Een e-bike op waterstof in plaats van op elektriciteit? Nee, dit is geen utopie, maar realiteit:industriegasspecialist Linde heeft een waterstof-pedelec ontwikkeld die is uitgerust met een compacte brandstofcel in plaats van de gebruikelijke accu. Florian Freund liet zich door de uitvinding inspireren voor zijn Matura-scriptie:hij ontwikkelde een prototype waarmee de waterstof e-bike veilig kan worden getankt bij het H2-tankstation op de Empa mobility demonstrator move.

Florian Freund, afgestudeerd aan de Sumatra middelbare school in Zürich, was als kind al geïnteresseerd in energie – van stoomlocomotieven in musea tot kernenergie. Maar geleidelijk ontwikkelde hij zich ook bewust van de nadelen van fossiele en nucleaire energietechnologieën, vooral de gevaren van klimaatverandering. Dit motiveerde de jonge onderzoeker om te kijken naar alternatieve energieën voor zijn Matura-thesis. Een onderwerp was snel gevonden:de power-to-gas- en brandstofceltechnologie zou moeten zijn - en aan het einde van het werk moet er iets praktisch worden gecreëerd.

Fietsen met waterstof

Brandstofcelvoertuigen worden beschouwd als de hoop op toekomstige mobiliteit – en ze zijn al in serieproductie:in de Toyota Mirai, er komt alleen waterdamp uit de uitlaat in plaats van uitlaatgas. Bij de mobiliteitsdemonstrator op de Empa, voertuigen kunnen worden getankt met waterstof geproduceerd door overtollige zonne-energie. De reis kan binnen enkele minuten worden voortgezet. Een duidelijk voordeel ten opzichte van elektrische voertuigen:als hun batterijen leeg zijn, een langere pauze nodig is totdat ze weer voldoende zijn opgeladen. Hetzelfde probleem is bekend bij e-bike-rijders:hoe praktisch trapondersteuning ook is in het dagelijks gebruik - ook voor langere afstanden zijn langere laadpauzes nodig. Zou waterstof hier ook kunnen helpen?

De in Wenen gevestigde gasspecialist Linde Gas heeft een prototype van een e-bike ontwikkeld dat is uitgerust met een brandstofcel en waterstoftank in plaats van een batterij. Een tankvulling van 33 gram waterstofgas moet een actieradius van meer dan 100 km mogelijk maken. Toen Florian Freund over dit concept hoorde, al snel kwam het praktische doel van zijn werk naar voren:een nieuw tankconcept voor de waterstoffiets.

De drukcilinder van de e-bike heeft een inhoud van iets meer dan 1,3 liter - wat overeenkomt met ongeveer 33 gram waterstof bij de geplande cilinderdruk van 340 bar. Volgens het concept van de fabrikant, de fiets moet worden getankt uit grotere drukflessen. Idee van Freund:In plaats van dat elke fietsbezitter zo'n fles thuis moet bewaren, e-bikes zouden ook kunnen worden getankt bij waterstoftankstations die eigenlijk zijn ontworpen voor auto's, zoals die bij Empa's mobiliteitsdemonstratieverhuizing.

Echter, dit is niet zo eenvoudig:de tankstations zijn ontworpen om de aanzienlijk grotere tanks van een waterstofvoertuig te vullen - met een permanent geprogrammeerd tankprogramma dat aanvankelijk een drukstoot veroorzaakt bij een druk van 440 bar om te testen op mogelijke lekken en om de bestaande druk in de fles. Pas na deze eerste drukstoot begint het normale tankproces.

Van model tot prototype

Na enkele concepten te hebben moeten verwerpen, Freund brak uiteindelijk door tijdens een gesprek met Empa-onderzoeker Urs Cabalzar, die de jonge onderzoeker steunde:"We realiseerden ons dat de eerste drukstoot al genoeg was om de fles te vullen - op voorwaarde dat het gas daarna niet meer terugstroomt naar het tankstation, ' zei Freund.

Na enig ontwikkelingswerk en met de steun van de sponsor, de vloeistofsysteemspecialist Swagelok, dit resulteerde in het prototype:Een drukregelaar reduceert de drukstoot van 440 naar 275 bar. Om praktische redenen, deze waarde is lager dan de mogelijke maximale cilinderdruk van 340 bar – de gebruikte steekkoppeling mag slechts tot een druk van 275 bar worden gebruikt. Een in de drukregelaar gemonteerde terugslagklep zorgt ervoor dat het gas niet terugstroomt naar het tankstation. Freund heeft ook aan herverzekering gedacht:een overstortventiel zorgt ervoor dat het gas met een te hoge druk wordt afgevoerd. Met twee ingebouwde manometers kunnen de regelaar en het ventiel worden afgesteld en kan de druk worden bewaakt. De gebruiker kan zijn fles via een slang en een koppeling aansluiten op de drukregelaar.

Nadat de afgestudeerde zijn prototype had voltooid en zorgvuldig had gekalibreerd, de duurtest werd uitgevoerd:hij koppelde hem samen met de fles aan het Empa H2-tankstation onder toezicht van Urs Cabalzar. En het concept weerstond de theorie; het systeem startte het tankproces met de testdrukstoot - en in drie seconden was de fles vol.

Een geslaagde scriptie, maar is het principe van de waterstoffiets ook geschikt voor alledaags gebruik? Florian Freund is – althans voorlopig – nog wat sceptisch:“Eerst, waterstoftechnologie zou zich moeten vestigen in reguliere voertuigen om brandstofcellen goedkoper te maken en de tankinfrastructuur voldoende compact te maken. Maar dan zou niets het nieuwe rijplezier in de weg staan."