Converters voor het waterstoflab van EnTranCe - Blog

Door Tom Tieben en Sander Kiers, afstudeerstudenten van de opleiding Elektrotechniek

Er worden steeds meer duurzame energiebronnen ingezet in Nederland – met name zonnepanelen en windturbines – wat zorgt voor een energieopbrengst die afhankelijk is van de weersomstandigheden. Dit zorgt ervoor dat er momenten zijn dat er meer wordt opgewekt dan er vraag is en dat er momenten zijn dat deze duurzame energiebronnen niet genoeg opwekken. Dan moet er alsnog energie opgewekt worden met niet- duurzame energiebronnen. Om dit gat van vraag en aanbod te dichten, moeten de energie overschotten tijdelijk opgeslagen worden, zodat deze energie later vrijgemaakt kan worden in perioden waarbij er meer vraag dan aanbod is. Waterstof lijkt hiervoor geschikt en de in het waterstof opgeslagen energie kan eenvoudig en efficiënt vrijgemaakt worden met brandstofcellen.  EnTranCe wil hiervoor een waterstoflab aanleggen om meer inzicht en kennis te verkrijgen in toepassingen op waterstof.

Waterstof als energiedrager

Waterstof lijkt de geschikte eigenschappen te hebben om gebruikt te worden als opslagmedium voor de (duurzaam opgewekte) energie. Er is namelijk een hoge energiedichtheid mogelijk met waterstof – aangezien het waterstofgas samendrukbaar is – en is het opslaan en vrijmaken van de energie ook relatief eenvoudig en efficiënt. Ondanks dat er verliezen optreden bij het opslaan en vrijmaken van de energie in waterstof, is het enkel rendabel om de energie op te slaan bij perioden waarin er meer aanbod dan vraag is qua energie. Zo hoeven er bijvoorbeeld geen windturbines stilgezet worden doordat de vraag naar energie te laag is, maar kunnen ze ingezet worden om de opgewekte energie op te slaan door middel van elektrolyse. Het door elektrolyse gegenereerde waterstofgas kan – in perioden waarin wél voldoende vraag is – vrijgemaakt worden met behulp van een brandstofcel. Het proces in de brandstofcel is een soort omgekeerde elektrolyse – waarbij waterstofgas en zuurstofgas continu aangevoerd worden – en er een elektrisch vermogen en restwarmte wordt gegenereerd, met als bijproduct water. Er komen dus geen schadelijke stoffen vrij bij de omzettingsprocessen!

Het waterstoflab voor toegepast onderzoek

Om meer inzicht te krijgen in toepassingen met waterstof als energievoorziening, wil EnTranCe een waterstoflab opzetten. Hierbij zal een brandstofcel dienen als energievoorziening – welke waterstof als brandstof krijgt. Het probleem met brandstofcellen is dat de uitgangsspanning afhangt van de belasting. Naarmate de brandstofcel sterker belast wordt, zal de spanning verder dalen. De meeste toepassingen vereisen echter een constante, belastings onafhankelijke spanning.  Het doel is dan ook om de variabele (gelijk-)spanning die de brandstofcel genereert, te verhogen naar een hogere, vaste spanning. Zo kan dit systeem ingezet worden voor allerlei praktische toepassingen. Denk hierbij aan het aandrijven van elektromotoren of het terug leveren van energie aan het elektriciteitsnet.

Zo hebben enkele studenten van de opleiding werktuigbouwkunde zich al beziggehouden met de automatisering van het brandstofcelsysteem, maar dient er nog een voorziening te komen om de uitgangsspanning hiervan te verhogen. Hier hebben Sander Kiers en ik ons mee bezig gehouden – in de vorm van een afstudeeropdracht – waarbij we elk een converter ontwikkeld hebben die geschikt is voor het brandstofcelsysteem. Er is gekozen om de omzetting in twee stappen te doen omdat het een te grote stap bleek om deze omzetting in een keer te kunnen doen. Een conversie in één stap leidt immers tot veel verliezen en/of tot een erg complex systeem. De positie van de converters voor het waterstoflab zijn in de onderstaande afbeelding schematisch weergegeven met groen en gele stippellijnen.

De principiële werking van de ontworpen converters hebben we tijdens het afstuderen aangetoond, maar is het nog niet zo ver om deze converters te koppelen ‘achter’ het brandstofcelsysteem. Een andere afstudeerder zal het traject voortzetten en gaat een van de converters verder testen en optimaliseren, zodat deze wel gekoppeld kan worden aan de brandstofcel. Hierbij wordt meer inzicht verkregen in de karakteristieke eigenschappen van zo’n brandstofcelsysteem op waterstof en hoe deze zich gedraagt bij verschillende toepassingen. Naarmate er meer bekend is over het gedrag van het brandstofcelsysteem bij verschillende belastingtypes, kan de converter steeds verder ontwikkeld worden. De converter kan dan ingezet worden voor allerlei toepassingen waarbij een brandstofcel op waterstof gebruikt wordt.