Een werktuigbouwer in waterstof | Sander Heydenrijk over zijn afstudeeropdracht én werk bij RBZ Services (longread)

Auteurs: Teun Hoek (Groene Waterstof Booster), Sander Heydenrijk (RBZ Services)

Sander Heydenrijk is vierdejaarsstudent Werktuigbouwkunde aan de Hanzehogeschool Groningen. Er zit een tweedeling in deze opleiding. Het gedeelte machinebouw is vooral gericht op krachten, sterkte, bewegingen en de efficiënte samenstellingen hiervan. Het gedeelte installatiebouw is gericht op energie, watersystemen, luchtbehandeling, gebruikscomfort, zeg maar energiestromen ‘van A naar B’.

Sander wilde altijd al iets met natuurkunde en wiskunde doen. Zo is hij bij de opleiding Werktuigbouwkunde terecht gekomen. De energietransitie werd steeds relevanter. Sander vertelt: “Hoe breng je mensen samen, hoe wek je duurzame energie op en hoe pas je deze duurzame energie toe? Maar ook welke invloed de duurzame opwek kan hebben op ecologische processen er omheen, of wat voor planologische complicaties dit op lange termijn met zich mee kan brengen. Tot nu toe ben ik nog nauwelijks met de laatste punten bezig geweest, maar het zijn wel onderwerpen die mij erg interesseren.”

Voor Sander was het al snel duidelijk dat de energiekant hem erg aansprak en de machinekant van de opleiding Werktuigbouwkunde iets minder. Dat is een persoonlijke voorkeur die uiteraard verschilt per student. Hij maakte daar gerichte keuzes op bij het kiezen van stage, minor en momenteel zijn afstudeeropdracht. Dat duurzaamheid steeds belangrijker wordt is ook te zien in het curriculum van de opleiding Werktuigbouwkunde. Sander: “Bij ons ging het in jaar 2 nog ‘gerust’ over vervuilende gasinstallaties in fabrieken, tegenwoordig is dat al meer gericht op de duurzamere varianten. Aan de andere kant, die basis heb je nu eenmaal nodig. Het maakt ook niet uit in welke sector je de theorie toepast, de natuurkunde erachter blijft hetzelfde. In het derde jaar heb ik samen met medestudenten en met de docentbegeleider D.A.G. Kurstjens en het lectoraat van voormalig EnTranCe lector Klaas-Jan Noorman discussiesessies bijgewoond over de duurzame energiemix en het verkennen van mogelijkheden voor een warmtenet in de regio Middag-Humsterland. Hierbij was de projectgroep de drijvende kracht achter het opzetten van het technische gedeelte in dit verkenningstraject.” De mens betrekken bij techniek en innovatie.

Afstudeeropdracht

Het vinden van een passende afstudeeropdracht was zo eenvoudig nog niet. Sander zat negen maanden thuis, doordat hij geen opdracht kon vinden door corona. Dit gold voor veel studiegenoten. Was dit achteraf een groot obstakel? Sander: “Ik heb daardoor even stilstand gehad en mij opnieuw moeten inlezen in de theorie. Bijvoorbeeld, hoe werkt zo’n WKK nu in de praktijk? Überhaupt het aan het werk gaan na negen maanden stil zitten was even pittig, maar het wende snel.”

Het was voor hem geen bewuste keuze om te kiezen voor iets met waterstof. Waar Sander eerst naar keek, is wat er zoal beschikbaar was aan opdrachten. Wat opviel, als het over energie gaat, dan komen begrippen als energietransitie en duurzaamheid bij vrijwel alle organisaties meteen om de hoek kijken. “Ik wist nog niet veel over waterstof. Daarom sprak deze opdracht mij erg aan. Wat kan waterstof nu en in de toekomst betekenen? Een mooie aanvulling op eerder werk waar ik mij mee bezig heb gehouden.”

De bedrijven

Roukema BV houdt zich bezig met zogenoemde warmtekrachtkoppelingen (WKK’s). Roukema is exploitant van WKK’s installaties. Daarnaast doen ze aan totaal ontzorgen voor klanten en het analyseren, optimaliseren en innoveren van installaties en technieken. Doelgroepen zijn onder andere grootgebruikers als ziekenhuizen, vakantieparken, hotels, zwembaden en sauna’s. Sander: “Het is de perfecte werktuigbouwkundige toepassing, Je hebt een grote gasmotor (machine) die toegepast wordt voor de energievoorziening (warmte en elektra). Hoe ga je die optimaliseren? Hoe ga je de geproduceerde energie goed inpassen in een bestaand systeem? Ga je dit toespitsen op het technische, het milieuvriendelijke of het bedrijfseconomische vlak, of allemaal? Daar zit weer een link met de brede kennis die je krijgt vanuit de opleiding en ook nodig hebt voor dit werk. Ik heb altijd ‘dingen op een groter niveau willen begrijpen’.”

Het bedrijf RBZ services werkt nauw samen met Roukema B.V. en is gericht op de installatie, het onderhoud en de overige uitvoerende werkzaamheden. Voor dat organisatiedeel doet Sander zijn afstudeeropdracht. Het oorspronkelijke idee: een haalbaarheidsonderzoek voor een duurproef met een waterstof-WKK op basis van de duurzaam lokaal geproduceerde waterstof. De waterstofproductie zou plaatsvinden bij EnTranCe met een elektrolyser die gevoed zou worden met duurzame elektriciteit. Deze waterstof zou dan door de WKK verbruikt worden om zo de waterstof specifieke componenten te kunnen testen. Door de verkoop van de geproduceerde warmte en elektriciteit afkomstig van de WKK kan genoeg winst gegenereerd worden om de installatie te bekostigen. Dat liep iets anders. Sander: “Begin mei 2021 bleek dat de duurzame installatie niet beschikbaar gesteld zou worden voor dit onderzoek. Daardoor veranderde mijn opdracht aanzienlijk. Het plan is omgegooid en nu wordt de winst gebruikt voor zowel de installatie als de inkoop van waterstof.” Een verschuiving van een technische naar een meer financiële opzet van het onderzoek.

Waterstof

Het aanbod van duurzaam geproduceerde elektriciteit kent hevige weersafhankelijke fluctuaties, om dit variabele aanbod te kunnen reguleren is er een vorm van opslag nodig. Het beste argument voor de toepassing van waterstof komt voort uit het gebrek aan een efficiënte vorm van grootschalige elektriciteitsopslag. De keuze voor waterstof is grotendeels een politieke keuze, volgens Sander. “Hier wordt subsidie ingepompt, daardoor komen er meer innovaties die ook vaker toegepast gaan worden en dus ook bekender en betaalbaarder worden. Het wordt ‘plug-and-play’ zodra de benodigde infrastructuur gereed is en de waterstof gebruiksapparatuur betaalbaar is, net zoals in de jaren 60 bij de omschakeling naar aardgas.”

Op de vraag of groene waterstof de sleutel voor de energietransitie is, antwoord hij dat hij zeker voorstander is van het gebruik van waterstof in de transportsector en industrie. Sander: “Een vrachtwagen met accupakket kent meteen veel nadelige factoren, zo zijn gewicht en volume momenteel al de bottlenecks in transport. Accupakketten zijn groot en zwaar, helemaal als een volgeladen vrachtwagen er een paar honderd kilometer mee moet kunnen rijden. Soms is elektrisch gewoon geen optie. Dan is de keuze voor waterstof in deze sectoren heel gerechtvaardigd.” Daarnaast zal het transporteren van grote energiestromen met waterstof efficiënter en goedkoper zijn dan met elektriciteit. De transportcapaciteiten van waterstof en elektriciteit bij een vergelijkbare investering zijn hieronder te zien in tabel 1.

Tabel 1: De transportcapaciteiten van vergelijkbare investeringen in elektriciteitskabels en pijpleidingen.

“Aardgas is vies”, klinkt het volgens Sander steeds vaker in Nederland, terwijl er nog volop kolen gestookt worden op meerdere locaties in Nederland. Dit komt door het stigma dat de aardgaswinning in Groningen met zich mee heeft gebracht. In veel landen wordt nu pas overgeschakeld van kolen naar aardgas vanwege de schonere uitstoot. De gevolgen van het afschalen van de Nederlandse gaswinning zijn al te merken in de hevig fluctuerende gasprijzen van de afgelopen tijd: we zijn afhankelijk van anderen. Volgens hem moeten we oppassen met die afhankelijkheid. Hij is daarom een voorstander van het zelf in de hand houden van je energievoorziening en dit kan met waterstof.

Gasverbruik in huishoudens

Sander is geen voorstander van het gebruik van een gas voor enkel de warmtevoorziening van huishoudens. Gas is een hoogwaardige energiebron, warmte is de meest laagwaardige vorm van energie. “Je hebt een gasvlammetje van 1200 graden, om het cv-systeem op 80/60 te houden, om daarmee de aangename kamertemperatuur van zo’n 20 graden te krijgen. Temperatuur is bij warmtestromen een mate van kwaliteit, de bruikbaarheid van een energiestroom, door het mengen van temperatuurstromen gaat de bruikbaarheid en dus de kwaliteit verloren.” Deze mate van bruikbaarheid wordt aangeduid met de term ‘exergie’. In de afbeelding 1 zijn de energetische en de exergetische efficiëntie van een gasketel weergegeven.

De term exergie wordt ook gebruikt om de hoeveelheid ‘arbeid’ (=verplaatsing met een kracht) die met een energiestroom gerealiseerd kan worden aan te duiden. Denk bijvoorbeeld aan de beweging die een auto krijgt door een brandstof te verbranden of een mixer die beweegt door elektriciteit.

Het energieverbruik van een gemiddeld Nederlands huishouden bestaat uit ongeveer 20%  elektriciteit en 80% warmte. Hierbij moet wel vermeld worden dat een gemiddeld Nederlands huis geen nieuwbouw betreft, bij een energiezuinig huis is de verdeling van het energieverbruik anders. Zo is het aandeel elektriciteit hoger vanwege een kleinere totale warmtebehoefte, en is warm water een groter aandeel van de totale warmtebehoefte.

Wanneer je een huis wilt verwarmen met groene waterstof betekent dat:

–          Duurzame elektriciteit wordt opgewekt met zonnepanelen/windmolens

–          De duurzame elektriciteit wordt naar een elektrolyser getransporteerd

–          De elektrolyser maakt waterstof uit gezuiverd water met behulp van de duurzame elektriciteit

–          De waterstof uit een elektrolyser is nog nat en moet gedroogd worden voor het opgeslagen/getransporteerd/gebruikt kan worden

–          Waterstof wordt getransporteerd naar een huishouden

–          Waterstof wordt verbrand in een gasketel

Alle schuingedrukte delen in de tussenstappen gaan gepaard met een verlies. Elke keer dat duurzaam geproduceerde waterstof (inefficiënt) verbrand wordt in een ketel, worden deze verliezen gemaakt. In het geval van duurzame energie staat de productiecapaciteit gelijk aan een benodigd oppervlak, en daar hebben we in Nederland niet heel veel van. Ter verduidelijking zijn de punten hieronder nog eens vermeld:

–          gasverbranding voor warmte is niet efficiënt;

–          duurzaam waterstof produceren om vervolgens te verbranden gaat gepaard met veel verliezen;

–          de beschikbare ruimte voor duurzame energie is beperkt in Nederland.

Om deze redenen ben ik geen voorstander voor het gebruik van gas voor enkel de warmtevoorziening van huishoudens. Ik ben er van overtuigd dat de ruimte die we hebben in Nederland beter benut wordt wanneer er meer collectieve ideeën komen die verder kijken dan ‘gas=warmte’.

Zo zou je integrale oplossingen kunnen bedenken die terugblikken op de oorsprong van het waterstofverhaal: het reguleren van de variabele duurzame elektriciteitsproductie. Bijvoorbeeld een brandstofcelopstelling of WKK-systeem als elektriciteitsvoorziening in de avond/nacht waarbij de restwarmte nuttig toegepast wordt in een woonwijk. Dit is natuurlijk geschreven met een technische blik. Als blijkt dat waterstof in de toekomst spotgoedkoop is dan kunnen deze ideeën financieel gezien niet uit ten opzichte van een goedkope gasketel met een goedkope brandstof.

De vraag over de maatschappelijke implicaties van waterstof is lastig te beantwoorden, volgens Sander. “De maatschappij is heel groot en divers. Voor de industrie en transport zal waterstof dé oplossing zijn, het is grootschalig en duurzaam te produceren, het bevat geen koolstof en er kan veel energie in opgeslagen worden en uit vrijgemaakt worden. Voor huishoudens zal waarschijnlijk ook gestuurd worden op het gebruik van waterstof in een gasketel, want ‘zo hebben we het altijd al gedaan’.”

Het onderzoek

Sander vertelt over de meest interessante bevindingen. “Als je 40 volumeprocent waterstof bij het aardgas mengt, dan krijg je bij een vergelijkbare H2-WKK output een CO2-emissie reductie van 20 procent, ten opzichte van het gebruik van 100% aardgas in dezelfde WKK. Dat is relatief een flink verschil in verhouding, 40% voor 20%. Als je momenteel een WKK (elektriciteit en warmte) inzet tegenover een kolencentrale (elektriciteit) en een gasketel (warmte) dan krijg je een CO2-emissie reductie van 46 procent. Wanneer je de WKK uitzet tegen een STEG-centrale (stoom en gas centrale, elektriciteit o.b.v. aardgas) en een gasketel krijg je een CO2-emissie reductie van 17 procent. WKK’s zijn de efficiëntste toepassing van fossiele brandstoffen, dit komt door het hoge rendement dat behaald kan worden door de gecombineerde opwek van warmte en elektriciteit. Daardoor is het beter om in te zetten op aardgas WKK’s ten opzichte van kolencentrales, dan te kiezen voor het bijmengen van waterstof bij aardgas in WKK’s. Dit had ik begin februari niet verwacht.” De uitwerkingen met bijbehorende referentiewaarden zijn te zien in de tabellen 2 en 3.

Tabel 2: De referentie waarden voor de CO2-emissie reductie berekening.

Tabel 3: De CO2-emissie reductiefactor berekening voor aardgas in de WKK t.o.v. conventionele methodes

De toekomst

Hard werken wordt beloond, want Sander heeft een baan bij RBZ services aangeboden gekregen. Sander vertelt enthousiast: “Het bedrijf is bezig met innovatie én energietransitie. Er is veel interne kennis. Oftewel, een perfecte ontwikkelomgeving voor mij. Zowel voor de engineering als de uitvoering als projectmanagement kan ik hier veel kennis opdoen. Alles wat ik nog kan en moet leren, kan hier in de praktijk met gedreven collega’s.”

Er is toegezegd dat als het afstuderen goed afloopt Sander aankomende zomer het project zelf in de uitvoering mag gaan brengen. Dat betekent dat de waterstof WKK in de praktijk gerealiseerd zal worden. “Ik ben vanaf het vooronderzoek betrokken. Bij het uitvoeren van de haalbaarheidsberekeningen, het bij elkaar brengen van partijen, etc. Als iedereen doet wat die zegt op dit moment, dan staat er volgend jaar gewoon zo’n apparaat waar veel kennis opgedaan kan worden over de praktische toepassing van waterstof. Dat vind ik mooi.”