De uitdaging
Waterstof inzetten als brandstof verlaagt de CO₂-uitstoot van industriële verwarmingsprocessen. Als branderfabrikant ontwikkelen wij daarom een installatie die werkt, betaalbaar blijft en veilig is. Voor de ontwikkeling en tests werken we samen met energie-ingenieursbureau DNV in Groningen, met uitgebreide testfaciliteiten.
Waterstof gedraagt zich anders dan aardgas. De calorische waarde, dichtheid, verbrandingssnelheid, vlamtemperatuur en het dauwpunt van rookgassen verschillen. Op dit moment is waterstof beperkt beschikbaar en relatief duur. Op langere termijn kan het aardgas volledig vervangen.
Veilige werking
Omdat waterstof nu nog beperkt beschikbaar en betaalbaar is, zijn we gestart met mengsels van waterstof en aardgas. We hebben het aandeel waterstof stapsgewijs verhoogd en aardgas afgebouwd. Zo ontstond een brandersysteem dat werkt met elke samenstelling: 100% aardgas, 100% waterstof en alle mengvormen daartussen. De brander past zich automatisch aan en hoeft niet handmatig te worden ingesteld.
In de testopstelling gebruikten we een Zantingh ventilatorbrander op een 3-treks cv-ketel van 475 kW. De brandstof/luchtverhouding en het vermogen worden geregeld met een intern ontwikkeld, brandstofadaptief regelsysteem, gekoppeld aan een Siemens brandermanagementsysteem.
Een feedforward regelsysteem houdt het zuurstofpercentage in de rookgassen en de warmte-input constant, ongeacht het waterstofaandeel. In de brandstofleiding meet een gaskwaliteitssensor de samenstelling. Deze gegevens gaan naar een PLC, waarin het verbrandingsalgoritme draait. Dat algoritme berekent continu de benodigde brandstof- en luchtstromen voor de gevraagde verhouding en het gewenste vermogen.
Tijdens de tests hebben we continu NO, NO₂, CO, CxHy en zuurstof gemeten. Ook bij veranderingen in luchtbehoefte en Wobbe-index blijft het systeem stabiel werken. Het zuurstofpercentage en de warmte-input blijven constant.
Het vlambeeld verandert zichtbaar. Aardgas geeft een blauwe vlam, waterstof een meer oranje vlam. Bij mengsels van 0 tot 100% waterstof blijft de vlam stabiel en stijgt de branderoppervlaktetemperatuur niet merkbaar.
Door de hoge vlamtemperatuur ontstaat bij waterstofverbranding thermische NOx. Met rookgasrecirculatie brengen we deze emissies onder de wettelijke norm.
Betaalbaar
Waterstof stoot bij verbranding geen CO₂ uit. Een belangrijk voordeel is dat bestaande ketels, ovens en installaties grotendeels bruikbaar blijven. U hoeft uw proces niet volledig te herontwerpen. Dat houdt de investeringen lager dan bij volledige elektrificatie.
Elektrische oplossingen kunnen CO₂ verlagen, maar zijn niet altijd technisch of economisch haalbaar. Vaak is een zware netaansluiting nodig, die door netcongestie niet beschikbaar is. In sommige processen is directe interactie tussen rookgassen en product noodzakelijk. Waterstof biedt dan een werkbaar alternatief.
Op basis van de tests concluderen we dat dit brandersysteem de inzet van waterstof mogelijk maakt binnen het bestaande gasnet. Tijdens de overgang én in de situatie waarin aardgas volledig is vervangen.
Achtergrond: waterstof als brandstof
Waterstof is het lichtste en meest voorkomende element. Het is kleurloos, reukloos en ontvlambaar. Bij verbranding ontstaat alleen waterdamp. Daarom wordt het gezien als energiedrager voor het verduurzamen van de industrie.
Waterstof komt niet vrij voor in de natuur en moet worden geproduceerd, bijvoorbeeld via elektrolyse van water. Als daarvoor duurzame elektriciteit wordt gebruikt, spreken we van groene waterstof.
Waterstof kan aardgas vervangen in industriële processen. Transport kan grotendeels via het bestaande gasnet. Er wordt gewerkt aan infrastructuur voor productie, transport, opslag en import. Opslag kan onder andere in zoutcavernes. Zo kan overtollige energie uit zon en wind worden benut.
Onderzoek van Hydrogen Europe laat zien dat een combinatie van elektriciteitsnet en waterstofnet op Europees niveau goedkoper is dan alleen uitbreiding van het elektriciteitsnet. Voor de periode 2030–2050 kan dat honderden miljarden euro’s schelen.
De Europese Commissie verwacht dat elektriciteit in 2050 ongeveer 50% van de energievraag dekt. Om dat mogelijk te maken moet het elektriciteitsnet sterk worden uitgebreid. Investeringen daarin zijn aanzienlijk hoger dan de investeringen in waterstofinfrastructuur.
Het toekomstige waterstofnetwerk groeit naar verwachting tot meer dan 50.000 km in 2040. Ongeveer 60% bestaat uit hergebruikte gasleidingen. Dat verlaagt kosten en verkort doorlooptijden. Europa zal ook waterstof moeten importeren. Sommige regio’s hebben veel duurzame energie en weinig vraag. Transport kan via pijpleidingen of in de vorm van waterstofdragers zoals ammoniak of methanol. De keuze hangt af van afstand, toepassing en kosten. Ondergrondse opslag van waterstof is nodig om vraag en aanbod te balanceren. Dit ondersteunt zowel het waterstofsysteem als het elektriciteitsnet. Investeringen blijven nu nog achter, onder andere door lange doorlooptijden en onduidelijke regelgeving.
Waterstof maakt het mogelijk om CO₂-uitstoot te verlagen zonder bestaande industriële processen volledig te vervangen. Daarmee is het een praktische stap richting een koolstofarm energiesysteem.
