Onderhoud aan waterstofstations

vereist kennis van zaken

In de Benelux groeit het aantal tankstations waar auto’s en vrachtwagens geen benzine en diesel maar waterstof kunnen tanken. In onder meer Rhoon in Nederland wordt het preventieve en correctieve onderhoud uitgevoerd door Stork Calibration & Instrumentation Services Rotterdam. De afgelopen jaren is er veel kennis en ervaring opgedaan met het onderhoud aan dit type stations, dat wezenlijk anders is dan het onderhoud aan grote industriële installaties die al jaren op waterstof draaien.

Tankstations

De populariteit van waterstof als brandstof voor voertuigen groeit. En terecht. Daar waar de verbranding van benzine, diesel en lpg altijd gepaard gaat met ongewenste emissies – waaronder CO₂ en fijnstof – is het enige bijproduct van een waterstof brandstofcel: water. Daarnaast is de prijs van waterstof (€/km) competitief geworden met normale benzine en diesel. Binnen de automotive industrie zijn daarom de nodige pilots gedaan, die inmiddels hebben geleid tot commerciële auto’s, bussen, treinen en vrachtwagens op waterstof.

Om rijden op waterstof in de praktijk serieus te kunnen doorvoeren, is een geschikt voertuig alleen niet voldoende. Er zal ook voldoende waterstof moeten worden geproduceerd en uiteraard moeten de voertuigen ergens terechtkunnen om de waterstof te tanken. Hiertoe is er de afgelopen jaren in Nederland en België een beperkt aantal stations gebouwd, dat echter hard groeit. Zo realiseerde Air Liquide, producent van industriële gassen, bijvoorbeeld een waterstoftankstation in Rhoon – in de directe nabijheid van de Botlek – en in Zaventem.

Rhoon was destijds (2014) het tweede waterstoftankstation in Nederland. Toen was er nog niet veel kennis en ervaring rond de onderhoudsbehoefte van dergelijke stations. Onder meer Stork heeft in de loop der jaren deze kennis en ervaring opgebouwd, ten aanzien van vooral correctief en preventief onderhoud, met een vast team van specialisten. Hiermee is deze informatie nu centraal beschikbaar bij het bedrijf, en uiteraard ook geborgd. Een belangrijk gegeven, aangezien de verwachting is dat dat er in de toekomst alleen al in Nederland tot 180 waterstofstations zullen worden bijgebouwd.

Van 70 naar 800 bar

Het station van Rhoon betrekt haar waterstof van een pijpleiding die onderdeel uitmaakt van een groot waterstofleidingnetwerk, dat zich tot over de Nederlandse grenzen uitstrekt. De waterstof uit Rhoon is hierdoor direct afkomstig uit de Botlek. Het wordt met een druk van ongeveer 70 bar naar Rhoon vervoerd, waar het via een reduceerklep wordt teruggebracht tot 50 bar.

Vervolgens wordt een middendrukcompressor ingezet om het naar 450 bar te verhogen, en dit op te slaan in de middendrukbuffers. Hierna gaat het gas naar de hogedrukcompressor, om het in twee stappen naar een druk van 700 à 800 bar te brengen.

Tijdens het tanken van de wagen wordt het gas gekoeld naar een temperatuur van -35 °C, terwijl de druk een snelle vulling van het voertuig ondersteunt. Het vullen van een auto met ongeveer 5 kg waterstof duurt hiermee zo'n 5 minuten; een bus heeft ongeveer 20 minuten nodig. Deze langere tijdsduur heeft niet alleen met de grootte van de bustank te maken, maar ook met het feit dat een bus tankt vanuit een middendruk in plaats van een hogedruk. Daar staat tegenover dat hier geen extra koeling nodig is. De eerste pilots van het snel vullen van vrachtwagens staan in de planning in Nederland met 7,3 kg/min, waarmee de tankbeurt dan met een factor 4 zou verkorten.

Verschil tussen waterstof en fossiele brandstoffen
De opbouw van waterstofsystemen en het bijbehorende onderhoud zijn anders dan bij systemen die werken op fossiele brandstof, zoals aardgas. Dit komt doordat de gassen op specifieke punten veel van elkaar verschillen. 

Hogere verbrandingswaarde
Waterstof heeft een verbrandingswaarde per gewichtseenheid die ongeveer 2,6 keer hoger is dan die van aardgas. Dit betekent dat je met een tank van slechts 5 kg heel ver kan rijden (100-130 km/kg). Let wel: per volume-eenheid is de verbrandingswaarde ongeveer drie keer zo laag als die van aardgas, wat invloed heeft op de calorische waarde als je waterstof met aardgas vermengt en zeker als men in de toekomst pure waterstof wil gebruiken in huishoudelijk gebruik (boilers en fornuis). Dat waterstof in de bebouwde omgeving kan, is aangetoond in het onderzoek en de testen voor de waterstofwijk Hogeveen, waar Stork de penvoerder was van het onderzoeksconsortium.

Hogere verbrandingstemperaturen
Daarnaast is de ontstekingsenergie bij waterstof bijna vijftien keer zo klein als bij methaan. Het gas is hiermee te scharen onder de categorie 'licht ontvlambaar', wat betekent dat de verbranding al snel heftig verloopt met bijhorende hoge temperaturen. Deze vlamtemperaturen zijn ongeveer 300 °C hoger dan aardgas en dat heeft dus gevolgen voor de ketel. Bij verbranding met normale buitenlucht leiden deze hogere temperaturen tot de productie van meer NO_x. Dit komt doordat stikstofmoleculen bij hogere temperaturen eenvoudiger worden omgezet naar stikstofoxiden. Gelukkig zijn daar technische oplossingen voor en kunnen ook waterstofketels een factor 3 onder de aardgas-NO_x-normwaarde blijven. Bij industriële toepassingen met verbranding met pure zuurstof zal er natuurlijk geen NO_x geproduceerd worden. 

Randapparatuur
Bestaande equipment rondom de verbrandingsinstallatie hoeft niet in alle gevallen fors te veranderen. Vaak zijn delen van het bestaande leidingwerk gewoon te gebruiken, mits er voldoende aandacht is voor kleppen en flenzen, en relevante ATEX-instrumenten aangepast worden met IIC-gasklasse codering waterstofinstrumenten. Omdat waterstofmoleculen kleiner zijn dan aardgasmoleculen, kunnen zij makkelijker ontsnappen. Dit levert vooral een verlies van waterstof op, maar hoeft niet te leiden tot een gevaarlijke situatie. Ten opzichte van aardgas is het zelfs iets veiliger, onder andere doordat er bij waterstof geen CO kan ontstaan. Mocht er een lek zijn, dan vervliegt waterstof veel sneller, omdat dit 14 keer lichter is dan lucht. 

Specialistisch onderhoud

Gezien sommige industriële installaties al jaren op waterstof draaien, rijst misschien de vraag waarom er dan specifieke aandacht nodig is voor het onderhoud aan een waterstoftankstation. Zijn dit niet dezelfde installaties? Het antwoord hierop is: nee (zie ook kader). Het belangrijkste verschil zit in de dimensies.

Het belangrijkste verschil tussen onderhoud aan industriële installaties en tankstations zit in de dimensies

De industrie werkt met volumes die vele malen hoger liggen dan bij een gemiddeld tankstation voor auto’s en vrachtwagens. Van de bijbehorende equipment – waaronder grote afsluiters, compressoren en drukreduceerkleppen – is de onderhoudsbehoefte inderdaad al langer bekend en nauwkeurig vastgelegd. Dat geldt echter niet voor de veel 'lichtere' hardware die in de tankstations is toegepast.

Stork heeft de afgelopen jaren dan ook onder meer gebruikt om deze onderhoudsbehoefte in kaart te brengen en heeft daarbij ook diverse 'kinderziektes' opgelost. In sommige gevallen is er gekozen voor andere componenten en daarnaast is er ervaring opgedaan met de instellingen van de installaties. Daarbij richtte het bedrijf zich de afgelopen jaren vooral op het correctieve en preventieve onderhoud aan de hardware. Hierbij valt te denken aan leidingwerk, kleppen, hydraulische units, compressoren en koelers.

Veiligheidscomponenten

Verantwoordelijk zijn voor correctief onderhoud betekent: 24/7 klaarstaan om storingen direct op te lossen en reparaties uit te voeren. Daarnaast wordt er dus preventief onderhoud uitgevoerd. Dat is onder te verdelen in jaarlijks en maandelijks onderhoud. In het eerste geval betreft het vooral een uitgebreide controle van de compressor, terwijl tijdens het maandelijks onderhoud inspecties worden uitgevoerd aan alle hardwarecomponenten.

Daarbij ligt er uiteraard een extra focus op inspecties van de ingebouwde veiligheidscomponenten. Hogedrukken en een licht ontvlambaar gas brengen nu eenmaal extra risico’s met zich mee. De kans op explosies is gelukkig klein, omdat waterstof een zeer licht gas is dat onmiddellijk vervliegt wanneer het zou ontsnappen.

Training

Naast onderhoud aan de stations is Stork ook ingezet voor het trainen van de beheerders hiervan, om het gebruik ervan efficiënt en veilig te maken én te houden. Denk daarbij bijvoorbeeld aan de spoelprocedures. De effectiviteit heeft zich inmiddels bewezen: de betreffende stations werken nagenoeg storingsvrij en naar tevredenheid.