9 NUMMER 6 / OKTOBER 2022 THEMA MATERIEEL Verbranding van waterstof lastig maar veelbelovend Met een asfaltspreidmachine op waterstof heeft BAM Infra een absoluut unicum in handen. Het gaat hierbij namelijk om een motor die waterstof rechtstreeks gebruikt als brandstof. De bijzondere motor is ontwikkeld door Koninklijke Van Twist, die ook generatoren bouwt met deze techniek. TEKST: HENKWIND BEELD: BAM INFRA Waar het gaat om bouwmachines en vrachtwagens op waterstof, gaat het in feite altijd om elektrische machines waarvan de batterijen geladen worden met stroom uit een brandstofcel. In die brandstofcel wordt waterstof omgezet in elektriciteit. Een brandstofcel werkt altijd in combinatie met batterijen. De brandstofcel levert namelijk een constant vermogen en is niet in staat om veel wisselende belastingen en piekbelastingen te leveren. Die moeten dus worden geleverd door het accupakket. TRUCK INNOVATION AWARD Waterstof-verbrandingsmotoren zijn er nauwelijks. Wel is een bedrijf als DAF er mee bezig. Dat won de Truck Innovation Award 2022 met een waterstofverbrandingsmotor in de DAF XF H2 Innovation Truck. De verwachting is echter dat het nog vijf tot zeven jaar zal duren voordat deze motor rijp is voor een marktintroductie. Het is technisch lastig om een waterstofmotor op steeds wisselende toerentallen te laten draaien. “De techniek van een waterstofverbrandingsmotor is op zich wel bekend. Ze deden dat in de Tweede Wereldoorlog al”, stelt Martijn Friederichs, Gas Development Manager bij Koninklijke Van Twist. Het lastige is echter dat waterstof zeer ontvlambaar is, waardoor een waterstofmotor vrijwel altijd ‘backfire’ geeft. “Het wordt niet voor niets ook wel knalgas genoemd.” De uitdaging is dan ook vooral om de waterstof alleen in de cilinder te laten verbranden en niet al daarvoor. LASTIGE GASSEN Voor Koninklijke Van Twist was de ontwikkeling van een waterstofverbrandingsmotor een beetje een toevalstreffer. Althans, wat de aansluiting op de huidige marktontwikkelingen van emissieloos werken betreft. “Wij ontwikkelen motoren die op allerlei lastige gassen kunnen draaien. Zo hebben we voor een klant een motor ontwikkeld die draait op de gassen die vrijkomen bij de terugwinning van carbon black uit autobanden. Dat gas mag je niet uitstoten en zelfs niet affakkelen. Nu gebruiken we het nuttig en wekt het bedrijf er de stroommee op om de fabriek te laten draaien. Een dergelijke motor hebben we ook ontwikkeld voor een klant die actieve kool wint uit afgedankt mdf.” “Dit zijn uitdagende gassen, met een heel laag zogenaamd methaannummer. Dat nummer geeft aan hoe moeilijk of makkelijk gassen ontbranden ten opzichte van zuivere methaan, dat op 100 gesteld is. De gassen waar wij mee werkten zaten rond de 26. Toen zijn we drie jaar geleden gaan kijken hoe ver we konden gaan. Het gas met het laagste methaannummer is waterstof, dat een nul scoort. Die uitdaging zijn we toen aangegaan.” EMISSIE Voordeel van waterstof is dat het een gas is dat eigenlijk altijd ontbrandt. Waar andere brandstoffen een ideale verhouding hebben tot de hoeveelheid lucht om te verbranden, geldt dat bij waterstof niet. “Daardoor zijn we in staat om een armmengsel in te spuiten, met in verhouding heel veel lucht. Daardoor blijft de verbrandingstemperatuur heel laag. Dat is in meerdere opzichten heel gunstig. Onder meer voor de uitstoot. Bij hogere temperaturen reageren brandstoffen ook met stikstof (N) uit de lucht en vormen ze NO of NO2, samen NOx genoemd. Bij deze temperatuur gebeurt dat niet of nauwelijks.” “Wel hebben we nog wat minimale uitstoot doordat een verbrandingsmotor ook smeermiddelen nodig heeft, die voor een klein deel in de cilinders verbrand worden. We meten nu een uitstoot 7 ppm, maar dat komt overeen met de foutmarge in de meetapparatuur. Dus wat meet je dan uiteindelijk? In ieder geval blijven we over de hele – lange – levensduur van de motor met onze uitstoot ruim onder de uitstoot die nodig is voor de productie van een batterypack.” Voordeel van het arme mengsel is ook dat er geen echt hete delen in de motor zitten, die voor spontane ontbranding van waterstof zouden kunnen zorgen. “Daarbij zorgen we er ook nog voor dat we de waterstof pas vlak voor de cilinder inspuiten en ook alleen als de klep open is. De waterstof gaat dan direct met de luchtstroommee de cilinder in.” Waterstof is wel een volumineus gas. “Daarom werken we met twee injectoren per cilinder. In de asfaltspreidmachine zit een zes cilinder motor, met dus twaalf injectoren.” DIESELMOTOR ER UIT Bij de asfaltspreidmachine is de dieselmotor één op één vervangen door de waterstofverbandingsmotor. Om dat hele verbrandingssysteem aan te sturen, heeft Koninklijke Van Twist de software van het motormanagementsysteem van de machine herschreven. Bovenop de machine is ruimte gemaakt voor de cilinders met waterstof. Dat zijn cilinders die gewoon in de handel verkrijgbaar zijn, waardoor ze eenvoudig te wisselen zijn. “We nemen 16 kg waterstof mee, onder een druk van 300 bar. Daar kan de machine twee tot drie uur op draaien. We werken nog aan een eigen tank om 50 kg mee te kunnen nemen, waardoor we een hele dag kunnen draaien.” De waterstofverbrandingsmachine heeft dus niet de beperkingen van het laden zoals een batterij gedreven machine die heeft, met de benodigde laadtijd en infrastructuur. Volgens Friederich heeft de waterstofverbrandingsmotor diverse voordelen, ten opzichte van een brandstofcel op waterstof. De motor is ‘gewoon’ van staal, waar de brandstofcel en batterijen diverse schaarse grondstoffen bevatten. Ook is de levensduur van een brandstofcel relatief beperkt, waarna grote revisie nodig is. De levensduur van een waterstofverbrandingsmotor is ook nog eens langer dan die van een dieselmotor. En mocht BAM de machine te zijner tijd willen verkopen, dan is de originele dieselmotor desgewenst eenvoudig terug te plaatsen. GENERATOREN OP WATERSTOF Koninklijke Van Twist heeft al ruime ervaring opgedaan met de waterstofverbrandingsmotor. Het past die onder meer toe in generatoren. Voor een deel zijn dat hybride generatoren, die behalve de waterstofverbrandingsmotor ook nog een batterypack omvatten. “Dat hoeft niet maar het heeft toch bepaalde voordelen. Je kunt de motor namelijk nu in een zo efficiënt mogelijke belasting laten draaien en dat is gunstig voor het waterstofverbruik. Als de batterijen geladen zijn kan de motor uit.” “We hebben daarmee al een festival in Engeland laten draaien; het eerste festival volledig op waterstof. Voor de Gasunie hebben we een bouwsite van stroom voorzien en voor Mammoet een operatie van liften en transporteren. Ook bouwbedrijven hebben deze generatoren aangeschaft en die worden nu volop uitgeleverd.” Met een asfaltspreidmachine op waterstof heeft BAM Infra een absoluut unicum in handen. Bij de asfaltspreidmachine is de dieselmotor één op één vervangen door de waterstofverbrandingsmotor. In Engeland liet Koninklijke Van Twist een festival draaien op de generatoren met waterstofverbrandingsmotor; het was het eerste festival volledig op waterstof. De asfaltspreidmachine heeft ruimte voor 16 kg waterstof, onder een druk van 300 bar. Daar kan de machine twee tot drie uur op draaien.
RkJQdWJsaXNoZXIy NTI5MDA=