‘De grootste schepen die in Rotterdam voor de cruise terminal liggen produceren per uur evenveel schadelijke emissies als tienduizenden personenauto’s en vrachtwagens,’ legt Lindert van Biert uit. Hiermee maakt hij meteen duidelijk dat verduurzaming van de scheepvaart om meer draait dan alleen broeikasgassen. ‘We kunnen wel overstappen op vloeibaar aardgas (LNG, liquified natural gas), op groene en koolstofneutrale synthetische of biobrandstoffen, en zelfs op volledig koolstofvrije waterstof of ammoniak, maar zolang we deze blijven verbranden komen er stikstofoxide en fijnstof vrij. Ik wil álle uitstoot naar beneden hebben.’

De brandstofcel als ideale oplossing

Natuurlijk is het mogelijk de schadelijke uitstoot af te vangen, maar dat brengt bijkomende componenten en kosten met zich mee. Van Biert: ‘Daar wordt je motor niet beter van en ook het onderhoud wordt heel complex. Overstappen op brandstofcellen is een schoon alternatief.’ Deze elektrochemische systemen zetten waterstof en de zuurstof uit lucht direct om in elektriciteit. Er vinden weinig verliezen in plaats en omdat het proces bij een relatief lage temperatuur plaatsvindt, is water het enige reactieproduct. De omzetting is bovendien stil, wat het comfort van bemanning, omgeving en zeeleven ten goede komt. Een enkele brandstofcel levert een spanning van minder dan 1 volt, maar gestapeld in zogenoemde ‘stacks’ kunnen ze voldoende vermogen leveren om grote schepen mee aan te drijven.

Unieke maritieme uitdagingen

Bij zijn onderzoek binnen de Ship Design, Production & Operations-groep neemt hij de brandstofcellen als een gegeven. ‘Ik kijk naar wat er gebeurt als je daar realistische operationele condities op los laat,’ zegt hij. ‘Hoe kunnen we die stacks het beste integreren met het systeem eromheen? Wat is de beste bedrijfstemperatuur, aanvoerdruk van waterstof of zuurstof, en hoe zorgen we dat deze onder alle operationele omstandigheden ideaal zijn? Met onze modellen proberen we zowel de vermogensdichtheid, de efficiëntie en de levensduur te optimaliseren.’ Vooral dat laatste is een typisch maritieme uitdaging. State-of-the-art brandstofceltechnologie voor auto’s gaat zo’n vijfduizend gebruiksuren mee, goed voor tien jaar gebruik en zo’n 250 duizend kilometer. In de scheepvaart is het gebruik veel intensiever en ben je dan slechts een jaar verder. De brandstofcel zelf is que omvang vergelijkbaar met een dieselmotor, maar de opslag van alternatieve brandstoffen is een ander verhaal. Waar je diesel in de dubbele huid van een schip kan opslaan, neemt waterstof vijf keer zoveel volume en gewicht in en zal het bijvoorbeeld onder cryogene omstandigheden aan dek moeten worden vervoerd. En je kan in veel gevallen niet, zoals met een auto, onderweg bijtanken. De aanvullende hulpsystemen en extra veiligheidseisen vergroten de uitdagingen.

Reformen

De brandstof hoeft niet per se pure waterstof te zijn. Van Biert: ‘Een groot deel van mijn onderzoek is gericht op het gebruik van andere waterstofdragers, zoals LNG of ammoniak, in combinatie met brandstofcellen. Dan heb je nog steeds veel minder emissies dan nu, en een hogere efficiëntie dus minder brandstofverbruik.’ Daarvoor moet de waterstof wel eerst daaruit vrijgemaakt worden in een proces dat reformen heet. ‘Dat moet op het schip gebeuren. Dat kan in een losse installatie, maar de meest efficiënte manier is om dat in de brandstofcel zelf te doen, omdat die al de warmte produceert die nodig is voor het reformen.’ Dat vergt wel brandstofcellen die op een hogere temperatuur opereren. En een belangrijk probleem is dat eventuele onzuiverheden die bij het reformproces ontstaan zich aan de katalysator kunnen binden, en zo de levensduur van de brandstofcel flink verkorten.

Scheepstypes

De beste manier om brandstofcellen te integreren is ook heel erg afhankelijk van het scheepstype. Waar een containerschip bijvoorbeeld maar af en toe stil ligt in een haven en verder op volle kracht vaart, zal bijvoorbeeld een hijsschip voor het plaatsen van windmolens op zee maar af en toe zijn maximale vermogen nodig hebben. ‘Cruiseschepen zijn een kleine varende stad op zee,’ zegt Van Biert. ‘Behalve voortstuwing is daar ook stroom nodig voor het hotelbedrijf, airconditioning, zoetwater maken en allerlei andere hulpsystemen. Als we het energievraagstuk voor zo’n stad midden op zee goed kunnen oplossen, dan kunnen we dat voor heel veel andere toepassingen ook doen.’ Daarnaast laat hij zich door de markt leiden. Zo is er nu veel interesse in de binnenvaart, waar de regeldruk omtrent emissies heel hoog is. ‘Daar zijn al ontwikkelingen op het gebied van waterstof die de markt bereikt hebben. Binnen de universiteit richten we ons dan juist op alternatieven daarvoor, die zich nog in een zeer vroeg ontwikkelingsstadium bevinden. Bij het testen hiervan maken we gebruik van de kennis die in de praktijk is opgedaan met de meer volwassen systemen.’

Hapklare pakketjes

Schepen gaan wel dertig tot veertig jaar mee waardoor de scheepvaart, meer dan andere sectoren, gevoelig is voor veranderende regelgeving. Vaak is er in een bestaande machinekamer helemaal geen ruimte om bijvoorbeeld roetfilters of katalysatoren voor stikstofoxiden te installeren en zullen ingrijpende aanpassingen in ontwerp en voorstuwing nodig zijn. Een zeer dure operatie. Van Biert: ‘Vanuit de TU Delft zijn we dan ook bij een aantal projecten betrokken om het hele energiesysteem modulair in te richten, zodat je vermogensopwekking en de brandstofopslag als een soort hapklare pakketjes uit kan wisselen. Verbrandingsmotor eruit, brandstofcel erin.’

Iedereen aan zet

Om de transitie naar een duurzame scheepvaart te bewerkstelligen moet de hele keten aangepakt worden. Alhoewel waterstof niet zo duur is, moet het natuurlijk wel groene waterstof zijn om ook echt alle emissievoordelen te behalen. Bovendien is er geen bestaande infrastructuur om waterstof eenvoudig, bijvoorbeeld ergens in de Rotterdamse haven, onder een bepaalde druk aan boord te krijgen. ‘Diesel is daarom al gauw een factor zes goedkoper,’ zegt Van Biert. ‘Steeds meer reders en verladers zeggen dat een of andere vorm van belasten de enige manier is, anders komt niemand in beweging. Naast broodnodige technologische ontwikkelingen is de politiek dus ook aan zet.’