VERWARMING
Install Magazine 989 – maart 2023
Ontwikkelingen in waterstofketels
Gas-luchtsysteem van ebm-papst
Door een slim ontwerp is ebm-papst erin geslaagd om een waterstofketel te ontwikkelen waarbij een gangbare ventilator kan worden toegepast.
De verwarmingssector gaat ervan uit dat er in een koolstofneutrale toekomst een rol zal weggelegd zijn voor groene gassen, met in de eerste plaats groene waterstof. Waterstofketels zijn geen onbekend terrein, en de industrie is dan ook volop bezig met de ontwikkeling van aangepaste componenten. Een belangrijke speler op dat terrein is ebm-papst, die niet alleen ventilatoren ontwikkelt, maar volledige gasmengsystemen voor verwarmingstoestellen. Met het oog op de toekomst heeft de fabrikant dan ook een gastoevoersysteem voor waterstof voorgesteld, dat gemakkelijk te integreren is in bestaande ketel- en branderconcepten.
De noodzaak voor aangepaste componenten
De verbrandingseigenschappen van waterstof verschillen niet zoveel van die van aardgas. Voor de meeste componenten zijn er dus geen grote aanpassingen nodig. Tot een mengpercentage van 20 à 30% zijn er zelfs nauwelijks verschillen in het verbrandingsgedrag tussen puur aardgas en een waterstof-aardgas mengsel. Ligt het aandeel van waterstof niet hoger, dan kan men dus volstaan met de huidig gangbare toestellen. Bij hogere concentraties is er wel een specifiek verbrandingssysteem nodig. Het heeft dus geen zin om componenten te ontwikkelen voor een waterstofpercentage tussen 30 en 100%, men schakelt dan beter meteen over op een oplossing voor 100% waterstof. Er zal dus geen geleidelijke overschakeling zijn waarbij het aandeel waterstof trapsgewijs wordt opgevoerd. Ofwel transporteert een leiding aardgas, eventueel met een kleine bijmenging van waterstof, ofwel volledig waterstof.
Als een deel van het leidingnet overschakelt op 100 %waterstof, moeten dan ook alle toestellen die op die leiding zijn aangesloten, geschikt zijn voor dat gas. Omdat waterstof vooral gezien wordt als een oplossing voor bestaande gebouwen, moeten die toestellen zoveel mogelijk compatibel zijn met de bestaande. In een ideaal geval gaat het niet om een vervanging van het hele toestel, maar om een ombouwkit van aardgas naar waterstof. Er is dus een nood aan een efficiënte waterstofketel die qua afmetingen en opbouw vergelijkbaar is met een gangbare aardgasbrander. Systeembouwer ebm-papst, met een lange ervaring in oplossingen voor verwarmingstoestellen, heeft zo een systeem ontwikkeld.
Hoger drukverlies
Vanuit het standpunt van de gas-luchttoevoer is de grootste uitdaging de veel grotere vlamsnelheid van waterstof ten opzichte van aardgas. Om een stabiele vlam op het branderoppervlak te garanderen, moet het gas-luchtmengsel dus met een veel hogere snelheid (tot tien keer hoger) worden geïnjecteerd. Dat wordt gerealiseerd door de perforaties in het branderoppervlak te verkleinen, om hogere uitstroomsnelheden te behalen. Die kleinere gaatjes en hogere snelheden betekenen op hun beurt een veel hogere drukval over de brander. Die drukval moet worden gecompenseerd door de ventilator.
In principe is dat geen probleem. Het volstaat om een krachtigere ventilator te plaatsen om het hogere drukverlies te compenseren, en de kous is af. Een dergelijke brute-kracht-aanpak is misschien wel effectief, maar niet de meest efficiënte. Het energieverbruik gaat de hoogte, de ventilator zelf wordt groter en duurder, kortom niet ideaal qua duurzaamheid. Als ventilatorspecialist zocht ebm-papst dus naar efficiëntiewinsten zodat men een gebruikelijke ventilator zou kunnen toepassen.
Het hele systeem optimaliseren
“Het drukverlies dat een branderventilator moet overwinnen, wordt hoofdzakelijk bepaald door drie componenten,” vertelt Jens Hermann, Team Lead Process Development Gas Technologies bij ebm-papst. “Er is de warmtewisselaar, de brander zelf en tenslotte het gas-lucht mengsysteem. Bij een overschakeling op waterstof verandert er niets aan de weerstand van de warmtewisselaar. Dat wordt bepaald door het ontwerp van de fabrikant. De weerstand van de brander gaat onvermijdelijk naar omhoog, omdat de doorstroomopeningen kleiner zijn. De enige manier om dat te compenseren zodat men toch nog een gebruikelijke ventilatormaat zou kunnen toepassen is om het verlies in het gas-lucht mengsysteem te verminderen. Hierop heeft ebm-papst zich toegespitst.”
Ebm-papst levert immers meer dan alleen maar een branderventilator. De firma heeft een volledig gastoevoersysteem ontwikkeld, met venturi, gaskleppen, branderregeling en vlambewaking. Door al die elementen te optimaliseren, heeft men het drukverlies kunnen reduceren. Op die manier kan men een brander bouwen voor waterstof, zonder dat er een krachtigere ventilator nodig is.
Dat maakt het gemakkelijker om waterstofversies van bestaande ketels en branders op de markt te brengen. Ebm-papst introduceert dit systeem op de ISH-beurs en werkt nu samen met vooraanstaande ketel- en branderfabrikanten aan concrete toepassingen.
Door Alex Baumans
Foto’s: ebm-papst
