Brandstofcel cruciaal voor het koolstofvrij maken van zwaar transport en non-road machinery

Dat doen we door de kosten van brandstofcellen te verlagen, de duurzaamheid te verbeteren, en voertuig- en vaartuigfabrikanten en technologie-integrators te ondersteunen bij het maken van slimmere ontwerpkeuzes.

Terwijl het debat over duurzame mobiliteit en de superioriteit van verschillende technologieën voortduurt, is TNO van mening dat elke toepassing een oplossing op maat vereist en dat voor alle technologieën een rol is weggelegd.

Waterstofbrandstofcellen zijn met name cruciaal voor moeilijk te verduurzamen nichesectoren zoals de scheepvaart, non-road machinery en industriële stationaire toepassingen.

Cemil Bekdemir, Senior Scientist bij TNO: “De toekomst van mobiliteit is emissievrij, en elektrische voertuigen met brandstofcellen bieden een efficiënte oplossing.”

Kamil Mrozewski, Hydrogen Fuel Cell Systems Engineer bij TNO Powertrains: “Brandstofcellen zijn uiterst veelzijdig en zetten waterstof om in elektriciteit zonder schadelijke uitstoot. Dit draagt bij aan de Europese en Nederlandse doelstellingen voor decarbonisatie, verbetering van de luchtkwaliteit en de realisatie van emissievrije zones.”

Cemil vult aan: “Netcongestie is een groot probleem, vooral in Nederland. Met waterstof hebben we een alternatieve energiedrager die via vrachtwagens of bestaande gaspijpleidingen kan worden getransporteerd. Met een sterk potentieel voor hernieuwbare energie kan Nederland groene waterstof produceren, wat bijdraagt aan een veilige en geopolitiek-stabiele energievoorziening.”

Focus op kostenreductie en levenduur

Hoewel veelbelovend, is de technologie zelf nog volop in ontwikkeling. Cemil: “TNO staat bekend om haar fundamentele onderzoek en expertise op het gebied van brandstofcellen en elektrolysers. Dit betekent dat we nog steeds kijken naar fundamentele wetenschappelijke en technische vraagstukken, zoals efficiëntie, duurzaamheid en kosteneffectiviteit. Bij TNO Powertrains richten we ons specifiek op de toepassing van brandstofcellen op systeemniveau. Als ‘orchestrator of innovation’ is TNO in staat om een krachtig ecosysteem te bouwen dat deze technologie echt kan helpen versnellen.”

Kamil: “Kostenreductie is natuurlijk een breed begrip. In essentie ondersteunen we voertuig- en vaartuigfabrikanten en integrators op drie belangrijke gebieden. Ten eerste helpen we onze partners bij het maken van slimmere ontwerpkeuzes door de architectuur van de aandrijflijn te optimaliseren, componenten correct te dimensioneren en de juiste controlestrategieën te ontwikkelen."

"Ten tweede, wanneer partners al een systeem in gedachten hebben of een nieuw prototype ontwikkelen, maken we gebruik van onze testfaciliteiten om potentiële verbeterpunten of kritieke faalpunten te identificeren. Ten derde zetten we een breed scala aan modellen en analysetools in. Deze modellen helpen ons om de verwachte levensduur van brandstofcellen te kwantificeren, om optimalisatiemogelijkheden te identificeren, onderhoudsintervallen te voorspellen en uiteindelijk de onderhoudskosten te verlagen.”

Ideaal voor langdurig stationair gebruik

Er zijn veel verschillende soorten brandstofcellen. De meest gangbare is de lage-temperatuur brandstofcel, die gebruikmaakt van een polymeer elektrolyt membraan (PEM). Deze volwassen technologie wordt al meer dan 50 jaar intensief ontwikkeld.

“Een andere veelbelovende optie is de SOFC (solid oxide fuel cell) die bij hoge temperaturen, boven 600°C werkt”, vertelt Kamil. “SOFC's zijn weliswaar flexibeler en efficiënter, maar hebben een langere opstarttijd, waardoor ze minder geschikt zijn voor dynamische toepassingen, zoals zware vrachtwagens. Daarentegen zijn ze ideaal voor de scheepvaart en andere stationaire toepassingen. Grootschalige toepassing, vooral in het megawattbereik voor maritiem en stationair gebruik, vereist echter nog verdere ontwikkeling.”

Hybride schepen

Duurzaamheid is een van de belangrijkste uitdagingen om brandstofcellen toepasbaar te maken voor de heavy-duty sector. Dit wordt grotendeels bepaald door de manier waarop ze worden gebruikt.

Cemil: “De levensduur van brandstofcellen varieert sterk per toepassing. Voor maritieme toepassingen is de beoogde levensduur ongeveer 80.000 bedrijfsuren, terwijl dat voor zware toepassingen op de weg ongeveer de helft is. Daarom moeten brandstofcellen op schepen zeer lange onderhoudsintervallen hebben.”

Kamil: “De huidige lange-termijntests hebben aangetoond dat zelfs lage-temperatuur brandstofcellen al 65.000 uur kunnen halen. Dit resultaat werd echter bereikt met een specifiek stationair systeem dat niet representatief is voor de gebruikelijke robuustheid van standaard producten die momenteel beschikbaar zijn voor mobiliteitstoepassingen. De 80.000 bedrijfsuren vormen in echte maritieme omstandigheden dus een ambitieuze doelstelling. De belangrijkste degradatiefactor is de bedrijfsbelasting, en daar kan TNO partners bij ondersteunen door het optimaliseren van de aandrijflijnconfiguratie en de aansturingsstrategieën."

"Een stabiele belasting verlengt de levensduur, maar in de praktijk is er zelden sprake van een perfect vlak belastingsprofiel. Met andere vormen van energieopslag, zoals batterijen, kunnen snelle pieken in de energievraag worden opvangen. Hierdoor vullen ze brandstofcellen perfect aan en helpen ze een stabiele output te leveren. Daarom voorzien we dat schepen hybride-aandrijfsystemen zullen krijgen, een combinatie van brandstofcellen en batterijen. Dit is tevens het onderwerp van een aantal nieuwe projecten die we gaan starten voor het Maritiem Masterplan.”

Duurzaam in alle opzichten

De materiaalkwaliteit is een andere cruciale factor voor de levensduur van brandstofcellen, wat het belang van een zorgvuldig ontwerp en gebruik nog eens benadrukt.

Kamil Mrozewski: “In een onlangs door de Europese Unie toegekend project modelleren we een niet-PFAS-membraan voor brandstofcellen. Een geheel nieuwe technologie die, met het oog op een mogelijk verbod op PFAS-houdende materialen in de waterstofsector, een grote impact kan hebben. Ons doel is om de totale ecologische voetafdruk van brandstofceltechnologie te verkleinen, inclusief het ondersteunen van bedrijven bij de ontwikkeling van zowel de gebruikte materialen als het productieproces."

"Daarom zullen we binnen dit project brandstofcelmaterialen en -componenten ontwikkelen, zoals membranen op basis van cellulose, die duurzamer kunnen worden ingekocht dan de huidige alternatieven. Daarnaast onderzoeken we hoe deze membranen na verloop van tijd degraderen en werken we aan het verbeteren van hun prestaties en duurzaamheid.”

Toonaangevende faciliteiten

Partners van TNO Powertrains profiteren van een breed scala aan geavanceerde testfaciliteiten.

Kamil: “We beschikken over zes testcellen die geschikt zijn voor waterstof, met nog twee in aanbouw. De afgelopen jaren hebben we uitgebreide tests uitgevoerd met brandstofcellen en waterstofverbrandingsmotoren (H2-ICE). Daarnaast zijn we gestart met testen op methanol en verkennen we de mogelijkheden van ammoniak als veelbelovende brandstof voor de scheepvaart.”

Naast hardware bieden de faciliteiten ook geavanceerde hulpmiddelen en modellen voor het testen van software en besturingsalgoritmen. De focus ligt op prestatieanalyses, waarbij wordt onderzocht hoe brandstofcellen functioneren onder uiteenlopende bedrijfsprofielen—van lage tot zeer hoge dynamiek—en omstandigheden, zoals temperatuur, luchtdruk en vochtigheid.

Kamil: “In onze twee klimaatkamers kunnen we een breed scala aan klimatologische omstandigheden simuleren, zodat fabrikanten zeker weten dat hun technologie in alle mogelijke weersomstandigheden blijft functioneren. Met versnelde stresstests bootsen we de natuurlijke degradatie van brandstofcelcomponenten zo realistisch mogelijk na. De testresultaten gebruiken we om slijtage in de praktijk nauwkeurig te voorspellen en zo betrouwbare levensduurmodellen te ontwikkelen.”

Van project naar praktijk

Hoewel laboratoriumtests cruciaal zijn om brandstofceltechnologie te laten rijpen, kunnen praktijktests waardevolle inzichten opleveren. Daarom helpt TNO Powertrains partners bij het opzetten van demonstratieprojecten, zodat integrators en eindgebruikers brandstofcellen in de praktijk kunnen testen.

Cemil: “Op dit moment lopen er twee projecten: een brandstofceltruck voor zware logistiek en een brandstofcelgraafmachine voor onderhoudswerkzaamheden aan de Lekdijk. Beide projecten worden nauwlettend gevolgd om de prestaties te optimaliseren. Daarnaast starten we binnenkort met maritieme projecten van vergelijkbare omvang.”

Eerder werden brandstofcellen voor non-road materieel getest in een TKI-project met de naam ‘Elevate’.

Kamil: “In nauwe samenwerking met onze partners ondersteunde ons team de simulatie en het ontwerp van een batterij- en brandstofcelaandrijflijn voor een multifunctioneel, non-road mobiel platform voor bosbouwmachines, waaronder een graafmachine en een frees, als duurzaam alternatief voor dieselmaterieel.”

Strategische waterstoftankstations

De vraag die iedereen bezighoudt is: wanneer zullen waterstof en brandstofcellen op grote schaal worden toegepast?

Kamil: “Dit vereist een systeemverandering. Het grootste knelpunt voor brandstofcellen en waterstofverbrandingsmotoren is uiteraard de beschikbaarheid van waterstof. De uitrol van de infrastructuur blijft een grote uitdaging, waardoor de grootschalige toepassing van brandstofcellen vertraging oploopt. Een oplossing op korte termijn is de ontwikkeling van strategische hubs voor het tanken van waterstof op locaties met veel vraag, zoals de haven van Rotterdam, waar zowel schepen als vrachtwagens gebruik kunnen maken van een gedeelde infrastructuur.”

Cemil voegt hieraan toe: “Naast de waterstofinfrastructuur vormen ook de kosten van brandstofcelvoertuigen een grote uitdaging. Hoewel TNO geen directe invloed heeft op de voertuigkosten, blijkt uit rapporten dat opschaling van de productie zal leiden tot kostenverlagingen. Wil waterstof levensvatbaar zijn, dan moeten infrastructuur en voertuigadoptie samen groeien. Ons doel is om waterstof technisch aantrekkelijk te maken, waardoor de vraag sneller stijgt en de kosten dalen.”

Kamil besluit: “Brandstofcellen kennen uitdagingen die sterk lijken op die van batterijtechnologie, zonne- en windenergie in hun beginjaren. Deze technologieën waren aanvankelijk duur en onbekend, maar werden mainstream door schaalvoordelen, technische verbeteringen en innovatie.”