Vincent Hentzepeter | Fotografie: Foodnote
Kiwa Nederland is in Europa de koploper in onderzoek naar veilige oplossingen voor de distributie van waterstof en opslag van deze energiedrager voor toepassingen in onder andere de automobielindustrie. Met de opkomende waterstofeconomie is er dringend behoefte aan veilige en betaalbare oplossingen. In Apeldoorn heeft Kiwa hiervoor alle faciliteiten.
Vincent Hentzepeter | Fotografie: Foodnote
Met de op Prinsjesdag gepresenteerde ambitieuze plannen van het kabinet om al vanaf 2030 grootschalig groene waterstof te gaan produceren voor industrieel gebruik met enorme windparken op zee, is het zonneklaar dat de waterstofeconomie aan de poorten rammelt. Het kabinet streeft ernaar dat al in 2030 zo’n 21 gigawatt uit wind komt, ongeveer 75% van het huidige elektriciteitsverbruik.
Dit moet doorgroeien naar 50 gigawatt aan windvermogen in 2040 en 70 gigawatt in 2050. Dit overschot aan elektriciteitsproductie zal grotendeels worden ingezet voor de productie van groene waterstof op zee, zodat de industrie kan overstappen van gas op een klimaatneutraal alternatief. Deze omwenteling naar een waterstofeconomie heeft een enorme impuls gegeven naar onderzoek en ontwikkelingen van technische systemen en installaties voor de veilige opslag, toepassing en landelijke distributie van waterstof.
Bij Kiwa is daarom fors geïnvesteerd in onderzoeksfaciliteiten om op korte termijn prangende vragen vanuit energiebedrijven en de autoindustrie te kunnen beantwoorden. Want het moet natuurlijk wel allemaal bewezen veilig toegepast kunnen worden. Paul Dijkhof, teamleader alternative fuels and pressure products (alternatieve brandstoffen en producten onder druk), is nauw betrokken bij het testen van veilige opslagsystemen voor de automobielsector en de distributie van gas.
Hij geeft een rondleiding door het waterstoflab, waar componenten voor waterstofgedreven voertuigen als auto’s, bussen en vrachtwagens beproefd worden. Dit gebeurt met enorme opstellingen, want de cilinders worden door de snelle technische ontwikkelingen snel groter.
De verwachting is dat waterstof voor mobiliteit in eerste instantie vooral voor de transportsector en het openbaar vervoer ingezet gaan worden. Daar is een logische reden voor, verklaart Dijkhof. “Zwaar transport zal er het meest gebruik van maken, bij stadsvervoer en auto’s kun je er nog een batterij inzetten, bij zware voertuigen is het opladen en de hoeveelheid benodigde batterijen eigenlijk geen optie. Stel je een 18 meter lange trailer voor, een internationaal opererende, met een accu-aangedreven vrachtwagen, die zou een vijfde deel van zijn laadruimte kwijt zijn aan batterijcapaciteit en opladen kost uren. Voor een pakketvervoerder als DHL is ’s nachts aan de oplader prima, maar grote logistieke bedrijven willen in één ruk 800 kilometer kunnen rijden en dan voltanken. Met waterstof kan dat en voor de logistieksector is het vergelijkbaar met de huidige situatie met bijvoorbeeld diesel en LNG, maar dan met een elektromotor die gevoed wordt met stroom die opgewekt is met waterstof via een brandstofcel.”
Hoe voertuigen en auto’s in de toekomst exact aangedreven gaan worden is nog ongewis, benadrukt Dijkhof. Er zijn nog te veel onzekerheden en het kan per land verschillen. “Als de energietransitie echt grote vormen aan gaat nemen zullen de meeste kleine voertuigen elektrisch worden, de grotere gaan op waterstof draaien of op andere milieuvriendelijke varianten als DME, bio-LPG en/of bio-methaan; denk ook aan het injecteren van diesel met waterstof. Nederland zal voor het een of het ander kiezen, naar het zich nu laat aanzien.”
“We verouderen bij temperaturen van -40 °C tot 120 °C conform de te verwachten motorbloktemperatuur”Paul Dijkhof, teamleader alternative fuels and pressure products
Waterstof staat nog wel eens bekend als explosief en gevaarlijk. Dit klopt, maar het geldt ook voor elke andere brandstof die niet veilig is opgeslagen of in installaties wordt beheerst. Daar zit dus geen verschil met de conventionele diesel- of benzinemotor. Wel is het zo dat waterstof een nieuwe toepassing is. Voor gebruik in leidingsystemen en motoren moet dus een nieuw beproevings- en certificatietraject bewandeld worden. “Fabrikanten moeten hiertoe een technisch dossier overleggen, zoals de notified body dit eist. Dat rapport moet afkomstig zijn van een geaccrediteerd testlab conform ISO 17025. Dat zijn wij als Kiwa.”
Dat geaccrediteerde onderzoek gebeurt in diverse testopstellingen die Kiwa in zijn ‘Waterstoflab’ heeft staan. Met LNG en CNG (compressed natural gas) is al de nodige ervaring opgedaan. Kiwa begon al in 2009 met het testen van LNG. LNG staat voor Liquified Natural Gas, ofwel aardgas dat cryogeen is gemaakt en een temperatuur heeft van -163 °C. Zo kan er meer energie meegenomen worden dan bij gecomprimeerd gas. Van die LNG-expertise kan nu dankbaar gebruik worden gemaakt voor het testen van (vloeibaar) waterstofgas.
In een van de grote testhallen wordt in testbays onder meer beproefd of technische installaties bestand zijn tegen de enorme drukken die gecomprimeerde waterstof uitoefent, anders dan bij conventionele brandstoffen die gewoon vloeibaar zijn onder kamertemperatuur met bijbehorende dampdruk.
“Wij letten specifiek op de drukbestendigheid van de aansluitingen van de koppelingen tussen de leidingen en de drukregelaar, dit is waar de waterstof de brandstofcel ingaat en omgezet wordt in elektriciteit. Wij testen daartoe het hele deel van de aansluiting op het waterstoftankstation tot het gebruik in het voertuig. Er staat een druk van 700 bar op het brandstofsysteem(cilinders), en dus ook op de afsluiter, waar dit downstream na de drukregelaar onder de 60 bar ligt. Wat we ook kunnen testen is het direct injecteren van waterstof in een waterstofverbrandingsmotor, waarbij we kiezen voor extreme omstandigheden met veel wisselend vermogen.”
De grote volumes zoals opslagtanks, test het lab met vloeistof, om op een snelle manier de levensduur het aantal vulcycli van een voertuig te simuleren. “De componenten testen we wél echt met waterstof. Dat testen met een vloeistof heeft ook te maken met veiligheid hier in het lab: zou je met zulke hoeveelheden waterstof gaan werken, dan zit daar meer gevaar aan dan met vloeistof.”
En met water testen is efficiënter. “Een 350 liter tank met waterstof op druk zetten en dat er weer vanaf halen, kost heel veel energie, omdat je het gas moet comprimeren. Hoge druk erop zetten met een vloeistof kost veel minder energie en is veiliger, mocht er breuk op treden.” Hydraulisch testen is een prima alternatief. “We gebruiken geen water maar een hydraulische vloeistof. Het uitzet- en krimpgedrag is vergelijkbaar bij onderzoek aan tanks. Test je de leidingen en drukregelaars met waterstof, dan kun je met veel minder volume toe, dus is het veilig en haalbaar dit zo te testen.”
Effecten van beschadigingen van tanks test Kiwa ook. “Gascilinders testen we door een valtest of door krassen te maken, voor waterstof zijn die 20 cm lang tot 3 mm diep. Ook doen we lek- of permeatiemetingen, waarbij de cilinders met waterstofgas gevuld worden en lekwaardes gemeten worden. Deze testen duren soms wel tot een maand.”
“We kiezen voor extreme omstandigheden met veel wisselend vermogen”Paul Dijkhof, teamleader alternative fuels and pressure products
Kiwa heeft veel ervaring opgedaan met het testen van installaties die op methaan werken, ofwel aardgas. Omdat H2 een veel kleiner molecuul is dan CH4 gelden er extra eisen aan de lekdichtheid. “Bestaande applicaties die gasdicht zijn voor methaan hoeven dat voor waterstof niet te zijn. Op den duur kunnen kneldelen – koppelingen – door ‘druk op, druk af’ gaan lekken, dat is een extra aandachtspunt.”
Uiteraard wordt er onder hogere drukken getest dan in de operationele situatie. “We gaan tot 1.050 bar ofwel 105 MPa. Een tankstation heeft 700 bar (70MPa) waterstofdruk. 875bar (87,5 MPa) is de normale druk om te testen, dit is 1,5 x 700bar (= 1.050 bar) en als extra veiligheidsmarge vereist om systemen te testen die werken met waterstof onder druk.”
________________________________________________
Metalen componenten kunnen versneld verouderen door waterstof. En alles wat als veilig en lekdicht beproefd is voor methaan, hoeft dat voor het kleinere waterstofmolecuul niet te zijn. Kiwa onderzoekt met diverse stress-testen of technische onderdelen veilig in gebruik zijn voor waterstoftoepassingen, zodat ze gecertificeerd kunnen worden.
Bij een motor op waterstof zijn de temperatuurverschillen tussen tanktemperatuur en verbrandingstemperatuur hoger dan bij fossiele brandstoffen, ook al wordt de motor zelf een stuk minder heet. De consequenties daarvan voor de veiligheid testen ze bij Kiwa uitvoerig. Paul Dijkhof, teamleader alternative fuels and pressure products: “We verouderen bij temperaturen van -40 °C tot 120 °C conform de te verwachten motorbloktemperatuur. -40 °C is de temperatuur bij het vullen uit een waterstoftankstation, dus de componenten komen daar ook mee in contact. Overigens is die -40 °C ook de temperatuur voor arctische systemen waar we sowieso al op testen. Metalen mogen niet krimpen en gaan lekken als ze zo koud worden. 120 °C is de gangbare temperatuur van componenten om op te testen in de automotive sector, want dat komt van de verbrandingsmotor af, bij een waterstofcilinder is dat hooguit 85 °C.”
Het testen van injectoren en drukregelaars gebeurt met klimaatkasten, voor en na veroudering van de componenten. “We testen op gaslekken bij een heel scala van temperaturen en drukken, we testen koud, heel warm, maar de bulk is bij kamertemperatuur.”
De effecten van grote temperatuurschommelingen worden nagebootst met combinaties van shockvriezers en ovens. “Dat gaan in enkele seconden van -40 °C naar 120 °C; doe je dat in een cyclus, dan kun je componenten in één dag testen in plaats van weken, interessant voor producten waar je van thermische shocks veel effect kunt verwachten. Denk aan met spuitgieten gefabriceerde delen waar, op de plek waar lagen samenkomen, zwakke plekken kunnen zitten die bij grote temperatuurwisselingen gaan scheuren en krimpen.”
De thermische beveiliging op cilinders test Kiwa door ze van een ijsbad naar een warm bad te verplaatsen “Dan kun je zien of de beveiliging wel heel blijft.” Bij een waterstofvoertuig werkt dat zo: “In het component zit een glazen buisje met vloeistof dat meestal kapotgaat bij 110 °C; dat knapt bij een autobrand en laat dan het waterstofgas afblazen, zodat de tank niet kan ontploffen.”
Verder worden ook alle elektronische componenten, bijbehorende omkastingen, leidingen en slangen op diverse manieren (versneld) op deugdelijkheid en duurzaamheid getest. Hier bovenop komen de schudproeven. “Bij de vibratietesten worden onderdelen getest in een range van 0 en 500 Hz, je zoekt de resonantiepunten op, laat het daarop shaken en kijkt daarna of ze nog lekdicht zijn.”
Corrosiebestendigheid wordt met een zoutnevel onderzocht. “Zoutspray zorgt voor versnelde testresultaten. Een auto is ontworpen voor minimaal 20 jaar onderhoud, we testen op 120 uur, 500 uur, 2400 uur, en zijn dus een aantal maanden bezig om de effecten op het materiaal vast te stellen. 100 dagen is de grens voor de bepaling van de corrosie op componenten onder het voertuig. Daarna gaan we op lekken testen. Een foute combinatie van ijzer- en aluminium met wat oxide erbij kan leiden tot een mooie zuurstofaanvreting.”
