveer 120 MJ/kg, wat gelijk staat aan 33,6 kWh/kg (bij waterstof onder een druk van 700 bar). Diesel heeft ongeveer 45,5 MJ/kg, ongeveer 14 kWh/kg. Ondanks dat waterstof een hogere energiedichtheid heeft dan diesel, is het toch vrij onhandig spul. Het is zeer licht ontvlambaar en door het lage kookpunt van waterstof (-253 graden Celsius) is het zeer lastig en kostbaar om het waterstof in vloeibare vorm in tanks mee te nemen. Als werkbaar alternatief kan waterstof tot een druk van 700 bar gebracht worden. Waterstoftanks zijn echter zwaar en moeten goed beschermd worden. Daarnaast hebben de tanks een onhandige vorm, waardoor het lastig is om ze goed en efficiënt in een machine te plaatsen. Ter verduidelijking: 1 liter diesel staat ongeveer gelijk aan 25 liter waterstof. Dat wil dus zeggen dat een machine 25 keer zoveel tankinhoud moet hebben. 600 liter waterstof onder een druk van 350 bar staat qua capaciteit gelijk aan 25 liter diesel. Waterstof is wat dat betreft een zeer slechte energiedrager. Het maken (comprimeren) van waterstof kost tevens veel energie en bij het gebruik van de waterstof in een mobiele toepassing komt er door onder meer stevige koeling van de brandstofcel eigenlijk maar 20 procent van de ingestoken energie weer beschikbaar.

Elektrische machines met accu
+ Stil
+ Relatief simpel
+ Inzetbaar in afgesloten ruimtes
– Zware accu’s
– Laadtijd
– Niet geschikt voor langdurige inzet
– Wisselen van accu’s levert logistieke uitdagingen op

Waterstofmachines
+ Stil
+ Geschikt voor langdurige zware inzet
+ Geen laadtijd, alleen waterstof tanken
– Complexe installatie
– Grootte van waterstoftanks beperken de compactheid van machine
– Grote verliezen bij het maken en gebruiken van waterstof