Hyet Hydrogen levert stille compressoren aan tankstations

Waterstofgas traploos comprimeren tot 875 bar

Stack met meerdere elektrochemische cellen

Waterstofauto’s bevatten tanks waarin de waterstof onder een druk van 700 bar is opgeslagen. Om snel te kunnen tanken moet de aanvoerdruk ongeveer 875 bar zijn. Mechanische compressoren hebben minstens twee stappen nodig om die druk te bereiken. Het Arnhemse bedrijf HyET Hydrogen timmert aan de weg met een compressor zonder bewegende delen, die de druk in één keer traploos tot 875 bar kan opvoeren.

Het geheim van de smid

Commercieel directeur Pieter Veltman van HyET Hydrogen vertelt, dat het bedrijf in 2008 is opgericht door uitvinder Erik Middelman en Rombout Swanborn, de huidige hoofdaandeelhouder. Middelman deed eerder onderzoek rond membranen bij AkzoNobel. Bij HyET Hydrogen stond hij aan de wieg van de elektrochemische compressor. Echter, kort na de oprichting van het bedrijf overleed hij, waarna anderen de ontwikkeling voortzetten.

“Aanvankelijk was het idee om de energie die vrijkomt bij het decomprimeren van waterstof, voordat deze de brandstofcel van de auto ingaat, met behulp van een membrane electrode assembly (MEA) om te zetten in elektriciteit”, legt Veltman uit. “Op die manier zou de waterstof nog meer energie opleveren. Maar algauw bleek dat de energiewinst te klein was om de kosten van de extra inbouwapparatuur goed te maken. Tijdens de experimenten bleek echter ook, dat je andersom waterstof kunt comprimeren door een elektrische spanning over de MEA aan te brengen.”

Hoe meer elektrische spanning, hoe meer druk

Veltman legt uit, dat de elektrische spanning de waterstofmoleculen dwingt om zich te splitsen in protonen. Die gaan vervolgens door de MEA heen en vormen aan de andere kant weer zuivere waterstofmoleculen, maar dan bij een veel hogere druk. Hoe hoger de elektrische spanning, des te hoger de druk, totdat een maximum van circa 875 bar is bereikt. Het membraan, dat in de MEA zit, moet natuurlijk wel sterk zijn. In 2011 vestigde het bedrijf een eerste record met een membraan, dat een drukverschil van 1.000 bar haalde in een miniatuur cel. In juli 2019 verbrak HyET Hydrogen dit record in een grote, commercieel toepasbare cel met een drukverschil tot 1.022 bar. Verdere details daarover wil Veltman niet kwijt, omdat dit het geheim van de smid is. De MEA is vergelijkbaar met dat van een brandstofcel: een proton exchange membraan (PEM), waarop katalysatormateriaal en elektroden zijn aangebracht.

Werkingsprincipe van de elektrochemische waterstofcompressor

Geluidloos

Een ander voordeel van de elektrochemische compressor is, dat deze geen bewegende delen bevat en hierdoor ook geluidloos opereert. Naast comprimeren kan de elektrochemische compressor ook in dezelfde stap waterstof zuiveren uit een mengsel van waterstof met andere gassen. Een conventionele mechanische compressor voor waterstofgas bevat bewegende delen, maar mag geen smeerolie bevatten. De brandstofcel van een auto kan namelijk door sporen van smeerolie in het waterstofgas beschadigd raken. Zonder smeerolie slijten de compressoren echter sneller, waardoor ze meer onderhoud vragen en de kans op storingen toeneemt.

Veltman wijst erop, dat HyET Hydrogen een technologiebedrijf is: het ontwikkelt en ontwerpt elektrochemische compressoren. Het laat de onderdelen bij leveranciers maken. Die worden vervolgens geassembleerd tot een volledige compressor stack. “In de afgelopen twaalf jaar zijn we steeds verder doorgegaan met de ontwikkeling van de compressor. We hebben voor verschillende technische uitdagingen gestaan. De grootste uitdaging, vooral in de eerste jaren, was wel het afdichten van waterstofgas op hoge druk.”

Opschaling begonnen

Het bedrijf maakt nu stacks, die per dag 10 kilogram waterstof op een druk van 875 bar kunnen brengen. Recentelijk heeft het bedrijf een eerste unit van 120 kilogram per dag gebouwd. Deze bestaat uit 12 parallelle stacks die samen 120 kilogram waterstof van 875 bar per dag kunnen leveren.

“Het voordeel is, dat als er één stack uitvalt, de installatie op een wat lagere capaciteit kan blijven doordraaien, omdat de andere elf stacks nog functioneren. Intussen kan de uitgevallen stack gereviseerd of gerepareerd worden.”

Compressorunit met twaalf stacks voor 120 kg waterstof van 875 bar per dag

Volgens Veltman heeft een tankstation bij het huidige wagenpark van waterstofauto’s genoeg aan een compressor met een capaciteit van 120 kilogram per dag. “Op den duur zullen de kleine tankstations genoeg hebben aan 300 tot 500 kilogram waterstof per dag. ”Een waterstofauto kan op één kilogram waterstof gemiddeld honderd kilometer rijden. En de tank van een waterstofauto kan maximaal vijf tot zeven kilogram waterstof bevatten op een druk van 700 bar.

Snel en langzaam vullen

“Een hobbel is nog wel, dat waterstof bij expansie warm wordt. Bij tanken loopt de druk in de opslagtank van de auto op van ongeveer 200 tot 700 bar en moet je met extra warmte-ontwikkeling rekening houden. Met slow filling, zonder koeling, kun je in een kwartier tanken. Als de waterstof vooraf tot zo’n min vijftig graden Celsius is afgekoeld, kun je met fast filling in drie minuten tanken”, legt Veltman uit. De stacks van tien kilogram waterstof per stuk per dag moeten de hele dag ‘draaien’ om de waterstof bij het tankstation op druk te houden. Wat betreft de levensduur van het systeem staat er momenteel al meer dan 2.500 uur op de teller.

“Op basis van indicatoren vanuit de brandstofcel en elektrolysemarkt, gaan we ervan uit, dat een stack zo’n 20.000 uur kan functioneren. We willen dat uiteraard nog verder verlengen. Tijdens een onderhoudsbeurt wisselen we de hele stack uit. De membranen van de uitgenomen stack kunnen we dan elders vernieuwen”, aldus Veltman.

Een compressor bestaande uit één cel met één membraan, die de bouwsteen vormt voor grotere compressoren

Productie voor tankstations begint aan te lopen

Hij verwacht, dat HyET Hydrogen binnenkort van start kan gaan met de productie van compressoren voor tankstations in Nederland, Duitsland, Amerika (met name Californië), Japan, Zuid-Korea en China.

Vorig jaar hebben Shell Ventures en de Britse AP Ventures tegelijk een belang in HyET Hydrogen genomen om het bedrijf te helpen meer vaart achter de ontwikkeling te zetten. “Beide bedrijven doen dat, omdat ze geloven in de toepasbaarheid van HyET’s technologie in de waardeketen van waterstof”, aldus Veltman. Het bedrijf wil de capaciteit van de stacks door een nieuw ontwerp verder opvoeren naar 50 kilogram waterstof per dag. “Je hebt dan 20 tot 40 stacks nodig om bij een groot tankstation 1.000 tot 2.000 kilogram waterstof per dag op druk te brengen. Van kleinere stacks zou je voor dezelfde productie 100 tot 200 stuks nodig hebben, dat is niet handig en oneconomisch.”

De elektrochemische compressor is vergelijkbaar in prijs met een mechanische compressor voor kleine systemen van 2 tot 20 kilogram per dag. “Wij verwachten, dat onze compressor binnen twee jaar ook concurrerend zal zijn voor systemen op veel grotere schaal, zowel qua kapitaalskosten als operationele kosten”, aldus Veltman.

Deelname HyET Hydrogen aan Europese projecten

Converge

Het Europese Converge-project is gericht op het valideren van een nieuw proces om biodiesel efficiënter en goedkoper te maken. Converge staat voor Carbon Valorisation in Energy-efficient Green fuels. De doelen zijn de productie van biodiesel per kilo secundaire biomassa met 12% verhogen en de kapitaalskosten met 10% verminderen. HyET Hydrogen levert de technologie voor het zuiveren en comprimeren van waterstofgas ten behoeve van de synthese van methanol als grondstof voor groene diesel. Het bedrijf zal een systeem ontwerpen dat waterstof in één stap kan extraheren met een zuiverheid van meer dan 99,5% en comprimeren tot 50 bar.

Hygrid

Het Europese Hygrid project betreft het selectief extraheren van waterstof uit het aardgasnet via een membraanmodule met palladium en HyET’s elektrochemisch zuiveringssysteem voor waterstof (EHP). Het aardgas bevat ca. tien procent waterstof, dat voor tachtig procent moet kunnen worden teruggewonnen. De bedoeling is een prototype van zo’n systeem bouwen en valideren. Het bedrijf past een nieuw EHP platform toe, dat minimaal 60% van de waterstof kan terugwinnen bij een energievraag van 4 kWh/kg.

Biomates

Dit onderdeel van Europese Horizon 2020 heeft tot doel tweede-generatie biomassa om te zetten in hoogwaardige tussenstoffen voor de productie van hybridebrandstoffen. Bij de omzetting wordt duurzaam geproduceerde waterstof toegevoegd, dat HyET Hydrogen onder hoge druk zal leveren. Ook zal het bedrijf de waterstof uit de processtroom terugwinnen en weer op druk brengen.

Memphys

Het Europese project Memphys behelst het ontwikkelen van een op membranen-gebaseerd systeem om waterstof uit verschillende industriële bronnen te hergebruiken en te comprimeren tot 200 bar. HyET Hydrogen zoekt een katalysator voor zijn membrane electrode assembly (MEA) die bestand is tegen sporen van CO, HS en NH3, die gewoonlijk voorkomen in de waterstofstromen van de procesindustrie. Ook de afbraak van de MEA's in de loop van de tijd is punt van aandacht.

stille compressoren voor tankstations