Om voldoende elektriciteit voor de energietransitie te kunnen genereren, wordt hard gewerkt aan oplossingen. Zo ontwikkelt Thomassen Energy een goede en veilige gasturbine die (uiteindelijk) op pure waterstof moet kunnen draaien. Het proces in de verbrandingskamer kent echter nog vele geheimen. Wetenschappers van onder andere de TU Eindhoven en TU Delft ontrafelen die momenteel. Hiervoor stelde Roy Hermanns het consortium Helios samen dat als Europees gefinancierd project onlangs een serie testen succesvol afrondde.
Waterstof als brandstof lijkt ideaal. Het enige restproduct bij verbranding is water terwijl bij de verbranding van fossiele brandstoffen als aardgas en benzine het broeikasgas CO2 in ruime mate vrijkomt. Omdat in een tijd van klimaatverandering juist een focus ligt op het reduceren van CO2-emissies, zijn er de afgelopen jaren onder meer testen gedaan met verwarmingsketels waarin waterstofgas aan aardgas wordt toegevoegd. Minder aardgas verbranden, minder CO2-emissies. Ook de grotere gasturbines gaan in de ontwikkelingen mee waarmee industriële toepassingen op waterstof steeds realistischer worden. Hetzelfde geldt voor de productie van elektriciteit door dit type turbine; zeker wanneer gebruik wordt gemaakt van zogenaamd ‘groene’ waterstof. Deze waterstofvorm wordt geproduceerd met duurzame energie afkomstig van bijvoorbeeld wind of zon en is derhalve ook in de productiefase ‘duurzaam’.
DEZE ARTIKELEN OVER WATERSTOF VIND JE VAST OOK INTERESSANT:
- Volvo test truck met HPDI waterstof-verbrandingsmotor
- Mega-waterstofinstallatie bij tulpenbroeier Rainbow Colors
- Grootschalige inzet waterstof vraagt nog flink wat stappen
Niet zo eenvoudig
Toch is het allemaal niet zo simpel als het lijkt. Aan de ene kant is er – heel praktisch – een tekort aan groene waterstof. Anderzijds is het gecontroleerd verbranden van waterstofgas helemaal niet zo eenvoudig. Onder meer Thomassen Energy ondervond bij de ontwikkeling van een waterstofgasturbine al de nodige uitdagingen. Dit bedrijf bouwt al ruim vijftig jaar gasturbines voor de industrie en de productie van elektriciteit. Deze werken op aardgas en zijn niet één-op-één te gebruiken voor het verbranden van waterstofgas. Een van de belangrijkste uitdagingen is het creëren van een stabiele vlam in de brander. Waterstof verbrandt namelijk sneller dan bijvoorbeeld aardgas, waarmee de eigenschappen van de vlam lastiger zijn te controleren. Dit heet vlaminstabiliteit. Daarnaast is waterstof lichter en sneller dan andere gassen. Bij het mengen ervan met bijvoorbeeld aardgas, bestaat de kans dat waterstof zich in de reactor op bepaalde plekken ophoopt in de buurt van de brander van de gasturbine.
Fenomenen als vlaminstabiliteit kunnen leiden tot zogenaamde ‘vlamterugslag’. Dit wordt ook wel het klapperen van een vlam genoemd, wat betekent dat het gas niet gelijkmatig maar met horten en stoten verbrandt. In het ergste geval kan de installatie hierdoor uitvallen. In het geval van een gasketel die een woning verwarmt is dat hoogstens vervelend; wanneer het gaat om grootschalige productie van elektriciteit wordt het een onoverkomelijk probleem.
Europees project Helios
Het vraagstuk van Thomassen Energy kwam terecht bij dr. ing. Roy Hermanns van de TU Eindhoven. Hermanns is een groot voorstander van het combineren van fundamenteel onderzoek en de praktijk. “In bepaalde gevallen proberen we de resultaten van fundamenteel onderzoek te vertalen naar iets wat nuttig is voor toepassing in de praktijk. In dit geval gaat het om een vraagstuk vanuit een bedrijf dat dermate complex en interessant is, dat het geschikt is als basis voor wetenschappelijk onderzoek.”
Hermanns zette voor dit specifieke vraagstuk een project op dat hij zelf ook coördineert en waarvoor hij zorgvuldig een consortium heeft samengesteld. Onder de naam Helios wordt inmiddels al drie jaar gewerkt aan het ontwikkelen van de benodigde technologie voor waterstofverbranding. Dit als een retrofit oplossing die gebaseerd is op het bestaande verbrandingsconcept van Thomassen Energy en bekend staat als de FlameSheet-technologie. Hij legt uit: “Er bestaan wereldwijd diverse verbrandingsprocessen die onder andere verschillen door het moment of de plaats waar waterstof en zuurstof mengen of de manier en plaats van ontsteken. Voor dit onderzoek gaan we uit van het verbrandingsproces van Thomassen en willen hiervoor een diepgaand, fundamenteel begrip krijgen van waterstofverbranding. Dit combineren we met geavanceerde numerieke modelleringstechnieken en meettechnieken voor waterstofverbranding in een verbrandingskamer op ware grootte. Wanneer we precies begrijpen hoe waterstof in een turbine verbrandt, zullen we pas in staat zijn een turbine te ontwerpen die 100 procent op waterstof kan draaien. We beginnen niet helemaal bij nul aangezien het al wel mogelijk is om de turbines betrouwbaar op een mengsel van aardgas en waterstof te laten draaien. 100 procent waterstof is echter het ultieme doel.”
Subsidie
De doelstellingen die Hermanns nastreeft zijn onder meer afkomstig van subsidieverstrekker ‘EU Clean Hydrogen Partnership’. Zij focussen op een eindresultaat dat volledige flexibiliteit biedt in brandstofmengsels. Dit betekent dat het systeem moet kunnen draaien op elk mengsel tussen 100 procent aardgas en 100 procent waterstof. Dit is óók belangrijk omdat de samenstelling van gassen niet in elk land even nauwkeurig en hetzelfde is. Daarnaast moeten in de eindoplossing de NOx emissies worden verlaagd. Deze stikstofverbindingen ontstaan doordat de zuurstof waarmee het waterstof reageert afkomstig is uit gewone buitenlucht; en die zit vol met stikstof.
Verder gaat EU Clean Hydrogen Partnership ervan uit dat in het project Helios het bestaande verbrandingssysteem van Thomassen zodanig wordt gemodificeerd dat het veilig kan opereren op 100 procent waterstof bij hoge verbrandingstemperaturen. Tot slot moet de oplossing zijn toe te passen als nieuwbouw- of retrofit-optie voor bestaande gasturbinesystemen op de markt met een vermogen variërend van 1 tot 500 MW. Dus ook geschikt voor gasturbines in de (zware) industrie.
Resultaten tot nu toe
Om dit waar te kunnen maken, is onder meer gewerkt aan nauwkeurige numerieke modellen waarmee betrouwbare simulaties zijn uit te voeren. Deze modellen zijn via studenten van de twee universiteiten inmiddels zeer gedetailleerd beschikbaar en worden nu vereenvoudigd om simulaties op realistische schaal werkbaar te houden. Daarnaast is er een nieuwe meetmethode ontwikkeld om nieuwe ontwerpen uiteindelijk te kunnen testen op het eerdergenoemde probleem van vlaminstabiliteit. Eén van de bijzondere kenmerken van de nieuwe meetmethode is dat de metingen realtime zichtbaar zijn te maken en niet pas achteraf na het bewerken van de resultaten. De vlamstabiliteit is hiermee direct tijdens de testen te volge, wat het begrip omtrent de verbranding van waterstof vergroot.
De nieuwe meetmethode is mede ontwikkeld door Centro Combustione Ambiente S.R.L. (CCA) in Bari, Italië. Op deze locatie zijn ze ook ingezet voor een zogenaamde atmosferische testcampagne die afgelopen jaar is afgerond. De uitwerking van de resultaten volgt in een later stadium. De testen vinden bewust plaats onder atmosferische druk. Ze zijn echter zodanig geschaald dat ze toch zijn te gebruiken voor het vastleggen van een representatief vlamgedrag en verbrandingsdynamiek. In dit geval dus van het FlameSheet-systeem.
Tijdens de atmosferische tests zijn de nieuwste prototypen beoordeeld op thermo-akoestische prestaties, terugslagbestendigheid (flashback) en emissies bij waterstofgehaltes variërend van 0 procent tot 100 procent. Hermanns: “Op al deze gebieden zijn aanzienlijke verbeteringen aangetoond wat natuurlijk een prima basis is om met deze prototypes door te gaan.”
Nu verder
Het Helios-project startte met tests in een verbrandingsopstelling onder gecontroleerde laboratoriumcondities (Technology Readiness Level, TRL 4). De atmosferische proeven leidden tot TRL 5. Dit betekent dat dit laatste jaar zal worden gewerkt aan een opstelling die onder realistische omstandigheden in een relevante omgeving kan worden toegepast (TRL 6). Dit is ook einddoel van het project. De resultaten van deze laatste projectstap moeten worden gevalideerd door hogedruktests op volledige schaal.
Hermanns: “Naast de technische ontwikkelingen zal Helios de opkomst van een enorm innovatief ecosysteem versnellen en de economisch haalbare commerciële adoptie van deze technologie op schaal mogelijk maken. Het koolstofvrij herbestemmen van bestaande energiecentrales is essentieel als aanvulling op de massale invoering van inherent variabele hernieuwbare energiebronnen. Gasturbines bieden namelijk netstabiliteit terwijl ze tegelijkertijd de nodige regelbare capaciteit leveren om het net in balans te houden. Het Helios-project zal hiermee een aanzienlijke bijdrage leveren aan het oplossen van de grote uitdagingen waar Europa voor staat: het creëren van een energiesysteem dat veilig, concurrerend, schoon, flexibel en veerkrachtig is.”
