700 Bar waterstof tanken

Samen met OEM fabrikanten zijn we al jarenlang bezig om waterstof opslag en distributiesystemen voor voertuigen te ontwikkelen. Dat heeft een lange historie en een veelbelovende toekomst. Die geschiedenis van het gebruik van alternatieve brandstoffen begon begin jaren 2000 bij Teesing met het ontwikkelen van systemen voor CNG. Later kwam daar waterstof bij.

De historie: CNG tanken

Het gebruik van CNG als brandstof was veelbelovend: het is schoon en thuis te tanken vanuit de aardgas toevoer. Voor zware voertuigen en korte afstanden was het een ideale brandstof om uitstoot te verminderen. Het systeem is redelijk in gebruik geweest bij stadsbussen en vorkheftruks. Maar het gebrek aan bereik en het gebrek aan infrastructuur (tankstations) heeft ertoe geleid dat het nooit echt is doorgebroken.

Teesing heeft haar bijdrage aan de ontwikkeling geleverd door vulnozzles te leveren aan tankstations en recepticles op voertuigen. Maar daar bleef het niet bij: we hebben ook boosters ontwikkeld en geleverd: compacte opvoerapparaten voor thuis of bij bedrijven die de druk van de aardgasleiding omhoog brachten naar de druk die nodig is voor opslag in een tank in het voertuig. In die tijd had Teesing aan haar eigen pand ook zo'n "tankstation" en reden de bedrijfsauto's op CNG.

Illustratie: een WEH tanknozzle en receptacle. Teesing en WEH zijn marktleiders in Europa voor tankstystemen.

Illustratie: Een on-tank valve, in een samenwerkingsverband ontwikkeld door het Duitse Poppe + Potthoff en Teesing.

Tanken van waterstof

Het gebruik van waterstof voor voertuigen is begonnen met waterstof als brandstof voor een reguliere verbrandingsmotor in de BMW 7-serie in het jaar 2000.
Het duurde nog tot 2014 voordat de eerste openbare waterstof tankmogelijkheid geopend werd in Rhoon. Teesing leverde daarvoor de WEH tanknozzles en slangen. Nog steeds is het zo dat je altijd een Teesing/WEH connector in je handen houdt als je ergens waterstof tankt. En dat geldt overigens ook voor CNG.

Personenauto's gebruiken waterstof vooral voor de voeding van een brandstofcel die een alternatief is voor een batterij. Dat zijn dus elektrische voertuigen. Onze grootste klant is China's Sinopak die momenteel bezig is met de bouw van 1000 waterstof tankstations en er ook al vele heeft gebouwd.

De groei die we voorzien is naast de koploper China vooral USA en Canada voor personenvoertuigen. In Europa richt het gebruik van waterstof zich vooral op zware voertuigen en stationaire systemen.

Verder levert Teesing waterstof tank nozzles aan bedrijven voor het tanken van schepen, vorkheftrucks en vrachtwagens.

Teesings patent op waterstof vultechniek

Voertuigen tanken waterstof op dit moment onder een druk van zo'n 350 bar. Het is interessant om die druk te verhogen naar 700 bar omdat het de vulsnelheid en de actieradius van voertuigen verhoogt. Dat stelt nogal wat eisen aan de apparatuur van het tankstation en de drukregelaars in het voertuig. De waterstof wordt daarvoor eerst voorgekoeld. Dat gebeurt ook al in mindere mate in de huidige tankstations van 350 bar.

Teesing heeft een systeem ontwikkeld (PUsH - Pressurizing Using Hydraulics) waarbij er geen "pre-cooling" hoeft plaats te vinden. De cilinder wordt eerst gevuld met water met een druk van 700 bar, waarna het water wordt verplaatst door waterstof gas met 700 bar de cilinder in te brengen. In diverse landen zijn patenten afgegeven voor dit PUsH principe.

De technologie van Teesing heeft homologatie doorlopen tot en met niveau TRL4 . In de ontwikkeling zijn we een samenwerking aangegaan met de Tongji University Shanghai in China.

Illustratie: Coriolis massa flow meters van Tricor passen we toe in H2 dispenser stations voor voertuigen, zowel op 350 bar als op 700 bar.

700 bar waterstof systemen in voertuigen

Waterstof wordt standaard afgeleverd op een druk van 350 bar (voor bussen, vrachtwagens, heftrucks en kleine personenwagens) en 700 bar (grotere personenwagens). Gemiddeld wordt er ca. 4 à 5 kg waterstof geleverd aan personenwagens en ca. 20 à 40 kg aan bussen of vrachtwagens.

Volgens de veelgebruikte SAE J2601 (Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles) en J-2601-2 (Fueling Protocol for Gaseous Hydrogen Powered Heavy Duty Vehicles) protocollen zijn er drie verschillende bevoorradingsopties, elk met een eigen maximale bevoorradingssnelheid en noodzaak tot voorkoeling. Bij traag vullen (slow refuelling) wordt een maximale vulsnelheid van 30 g/s (1,8 kg/min) gehanteerd, bij normaal vullen (normal refuelling) loopt de vulsnelheid op tot 60 g/s (3,6 kg/min) en bij snel vullen (fast refuelling) wordt een maximale vulsnelheid van 120 g/s (7,2 kg/min) toegelaten. Er wordt evenwel opgemerkt dat de gemiddelde vulsnelheid meestal lager is, en afhankelijk is van verschillende parameters waaronder het volume van de middendruk en hogedruk buffers op het station en de frequentie waarmee voertuigen komen tanken.

Voor aflevering van waterstof op 350 of 700 bar aan personenwagens worden o.a. vulpistolen gebruikt met een inwendige doorsnede van 4 mm in combinatie met een afleverslang met een inwendige doorsnede van 6 mm. Voor aflevering van waterstof op 350 bar aan bussen en vrachtwagens worden o.a. vulpistolen gebruikt met een inwendige doorsnede van respectievelijk 8 en 12 mm in combinatie met een afleverslang met een inwendige diameter van 6 mm.

Tenslotte volgen de waterstoftankstations doorgaans de protocol SAE J2799 met betrekking tot hardware en software communicatie tussen het voertuig en de dispenser/het station (SAE J2799 – Hydrogen Surface Vehicle to Station Communications Hardware and Software).

Een waterstof stack heeft een werkdruk die net boven de atmosferische druk ligt. Een waterstoftank heeft daarom een drukregelaar die de druk omlaag brengt naar zo'n 10 bar, waarna een tweede drukregelaar die verder omlaag brengt.
Zo'n drukregelaar heet een on-tank-valve en brengt niet alleen de druk omlaag, maar heeft ook diverse veiligheidssystemen en systemen om druk, temperatuur en flow te meten. Daarnaast moet de regelaar voorzien in functies om het systeem drukloos te maken voor het onderhoud van het voertuig.

Een on-tank-valve is dus een complex stuk techniek. En met een werkdruk van 700 bar is dat helemaal een uitdaging.
Diverse fabrikanten zijn bezig met de ontwikkeling ervan, maar tot 2024 zijn er nog geen systemen op de markt die echt lekvrij en storingsvrij zijn bij 700 bar werkdruk. In samenwerking met Poppe + Potthoff heeft Teesing echter een on-tank-valve ontwikkeld die in 2024 op de markt komt.
Het Duitste Poppe + Potthoff is gespecialiseerd in voertuigsystemen voor extreem hoge werkdrukken. Common rail diesel sytemen werken bijvoorbeeld ook onder een werkdruk van circa 1500 bar.

Vloeibare waterstof voor mobiliteit

Als we willen groeien naar een echt hoge energiedichtheid is vloeibare waterstof een optie. Die hoge energiedichtheid is vereist als we zware voertuigen, schepen en vliegtuigen van waterstof energie willen voorzien. Dit betekent een cryogeen systeem, waarbij de druk weliswaar niet hoog is (enkele bar), maar de temperatuur ontzettend laag, vergelijkbaar met vloeibare stikstof. Dit soort systemen wordt onder andere door Airbus ontwikkeld. Het gewicht van de waterstoftank is dan ook een uitdaging. De oplossingsrichting waarin gezocht wordt zijn tanks van koolstofvezel gelamineerd met aluminium of aluminium gelaste dubbelwandige tanks met vacuum isolatie. Om het gewicht van het gehele systeem zo laag mogelijk te houden wordt ook het leidingwerk en koppelingen uit aluminium vervaardigd. Teesing is de enige leverancier die dit soort koppelingen ontwikkelt en levert.
Voor de ontwikkeling van dit soort systemen werkt Teesing samen met de TU Delft, Lucht en Ruimtevaart om te komen tot een protoype vliegtuig dat van Amsterdam naar Londen kan vliegen (AeroDelft).