VERWARMING  
Install Magazine 970 – mei 2020

De energie van de toekomst

Waterstof als brandstof voor verwarmingsketels

Waterstof kan als schone energiedrager een revolutie betekenen voor de verwarmingssector. De eerste experimenten lopen al en ook ebm-papst werkt aan aangepaste gas-luchtsystemen voor deze klimaatneutrale brandstof.

In een periode waarin steenkool nog de brandstof nummer één was, en de kwestie hernieuwbare energie nog in een verre toekomst lag, had Jules Verne al een profetische visie in ‘Het geheimzinnige eiland’ zijn roman uit 1874. “Water is de steenkool van de toekomst. De energie van morgen is water, dat gesplitst werd door elektrische stroom. Deze gesplitste elementen van water, waterstof en zuurstof, zullen voor ontelbare jaren de energievoorziening van de wereld uitmaken.”. Ongeveer 150 jaar nadat de Franse schrijver deze regels neerpende, is zijn visie nog lang geen werkelijkheid. Maar door de uitdagingen van de klimaatverandering en de zoektocht naar nieuwe energiebronnen staat waterstof als energiedrager steeds meer in de belangstelling, zowel in de politiek, wetenschap als industrie. Het voordeel ervan ligt voor de hand: bij de verbranding ontstaat geen schadelijk CO₂, maar alleen water.

Het nadeel: waterstof komt op aarde zo goed als uitsluitend alleen in gebonden vorm voor. Om het te produceren, is er veel energie nodig. Zoals Jules Verne reeds aangaf, kan men dit element door middel van elektrolyse produceren. Bij dit proces wordt water door middel van elektriciteit gesplitst in zijn bestanddelen: waterstof en zuurstof. Deze brandstof is dus alleen klimaatneutraal, als de elektriciteit op basis van hernieuwbare bronnen wordt opgewekt. Hier speelt hernieuwbare energie een rol. Naarmate de capaciteit aan hernieuwbare energie groeit, wordt het steeds belangrijker om het overschot aan energie, dat niet meteen in het net kan worden geïnjecteerd, voor langere periodes op te slaan. Wind en zon laten zich immers niet sturen door de energiebehoefte. In de zogenaamde Power to Gas installaties kan men deze groene stroom gebruiken om bijvoorbeeld waterstof te produceren. Omdat gezinnen een groot aandeel hebben in de totale CO₂-uitstoot, kan het gebruik van waterstof in verwarming een essentiële bijdrage leveren in de strijd tegen klimaatverandering. De productie is nog erg duur, maar de verwarmingsindustrie staat al in de startblokken.

De opmars van waterstof

In Duitsland is het nu al toegelaten om aardgas te verrijken met vier tot tien procent waterstof. Zou het echter mogelijk zijn om helemaal op waterstof over te schakelen? Op dit ogenblik lopen er verschillende projecten om daar achter te komen. Zo heeft de Britse regering een project gestart, Hy4Heat, om uit te zoeken welke technische en logistieke hinderpalen er moeten genomen worden, om het waterstofaandeel beetje bij beetje te laten stijgen. In Groot-Brittannië verwarmt 80% van de gezinnen zich met gas, op internationale schaal een hoog aandeel. Het positieve effect van de overschakeling zal dus ook aanzienlijk zijn. Leeds, de derde stad van het land, plant om op middellange termijn een deel van het gasnet over te schakelen op 100% waterstof. Ook op het vasteland, en dan in de eerste plaats Nederland, gaat men een gelijkaardige richting uit. Een bijkomende reden is dat de Nederlands aardgasvelden binnenkort uitgeput zullen raken. In Rozenburg bij Rotterdam lopen er al veldtests met een waterstofgehalte van 100%. Duitsland is toonaangevend in Power to Gas installaties. In proefopstellingen wordt onderzocht, hoe men met een minimaal energieverbruik zoveel mogelijk waterstof kan produceren. Er zijn tevens verschillende studies om het gasnet om te bouwen tot een waterstofnet. Kortom, de markt is volop in beweging.

Uitdagingen voor constructeurs

Verschillende fabrikanten zijn bezig om hun condensatieketels om te bouwen voor deze schone brandstof. Het doel is om dit te bereiken met zo weinig mogelijk technische aanpassingen. Het goede nieuws is dat het fundamentele werkingsprincipe behouden kan blijven. Omwille van de eigenschappen van waterstof moet men echter vooral met de volgende aspecten rekening houden: lekdichtheid, compatibiliteit van materialen en vooral het verbrandingsgedrag.

Wat lekdichtheid betreft: waterstof is het lichtste van alle chemische elementen, en heeft de laagste dichtheid. Het heeft een hogere permeabiliteit dan aardgas en zal dus gemakkelijker doorheen elastomeren en kunststoffen dringen. Door de wat kleinere dynamische viscositeit is het lekgevoeliger dan aardgas. De afdichting van de componenten in de condensatieketel moet dus aangepast worden en gecontroleerd worden met specifieke testmethodes. Verder moet men ook nagaan of er compatibiliteitsproblemen met de materialen zijn.

Het verbrandingsgedrag vereist bijzondere aandacht. De vlamsnelheid is bijvoorbeeld acht keer hoger dan bij methaan. De fabrikanten kunnen dus niet met de huidige branders werken, het drukverlies stijgt en de ventilatoren moeten geoptimaliseerd worden. Men moet er vooral voor zorgen dat de ontsteking niet te laat gebeurt. Waterstof is namelijk erg reactief en ontbrandt aanzienlijk gemakkelijker dan methaan. De branderautomaat moet dus met kortere ontstekingstijden werken. Een ander probleem is dat de verbrandingscontrole en vlambewaking niet kan gebeuren met de gangbare methoden van vlamdetectie door ionisatie. De ketelfabrikanten moeten dus nieuwe sensoren en thermo-elementen testen.

Bovendien is er nog een cruciaal punt: hoewel waterstof een lagere verbrandingswaarde heeft dan aardgas, is de Wobbe-index ongeveer dezelfde, wat een belangrijke parameter is in de overschakeling tussen de brandstoffen. Om een optimale vermenging in de venturi te realiseren, moet de regeling van het gas-lucht mengsel aangepast worden. De combinatie van gasventilator, venturi en gasventiel wordt dus heel belangrijk.

NRV 118 klaar voor H₂

De NRV 118 ventilator van ebm-papst kan al zonder aanpassingen toegepast worden voor gas met een waterstofgehalte tot 10%. De ingenieurs van de ebm-papst vestiging in Landshut hebben de bekende NRV 118-systeemcombinatie in verschillende onderzoeken en enkele veldtests gecontroleerd op een goede werking met waterstof. Het resultaat: mits enkele aanpassingen is het systeem geschikt voor 100% waterstof. De modificaties betreffen met name een verbeterde afdichting van de het gasventiel en de ventilator. Ook werd nagegaan of de gebruikte kunststoffen en metalen compatibel zijn met 100% waterstof..

Nog een pluspunt: door het specifieke voormengsysteem is de NRV 118 bijzonder goed geschikt voor gebruik met waterstof. De premix ventilator compenseert de lagere wobbe-index en verbrandingswaarde van waterstof. Gecompliceerde stuurleidingen zijn niet nodig. Bovendien is het modulatiebereik erg hoog, omdat het gasventiel precies te sturen is door de onderdruk. De conclusie is dan ook dat fabrikanten zonder zorgen kunnen rekenen op de NRV 118 Hydrogen voor 100% waterstof. Het zal nog even duren vooraleer deze groene brandstof overal kan worden ingezet voor verwarming. Als de ontwikkelingen in wetenschap, politiek en industrie echter zo doorgaan, zal de visie van Jules Verne in de niet al te verre toekomst tot realiteit worden.

Over ebm-papst

De ebm-papst groep is een familiebedrijf met hoofdkantoor in Mulfingen, Baden-Württemberg en is toonaangevend op wereldvlak in de fabricage van motoren en ventilatoren. Sinds de stichting in 1963 is dit technologiebedrijf continu trendsettend op de wereldmarkt. Met meer dan 20.000 producten heeft ebm-papst voor zo goed als elke toepassing in lucht- en aandrijftechniek een passende, energie-efficiënte en intelligente oplossing.

In het boekjaar 2018/19 haalde deze firma een omzet van 2,18 miljard euro, met meer dan 15.000 medewerkers in 28 productievestigingen (onder meer Duitsland, China en Verenigde Staten) en 48 verkooporganisaties wereldwijd. De ventilatoren en motoren van het bedrijf zijn zo goed als in alle branches te vinden, zoals HVAC, koeling, huishoudelektro, verwarming, automobiel en aandrijvingen.

Door: Jürgen Schwalme, ebm-papst

Rob Peeters, ebm-papst Benelux

Foto’s: ebm-papst

www.ebmpapst.nl