In het HAN H2Lab op Industriepark Kleefsewaard in Arnhem doen onderzoekers en studenten van de HAN Arnhem Nijmegen, in het kader van het project Enowatts, onderzoek naar het rendement van de electrolyser. Met andere woorden: hoeveel van de elektriciteit die erin wordt gestopt, wordt omgezet in groene waterstof.

Voor en nadelen van het testen op kleine schaal

Het onderzoek wordt op kleine schaal uitgevoerd met een electrolyser van 300 Watt. Roel Jansen, onderzoeker en docent bij de HAN, zegt hierover: “Er zijn veel voordelen aan het op het kleine schaal testen van de electrolyser. Zo is een kleiner apparaat vaak goedkoper en kunnen er sneller testen en meer herhalingen worden uitgevoerd. Meer herhalingen betekent meer betrouwbaar zijn in het doen van uitspraken. Daarnaast is een voordeel dat het onderzoeken met een kleiner apparaat is veiliger vanwege de verminderde kans op explosiegevaar”

Nadelen zijn er uiteraard ook. Hoe kun je nu de resultaten vertalen naar de praktijk? Als voorbeeld noemt Roel het onderwerp warmte. “Hoe snel iets afkoelt, hangt af van de buitenkant. Als iets heel veel buitenkant heeft ten opzichte van de binnenkant, koelt het snel af. Bij een grote electrolyser is deze  verhouding anders dan met de electrolyser waar wij mee testen. Je moet dus goed nadenken over de relevantie van de testen voor de praktijk.”

Wat is de huidige stand van het onderzoek?

Het onderzoek is nu in de fase dat een systeem is opgebouwd, waarmee de testen onder geconditioneerde condities kunnen worden herhaald. De volgende fase is omdat dan ook te gaan doen. Het systeem is nu zo opgebouwd dat er geautomatiseerd herhalingen kunnen worden gedaan. Hierdoor zijn de condities zo goed mogelijk vergelijkbaar. Dus niet dat iemand dit om de 10 minuten zelf moet doen, maar het dus volautomatisch gebeurt.

Dynamische belasting

“Stel je voor dat je de electrolyser wilt gebruiken om zon of wind om te zetten in waterstof, dan heb je ook repeterende patronen van de opkomende en ondergaande zon. Door deze herhalende cycli zo goed mogelijk na te bootsen, kunnen we onderzoeken in welke mate het systeem slijt bij dynamische belasting.”

Het meten van deze dynamische belasting is belangrijk. Als voorbeeld licht Roel toe: ”Metaal bijvoorbeeld wordt moe na verloop van tijd. Door het regelmatig belasten, gaat het op een gegeven moment stuk. Ons systeem kan simuleren wanneer, en waar deze vermoeiing optreedt. Dit kunnen we testen door het systeem straks geautomatiseerd bijvoorbeeld 2000 keer achter elkaar te laten opstarten en afsluiten. Om vervolgens te onderzoeken wat dit doet met het wel of niet optreden van vermoeiing. Je kunt door deze onderzoeken dus iets zeggen over het verouderingsproces van het systeem, en daarmee iets over de economische haalbaarheid van het systeem.”

Met name het laatste onderdeel: veroudering van de onderdelen is belangrijk. Roel zegt hierover: ”Ieder systeem heeft bepaalde specificaties wat wordt aangeduid als ‘performance at beginning of life’. Deze specificaties worden echter steeds minder gunstig. Op gegeven moment komt er een moment dat hij niet meer economisch rendabel is. Je wilt graag weten wanneer het systeem (of delen ervan) moet worden vervangen.

Onderzoek naar de levensduur is dus belangrijk. We doen dit door het uitvoeren van een AST (Accelerated Stress Tests). Hierbij zetten we het systeem flink onder spanning. De resultaten hiervan kunnen we extrapoleren. Want de veronderstelling is dat als we resultaten op celniveau kennen en op bijvoorbeeld 10 cellen, we aardig kunnen voorspellen wat er gebeurd bij 100 of 1000 cellen”

Het gaat allemaal om veiligheid

In de afgelopen tijd zijn er al meerdere deelsystemen uitvoerig getest. Waarbij onderzoeksvragen gesteld werden als: wat gebeurt er als we 1 keer opstarten en weer stoppen? Wat als er iets gaat lekken, stopt het systeem dan ook vanzelf omdat wij er niet bij zijn? Wat als de tank met water sneller leeg gaat dan wij hadden bedacht, waardoor de stack kan beschadigen, stopt het systeem dan ook met meten? Dit gaat allemaal over veiligheid voordat je zo’n grote serie van herhalingen kunt uitvoeren.

Integratie van het systeem

De hardware en software van het systeem is zo gebouwd dat ervan wordt uitgegaan dat er modulair subsystemen aan kunnen worden toegevoegd. Bijvoorbeeld een opslagtank voor de waterstof. Want je kunt een electrolyser testen, maar misschien wil je de waterstof die geproduceerd wordt wel opslaan. Deze mogelijkheid is dus ingebouwd in de hardware, maar ook in de software van het systeem.

Schaalbaar systeem

Naast de modulaire opbouw is het belangrijk dat het systeem schaalbaar is. Een belangrijk begrip in de wereld van waterstof. Stel je wilt de waterstof gebruiken om deze om te zetten in elektriciteit, dan is de hard- en software voorbereid om hier een brandstofcel aan te koppelen. En kan er getest worden wat dit doet met het rendement van de waterstof. Deze gegevens zijn vervolgens te extrapoleren. Waardoor je kunt onderzoeken wat het waarschijnlijke effect is op grote schaal. Er is dus heel erg gedacht aan de integratie van het systeem en niet alleen op het testen van de electrolyser. “Want het is de integratie die uiteindelijk voor de praktijk relevant is” vervolgt Roel.

Resultaten tot nu toe

“We weten nu dat het systeem wat er gebouwd is werkt. Er wordt data geproduceerd welke overeenkomt met wat de theorie ons vertelt. Het systeem levert bruikbare gegevens op een veilige manier op. Bijvoorbeeld dat het aannemelijk is, nu we vaker het systeem achter elkaar opgestart en gestopt hebben, we dit ook 10.000 keer geautomatiseerd achter elkaar kunnen laten doen. Wat ook een belangrijk resultaat is, is dat we deze testen nu ook onbemand kunnen laten uitvoeren. Waarbij we zoveel vertrouwen hebben op de beveiliging dat we een broodje kunnen eten terwijl het systeem zijn werk doet.”

Een belangrijke uitkomst is ook, dat er contacten zijn gelegd met bedrijven die onderdelen leveren. Deze bedrijven willen ook bijdragen in natura en daarmee in het verder brengen van de opstelling. Ze stellen hun producten soms kosteloos aan ons beschikbaar. Een voorbeeld hiervan is de inzet van een geavanceerde waterstof sensor. Deze is ter bruikleen  gesteld door  het bedrijf Analytical Solutions and Products (ASaP) te Amsterdam .

Concreet resultaat ook dat er minstens 100 uur waterstof is geproduceerd. Voor een vermoeingsstudie is dit weliswaar niet voldoende, maar het geeft een aannemelijk betrouwbaar beeld van wat de productie van waterstof doet met de veroudering van het systeem.

Resultaat is ook dat de opstelling gebruikt gaat worden voor een TKI-onderzoek (Topconsortium voor Kennis en Innovatie) samen met HyGear. Belangrijk volgens Roel, omdat ze hierdoor goed voeling houden met wat de wensen van het bedrijfsleven zijn.

Want zegt Roel: ” Waterstof produceren is 1 ding, maar  waterstof van voldoende kwaliteit produceren tegen acceptabele kosten is veel belangrijker. Dit onderzoek gaat hier dan ook voornamelijk naar kijken. Welke kwaliteit waterstof moet je produceren om te kunnen gebruiken in een brandstofcel. Wat gebeurt er onder dynamische condities (het aanbod van energie fluctueert immers) met de kwaliteit van de waterstof?”

Relatie tot onderwijs

De studenten die onderdeel uitmaken van het onderzoeksteam hebben meegeholpen bij het bouwen van de hardware. Bij het in- en aan elkaar schroeven van het systeem. Ze hebben gezocht naar leveranciers voor onderdelen van het systeem.  Daarnaast hebben ze deelsystemen  getest en resultaten geanalyseerd, en helpen ze bij het gestructureerd nadenken over de volgorde van de testen. Doordat ze bijvoorbeeld afstudeerpresentaties geven helpen ze ook bij het uitdragen van de onderzoeksresultaten. Wat Roel ook erg aanspreekt is de kritische houding van de studenten. Hierdoor wordt het onderzoek en daarmee de resultaten nog relevanter voor het werkveld.

Wat het onderwijs op deze manier krachtig maakt is dat de studenten zelf kunnen onderzoeken en ervaren hoe het systeem in elkaar zit en werkt. Ze halen de kennis daardoor niet alleen op uit de boeken, maar ervaren letterlijk wat het systeem doet. Door deze opstelling wordt er in het lesmateriaal gebruik gemaakt van grafieken die ze zelf produceren. Ze krijgen dus niet alleen het theoretische kader mee, maar ook de praktijkkant.

Volgens Roel is dat van onschatbare waarde voor de studenten en hun kansen op de arbeidsmarkt en zegt hij afsluitend: “Het is voor studenten toch veel aantrekkelijker om praktijkgericht onderwijs te krijgen in plaats van het alleen te leren uit de boeken”

Wil je meer lezen over het project Enowatts? Lees dan ook deze artikelen Het unieke Waterstofinvesteringsmodel, Van proberen kun je leren: elektrisch voertuig ombouwen tot waterstof en Sustainability Challenge: Massa- en energiestromen in en uit IPKW.