In het HAN H2Lab op het IPKW (Industriepark Kleefsewaard in Arnhem) doen studenten en onderzoekers van de HAN Arnhem Nijmegen onderzoek naar het rendement van de elektrolyser.

De vraag is: hoeveel van de elektriciteit die erin wordt gestopt, wordt omgezet in groene waterstof? Het onderzoek is onderdeel van het project Enowatts en wordt op kleine schaal uitgevoerd met een elektrolyser van 300 watt.

Wat hebben studenten bijgedragen aan dit onderzoek?

Studenten Werktuigbouwkunde die onderdeel uitmaken van het onderzoeksteam hebben meegeholpen bij het bouwen van de hardware. Bij het in- en aan elkaar schroeven van het systeem. En ze hebben gezocht naar leveranciers voor onderdelen van het systeem.

Daarnaast hebben ze de subtesten uitgevoerd en deze 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 leren studenten hier nu van?

Onderzoeker en begeleidend docent Roel Jansen zegt hierover: “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. Want het is voor studenten toch veel aantrekkelijker om praktijkgericht onderwijs te krijgen in plaats van het alleen te leren uit de boekjes.”

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 zijn de voordelen van testen op kleine schaal?

“Er zijn veel voordelen aan het op het kleine schaal testen van de elektrolyser. Zo is een kleiner apparaat uiteraard 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.”

Zijn er ook nadelen?

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 elektrolyser is het anders dan met de elektrolyser waar wij mee testen. Je moet dus goed nadenken over de relevantie van de testen voor de praktijk.”

In welke fase zit het onderzoek momenteel?

Roel: “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. Waardoor de condities zo goed mogelijk vergelijkbaar zijn. Dus niet dat iemand dit om de 10 minuten zelf moet doen, maar het dus volautomatisch gebeurt.”

Waarom is het meten van deze dynamische belasting belangrijk?

“Metaal bijvoorbeeld wordt moe na verloop van tijd. Door het regelmatig belasten, is het op gegeven moment kapot. Ons systeem kan simuleren wanneer deze moeheid optreedt. Dit kunnen we testen door het systeem straks geautomatiseerd bijvoorbeeld 20 keer achter elkaar te laten opstarten en afsluiten. Om vervolgens te onderzoeken wat dit doet met het wel of niet optreden van de metaalmoeheid. Je kunt door deze onderzoeken dus iets zeggen over het verouderingsproces van het systeem en daarmee iets over de economische waarde van het systeem.”

Economische waarde van het systeem?

“Ja, ieder systeem heeft bepaalde specificaties bij ingebruikname. Deze specs worden echter steeds minder efficiënt. Op gegeven moment komt er een moment dat het systeem niet meer economisch rendabel is. Je moet weten wanneer het systeem (of delen ervan) moet worden vervangen.” Onderzoek naar de levensduur is dus belangrijk.

Hoe wordt de levensduur onderzocht?

Hiervoor voeren we een AST (Accelerate Stress Test) uit. Hierbij zetten we het systeem flink onder spanning. De resultaten hiervan kunnen we extrapoleren. Want de veronderstelling is dat als we als het op 1 celniveau doen, of op 10. Dan zullen de uitkomsten, waarschijnlijk, op 100 of 1.000 hetzelfde zijn. Het gaat allemaal over veiligheid voordat je zo’n grote serie van herhalingen kunt uitvoeren.”

Hoe zijn de hard- en software opgebouwd?

Roel: “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 elektrolyser 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.”

Waarom moet het systeem schaalbaar zijn?

Schaalbaarheid is een erg belangrijk begrip in de wereld van de 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 elektrolyser. “Want het is de integratie die uiteindelijk voor de praktijk relevant is”, vervolgt Roel.

Wat zijn de resultaten tot nu toe?

“We weten nu dat het systeem wat er gebouwd is werkt. Er wordt data geproduceerd welke overeenkomt met wat we verwachten. Het 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 z’n werk doet.”

“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 lenen hun spullen kosteloos uit. En concreet resultaat is ook dat er minstens 100 uur waterstof is geproduceerd. Dit 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 één ding, goede kwaliteit waterstof produceren is veel belangrijker. Ons onderzoek gaat hier dan ook voornamelijk naar kijken. Welke kwaliteit waterstof moet je produceren om te kunnen gebruiken een brandstofcel. Wat gebeurt er onder dynamische condities (het aanbod van energie fluctueert immers) met de kwaliteit van de waterstof?”

Bronnen: HAN, KieMT