Toen de Britse regering haar plannen om spoorlijnen door Wales, de Midlands en het noorden van Engeland te elektrificeren annuleerde en de elektrificatie van het Great Western-spoorwegnet stopzette, stopte ze voortijdig het investeringsprogramma voor het spoor, dat wordt beschouwd als een van de grootste in het land sinds het Victoriaanse tijdperk. Maar nu hopen de overheid en treinfabrikanten dat waterstof een alternatief kan zijn voor het elektrificeren van de Britse spoorwegen.
Waterstof treinen
Waterstoftreinen hebben in Duitsland al vuilere dieselmotoren vervangen en sommige spoorwegmaatschappijen denken dat het Verenigd Koninkrijk dit voorbeeld zal volgen in 2022. Er zijn nog steeds investeringen nodig om nieuwe technologieën te introduceren. Maar ze kunnen een belangrijke stap zijn om de CO2-voetafdruk van spoorwegen te verkleinen.
Momenteel is slechts een derde van het Britse spoorwegnet geëlektrificeerd en de afgelopen jaren zijn er weinig extra sporen omgebouwd. Nu de regering stopt met het elektrificeren van het elektriciteitsnet, staat ze voor een dilemma: hoe kunnen dieseltreinen die kooldioxide en andere schadelijke verontreinigende stoffen produceren, worden geëlimineerd?
De huidige strategie is om bimodale treinen te kopen die kunnen overschakelen op diesel wanneer ze uit de weg gaan zonder elektriciteit. Maar dit lost het probleem niet als zodanig op.
Als het elektrificeren van de rest van het netwerk te duur lijkt, zou een mogelijk alternatief zijn om aan boord van de trein elektriciteit op te wekken. Een manier om dit te doen is door brandstofcellen te gebruiken die waterstofgas combineren met zuurstof uit de lucht om elektriciteit en water te produceren. Waterstof kan meer energie vervoeren dan batterijen met hetzelfde gewicht, wat betekent dat brandstofcelsystemen lichter kunnen zijn. Bovendien hebben ze minder tijd nodig om bij te tanken dan batterijen om op te laden en hebben ze niet dezelfde hoge milieukosten om te produceren.
Waterstofgas moet worden gecomprimeerd in tanks, die zich meestal op het dak van de trein bevinden. Maar het toevoegen van een regeneratief remsysteem om een extra kleine batterij op te laden, zal de hoeveelheid waterstof die nodig is om de trein van stroom te voorzien, verminderen.
Promotie video:
De hoge kosten voor het installeren van bovenleidingen betekenen dat waterstoftreinen waarschijnlijk een goedkopere manier zijn om spoorlijnen met relatief weinig verkeer te elektrificeren. Het is ook zinvol om te experimenteren met waterstoftreinen om onverwachte problemen op te sporen. Een wijdverbreid gebruik vereist echter aanzienlijke investeringen in de productie en opslag van waterstof. Omdat er maar heel weinig spoorwegen op waterstof zijn gebouwd, is het onduidelijk of ze geld kunnen besparen door de elektrificatie van grote lijnen te elimineren, of schaalvoordelen zullen werken.
Een betere oplossing kan ook de ontwikkeling zijn van hybride dual-mode treinen die kunnen schakelen tussen elektriciteit van bovenleidingen en brandstofcellen. Dit is beter geschikt voor spoornetten die door bruggen en tunnels lopen.
Een ander probleem met waterstofbrandstofcellen is dat brandstof nu wordt geproduceerd uit methaan (aardgas) met behulp van een proces dat methaanstoomreforming wordt genoemd, dat ook hoge opbrengsten aan zeer giftige koolmonoxide oplevert. Het kan worden omgezet in kooldioxide, maar dan zal waterstof als brandstof nog steeds bijdragen aan de uitstoot van broeikasgassen.
Pure waterstof
Een milieuvriendelijke manier om waterstof te produceren is door middel van elektrolyse, waarbij een elektrische stroom door het water wordt geleid. In theorie zou je overtollige wind- (en mogelijk zonne-) energie kunnen gebruiken om die elektriciteit op te wekken en van waterstof een hernieuwbare energiebron te maken. Het probleem is dat elektrolyse-installaties waarschijnlijk niet zuinig zijn als ze het grootste deel van de dag niet draaien. Dit zou betekenen dat wanneer er geen overtollige wind is om ze van stroom te voorzien, ze regelmatig elektriciteit van het net nodig hebben, waardoor het proces erg duur (en niet noodzakelijk hernieuwbaar) is.
Het tweede alternatief is het gebruik van een "thermochemische" productiemethode, waarbij water met zwavel en jodium in aanwezigheid van warmte wordt samengewerkt. Het goede nieuws is dat deze methode de komende tien jaar economisch zal worden dankzij de ontwikkeling van kerncentrales van generatie IV. Deze kleine modulaire hogetemperatuurreactoren worden ontwikkeld in China, de VS, Canada en Japan, maar niet in het VK of Europa.
Ondanks alle beperkingen op het gebruik van waterstof als transportbrandstof, zullen de kosten ervan dalen naarmate steeds meer landen (met name Japan) verder onderzoek doen op het gebied van waterstofeconomie. Waterstof kan zelfs aardgas in de hoofdgasleidingen vervangen, wat ook de kosten van transport ervan zal helpen verlagen.
Ilya Khel