Grote mobiele machines, zoals graafmachines, tractoren en containerverplaatsers, draaien vaak op diesel. Bij dieselverbranding wordt onder andere stikstof uitgestoten. Bovendien is diesel niet duurzaam. Deze machines zijn te groot om op elektriciteit te draaien en moeten vaak naar afgelegen gebieden waar geen laadpunten zijn. Daarom wordt gezocht naar andere oplossingen, bijvoorbeeld waterstof. Onderzoekers van de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen (HAN) en Hogeschool Saxion onderzochten samen, in het kader van SPRONG Decentrale Waterstof, met dertig midden- en kleinbedrijven (mkb’s) wat er nodig is om grote mobiele apparaten op waterstof te laten draaien. Hoe ze dat doen en wat er allemaal bij komt kijken, vertelt onderzoeker en projectleider Hans Meerman in dit artikel.
Wat je leest in dit artikel
Veel grote machines draaien op diesel. Dat is slecht voor het milieu, want bij dieselverbranding worden CO2, stikstofoxides en roet uitgestoten. Diesel is ook eindig, dus er moet worden gezocht naar een alternatief. Eén daarvan is waterstof. Wat is er nodig om grote machines op waterstof te laten draaien en die transitie te realiseren? De HAN onderzocht het in het project H2 Modus.
Over het onderzoek
Wat hebben grote machines nodig om op waterstof te draaien en hoe kunnen ze duurzaam omgebouwd worden? In samenwerking met dertig mkb’s deed H2 Modus (een SIA-RAAK-mkb-project) er onderzoek naar, verzamelde bestaande data en ontwikkelde een model dat bedrijven kunnen gebruiken voor deze transitie.
Hans Meerman is docent-onderzoeker bij het lectoraat Balanced Energy Systems van de Academie Engineering en Automotive bij de HAN. Hij studeerde technische scheikunde aan de Technische Universiteit Eindhoven en promoveerde aan de Universiteit Utrecht met een onderzoek naar energie zonder CO2-uitstoot.
Meerman: “Tijdens mijn promotieonderzoek keek ik naar alternatieven voor vloeibare brandstoffen, zoals benzine, diesel en kerosine. Na mijn promotie deed ik een postdoc aan Princeton University in de Verenigde Staten. Ik hield me er bezig met pyrolyse. Dat is het verhitten van biomassa tot ongeveer 450 graden met te weinig zuurstof, waardoor die biomassa uit elkaar valt. Als je dat proces op het juiste moment stopt, ontstaat olie die we kunnen verfijnen naar benzine, diesel of kerosine. Tijdens mijn tweede postdoc, aan Rijksuniversiteit Groningen, keek ik naar de verduurzaming van industriegebieden in Nederland. Omdat ik meer wilde lesgeven, kwam ik bij de HAN. Daar doe ik onderzoek naar waterstof.”
Binnen het project H2 Modus wordt onderzocht wat er nodig is om grote mobiele apparaten, zoals graafmachines en tractoren, op waterstof te laten draaien.
Meerman: “Zware mobiele voertuigen hebben veel energie nodig. We hebben tientallen jaren ervaring met wat er nodig is om ze op diesel te laten draaien. Maar diesel is eindig, en slecht voor het milieu. Daar willen we dus vanaf. Waterstof kan een uitkomst bieden, omdat het duurzaam is en genoeg energie levert om grote apparaten te laten draaien. Binnen ons project onderzochten we wat er nodig is om die transitie in gang te zetten. We moesten bestaande kennis erover bundelen en bij de juiste mensen krijgen. Kortom, de vraag is: hoe kunnen we bedrijven die willen switchen van diesel naar waterstof helpen om weloverwogen keuzes te maken?”
De overstap naar waterstof is niet makkelijk. Er zijn veel dingen om rekening mee te houden. Waterstof heeft bijvoorbeeld veel minder energie qua volume dan diesel. Daardoor is een grotere tank nodig. Ook wordt de waterstof niet verbrand, maar chemisch omgezet in een brandstofcel. Bovendien is waterstof een explosief gas; dat brengt veiligheidsrisico’s met zich mee als er niet goed mee wordt omgegaan.
Meerman: “Voor bedrijven die naar waterstof willen overstappen, maakten we een keuzemodel. Daaruit kunnen ze afleiden wat ze voor die overstap nodig hebben. Iets om rekening mee te houden is het volumeverschil met diesel. Waterstof vergt daardoor een veel grotere tank. Als een bedrijf het dieselverbruik weet, zet ons model dat om naar de benodigde hoeveelheid waterstof. Zo kunnen we berekenen hoe groot de brandstofcel moet zijn. Aan de hand van een kostenberekening kan het bedrijf vervolgens naar een leverancier voor het ombouwen van de machine of het aanschaffen van een nieuwe.”
Samenwerkende partners bouwden de machines om. Studenten werkten eraan mee.
Meerman: “Als hogeschool waren we niet betrokken bij het ombouwen van machines. Wel waren er studenten betrokken bij ombouwprojecten. Ze deden onderzoek naar laadprofielen en testten de door ons ontwikkelde modellen. Dat was veel uitzoekwerk. Bijvoorbeeld om te weten wat de beste manier is om een opslagtank te laden. Of om te weten wat er gebeurt als de druk in de tank te laag is. Dat heeft invloed op hoe je kunt tanken. Waterstof warmt namelijk op als het uitzet. Als dat te snel gaat, smelten de verbindingen tussen de tank. Studenten maakten een model waarin je kunt zien hoe de temperatuur verandert tijdens het tanken, zodat je er tijdig mee kunt stoppen om de tank te laten afkoelen. Dankzij dat model kunnen we dat proces voorspellen en is meten in de tank niet meer nodig.”
Meerman is coördinator van het waterstofonderwijs op de HAN, een van de redenen waarom hij projectleider van dit onderzoek is geworden. Hij is hoopvol over de toekomst van dit duurzame gas.
Hij besluit: “Mijn droom? Dat we over vijftig jaar van de diesel af zijn. Ik hoop dat we zover komen dat al die grote machines op waterstof kunnen rijden. Er zijn veel uitdagingen, bijvoorbeeld de levensduur van de brandstofcel, maar qua duurzaamheid zitten er veel voordelen aan. Ik wil graag de energietransitie vooruithelpen door middel van onderzoek. Idealiter komt er een grote waterstofverbinding door Nederland: van Rotterdam naar het Roergebied en van Groningen naar Antwerpen. Waterstof is geschikt voor langdurige opslag. Ik hoop dat het later echt een onderdeel wordt van de energiebronnen die we nu al gebruiken. Mijn droom is dat we uiteindelijk geen fossiele brandstoffen meer nodig hebben.”
Meer weten? Lees meer over de projectpagina van H2 Modus.
Fabrikanten van mobiele machines als rioolreinigers, graafmachines en aggregaten, hebben moeite om hun producten te verduurzamen. Relatief grote vermogens en lange bedrijfstijden, in combinatie met een beperkte toegang tot elektrische infrastructuur op de plek van inzet, maken batterij elektrische oplossingen minder geschikt. Nederlandse fabrikanten van mobiele machines laten hun oog daarom op waterstof vallen. Energiedrager waterstof, geproduceerd uit een duurzame bron, biedt via een brandstofcelsysteem op de machine en elektrificatie van de aandrijflijn de mogelijkheid grotere vermogens gedurende langere tijd zero-emission te realiseren. Grote fabrikanten van bijvoorbeeld personenauto’s of vrachtwagens zijn prima in staat de daarvoor benodigde kennis zelf in huis te halen en een dergelijke brandstofcelhybride aandrijflijn in enkele generaties door te ontwikkelen tot een commercieel product, volledig geoptimaliseerd voor de eigen toepassing. Mobiele machines kennen echter kleinere oplagen en dus ook kleinere fabrikanten, veelal MKB bedrijven, met bescheiden mogelijkheden. Zij kunnen ontwikkelingskracht halen uit samenwerking met vergelijkbare bedrijven met andere toepassingen. Een resultaat van zo’n samenwerking is bijvoorbeeld software om brandstofcelhybride aandrijflijnen te dimensioneren op basis van energievraagpatronen van de specifieke toepassing. Hoewel de toepassing anders is, kan de generieke dimensioneringssoftware prima worden gedeeld. Ook kunnen op module niveau hardware ontwerpen worden gedeeld om zo te versnellen met de realisatie van een eerste eigen brandstofcelhybride aandrijflijn. Het consortium van 25 partners met daaronder 16 MKB bedrijven streeft er dan ook naar dergelijke kennis en tools beschikbaar te krijgen voor de deelnemende partijen. Daarbij gewerkt op de volgende thema’s: dimensionering, verkrijgbaarheid componenten, besturing en energie management, veiligheid en vergunningen, de logistiek om waterstof bij de eigen toepassing te krijgen en de uiteindelijke kosten. Doelstelling van het consortium is om binnen het tweejarige project tot prototypen te komen, zodat projectresultaten kunnen worden gevalideerd en er al binnen de looptijd van het project een eerste kwantificeerbare emissie-reductie wordt behaald.
