De TU/e coördineert dit EU-onderzoeksproject dat fundamenteel en toegepast onderzoek op het gebied van waterstofturbines combineert. Dit HELIOS-project is nu genomineerd voor een Europese ’Best Success Story’-award.
In het Europese project HELIOS komen fundamenteel onderzoek naar waterstof-gasturbines en de technische toepassing in de industrie samen. In het project dat Roy Hermanns heeft opgezet en zelf ook coördineert, wordt hard gewerkt om koploper te zijn met de introductie van gasturbines die schoon, veilig en zuiver op waterstof draaien. Het project is nu door het EU Clean Hydrogen Partnership, de subsidieverstrekker van het project, samen met partnerproject FLEX4H2 voorgedragen voor de eigen Best Success Story Award verkiezing.
Groene waterstof is één van de energiedragers die momenteel druk wordt onderzocht als alternatief voor fossiele brandstoffen in de industrie. Waterstof kun je namelijk maken met elektriciteit uit zon, wind of waterkracht. Om het vervolgens naar een andere plek te vervoeren en daar als brandstof te dienen voor (zware) industrie of elektriciteitscentrales.
Waterstof als brandstof is weliswaar op zichzelf heel schoon, maar de hele keten kent nogal wat uitdagingen. Er is de uitdaging om groene waterstof effectief op te wekken met slimme electrolyzers. Daarnaast moet die waterstof, die wordt opgewekt op plaatsen waar veel schone energie is zoals rond de evenaar, vervoerd worden naar de plekken waar er industrie zit met een grote energiebehoefte, zoals Europa.
En tot slot moet die waterstof efficiënt en schoon worden omgezet naar elektriciteit in zogenaamde gasturbines. Daarin zorgen waterstofbranders voor hete lucht. Daarmee worden grote ventilatoren rondgedraaid terwijl er dicht bij de as elektriciteit wordt opgewekt in grote koperen spoelen. De waterstof turbines die nu op de markt zijn, draaien nog niet op voor honderd procent op waterstof.
Een race naar de eerste waterstofturbine
In de gasturbines waarmee de industrie nu werkt, wordt vooral aardgas gestookt. "Daar willen wij met ons HELIOS project graag verandering in brengen", vertelt Roy Hermanns , onderzoeker in de groep Power & Flow van de faculteit Mechanical Engineering.
"Er is wereldwijd nu een enorme race gaande om de eerste werkende én honderd procent waterstof-gestookte gasturbine te maken. Omdat ik geloof dat we dat in Europa moeten kunnen, heb ik dit consortium zo met zorg samengesteld."
En het Europese Clean Hydrogen Partnership heeft dit project daarom gehonoreerd met bijna vier miljoen euro. Op de TU/e wordt, naast de coördinatie van HELIOS door Hermanns en projectleiding door Suzan van Dongen , ook gezorgd voor de modellering en het onderzoek dat daarbij hoort.
Daarvoor zijn Stijn Schepers als PhD en Jeroen van Ooijen en Rob Bastiaans als staf aan het project verbonden. Samen met de TU Delft, waar ook gekeken wordt naar opstellingen in het lab, wordt zo de fundamentele kennis opgebouwd die nodig is.
Het gros van het budget gaat echter naar industriepartner Thomassen Energy B.V.. Dat bedrijf gaat de proefmodellen bouwen en de turbineonderdelen ontwerpen en maken, op basis van de kennis die vanuit de universiteiten wordt gedeeld.
Tot slot zitten partners DLR (Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt e.V.) en CCA (Centro Combustione Ambiente S.p.A.) in het consortium om de optimalisatie te testen onder realistische condities.
DLR bezit een testopstelling om gasturbineverbrandingssystemen voor zowel luchtvaartals industriële toepassingen onder realistische omstandigheden en hoge druk te testen. Hermanns: "Dit is een van de weinige labs ter wereld, waar deze specifieke gasturbinecondities getest én goed doorgemeten kunnen worden. Daarnaast is DLR gewend om met geheimhouding om te gaan, omdat veel bedrijven gebruik maken van hun labs en de concurrentie onderling groot is"
Het CCA biedt vergelijkbare faciliteiten maar op lage druk. Daarnaast zijn zij juist gespecialiseerd in het meten van akoestiek (klapperen of luchtdrukverschillen, red.) die door verbranding wordt veroorzaakt. Daarmee levert iedere partner een bijdrage aan de kennis die binnen het consortium wordt opgebouwd.
Een stabiele vlam
"Een consortium als HELIOS moet je zorgvuldig opbouwen", legt Hermanns uit. "Het is van belang dat elke partner eigen expertise en kennis inbrengt die je elders niet kunt vinden. Maar het is evenzogoed van belang dat er geen overlap in zit en geen kennis ontbreekt."
Een van de grootste uitdagingen voor het project is een stabiele vlam maken in de brander. Door de snelheid van de verbranding van waterstof worden bepaalde eigenschappen van een vlam lastiger te controleren. Een ervan is vlamterugslag.
Hermanns: "Door het toevoegen van waterstof zal de verbrandingssnelheid in de vlam significant hoger zijn. Daarnaast speelt de diffusie van waterstof een grote rol dicht tegen wanden van de verbrandingskamer. Dat betekent dat de waterstof, omdat die lichter en sneller is dan de andere gassen, zich op bepaalde plekken kan ophopen in de buurt van de brander in de gasturbine."
"En aan de wanden van de kamer waarin de brander zit, zijn de typische gassnelheden erg laag. Beide effecten zorgen ervoor dat vlamterugslag (’klapperen’ van een vlam, oftewel niet gelijkmatig branden maar in horten en stoten, red.) in die gebieden een risico vormt dat vermeden moet worden. Door de hoge verbrandingssnelheid is de tijd om te reageren en in te grijpen voor een operator erg kort. Dat betekent dat we hier dus in de design fase al over na moeten denken."
Daarnaast is ook bekend dat er stikstofverbindingen kunnen ontstaan bij waterstofbranders. Die kunnen via de uitlaatgassen vervolgens in de lucht terecht komen en neerslaan in de natuur, wat ongunstig is voor het milieu. De vlam laten branden op de perfecte snelheid en controleerbare condities is dus van groot belang.
Werkverdeling
Hermanns: "Het is een balans om te zorgen dat er aan de universiteiten echt goed wetenschappelijk onderzoek wordt gedaan. Onderzoek dat we ook kunnen delen en publiceren. Tegelijkertijd ligt de concurrentie van Thomassen op de loer en worden juist hun ontwerpen enorm afgeschermd om het concurrentievermogen van het bedrijf, en in het verlengde daarvan Europa, te kunnen waarborgen."
"Het project is nu halverwege en we wachten op wat spannende resultaten vanuit onze Italiaanse testpartner CCA. Die worden zo half december binnen het consortium gedeeld. Dat bepaalt de rest van ons pad en of we dan, of pas na verder onderzoek, resultaten kunnen delen met de rest van de wereld."
Erkenning
Juist daarom is het zo bijzonder dat het project al genomineerd is als Best Success Story door het EU Clean Hydrogen Partnership, nog zo ver voor het einde van het project.
"Daar zijn we allemaal ook erg van onder de indruk, dat juist onze subsidieverstrekker ons nu al ziet als een succesverhaal samen met FLEX4H2. Het is ook echt een fijn project dat lekker loopt, dus we zien het niet alleen als waardering voor de resultaten, maar ook van onze samenwerking", besluit Hermanns.
Europa staat in de komende jaren voor aanzienlijke uitdagingen met betrekking tot het vermogen om te innoveren, economische groei te behouden, soevereiniteit te behouden en welzijn te waarborgen. Meer dan ooit worden onderwijs, onderzoek en innovatie beschouwd als de belangrijkste succesfactoren voor een toekomstig stabiel en welvarend Europa.
TU/e streeft ernaar bij te dragen aan het succes van Europa door samen te werken met strategische partners in Europa en actief deel te nemen aan het Europese beleidsvorming door feedback te geven en deel te nemen aan relevante discussies.
Daarnaast zal TU/e actief deelnemen aan Europese onderzoeksprogramma’s. Door samenwerkingen met toonaangevende academische en industriële partners wil TU/e de veerkracht en concurrentiekracht van de regio en Europa vergroten.
Foto: Thomassen Energy