Ketels en branders in waterstofinstallaties
Waterstof wordt steeds vaker toegepast als brandstof voor de productie van warmte of elektriciteit. De hiervoor benodigde verbrandingsinstallaties verschillen van de traditionele installaties die op een fossiele brandstof (zoals aardgas) werken. Eenvoudig omdat de eigenschappen van beide media verschillend zijn. Onder andere de ketel en de brander vragen specifieke aandacht.
Hoe waterstof als brandstof afwijkt van fossiele brandstoffen zoals aardgas, blijkt uit onderstaande figuur. Opvallend is onder meer de calorische waarde die ongeveer drie keer zo laag is als die van aardgas en vier keer zo laag als benzine. Let wel: dit geldt voor het volume gas onder atmosferische druk en bij een temperatuur van 0 °C. Omdat het gas ook veel lichter is dan aardgas, is de energie-inhoud per kg waterstof juist ongeveer 2,5 keer zo hoog als aardgas en benzine. Om een kg waterstof in een acceptabel volume te krijgen (een normale auto tankt ongeveer 5 kg waterstof) zijn dan ook hoge drukken en lage temperaturen nodig.
Een ander belangrijk verschil ligt in de ontstekingsenergie die bij waterstof bijna vijftien keer zo klein is als bij methaan. Het gas is hiermee te scharen onder de categorie ‘licht ontvlambaar’ wat betekent dat de verbranding al snel heftig verloopt. Dit met bijbehorende hoge temperaturen. Daarnaast zijn de ontvlambaarheidsgrenzen bij waterstof significant breder, waardoor dit gas bij een breder menggebied met omgevingslucht kan ontbranden.
| Karakteristiek | Waterstof | Commentaar |
|---|---|---|
| Dichtheid gasvormig H2 (0 °C, 1 atm) | 0,090 kg/Nm3 | 14 keer lichter dan lucht |
| Kookpunt (1 atm) | -252 °C (20 K) | Methaan: -161 °C (112 K) |
| Dichtheid vloeibare H2 | 70,8 g/l | Benzine: 720 g/l |
| Energie-inhoud gasvormige H2 (onderste verbrandingswaarde) | 120 MJ/kg |
Methaan: 50 MJ/kg |
| Energie-inhoud gasvormige H2 (0 °C, 1 atm) | 33.33 kWh/kg 10,8 MJ/Nm3 3 kWh/Nm3 |
Methaan: 36 MJ/Nm3 |
| Energie-inhoud vloeibare H2 (onderste verbrandingswaarde) | 8.5 MJ/l 120 MJ/kg 2.36 kWh/l |
Benzine: 33 MJ/l Benzine: 46 MJ/kg |
| Ontvlambaarheidsgrenzen in lucht (25 °C, 1 atm) | 4 - 75 vol % | Methaan: 5,3 - 15,0 % vol |
| Detonatiegrenzen in lucht (25 °C, 1 atm) | 15 - 59 % vol. | Methaan: 6,3 - 13,5 % vol |
| Zelfontbrandingstemperatuur | 585 °C | Methaan: 540 °C |
| Ontstekingsenergie | 0.02 mJ | Methaan: 0.29 mJ |
Aanpassing ketel, vervanging brander
Door de bovengenoemde verschillen tussen waterstof en fossiele brandstoffen, kan een traditionele verbrandingsinstallatie niet zomaar draaien op waterstof. Bij de overstap naar waterstof (of eventueel een hybride mengsel) in bestaande installaties, is het daarom belangrijk om eerst een inventarisatie te doen waar aanpassingen nodig zijn.
Deze inventarisatie begint met het vaststellen of de installatie überhaupt nog voldoet aan de taak waarvoor hij op dat moment wordt ingezet. Veel verbrandingsinstallaties voor de productie van warmte of elektriciteit zijn namelijk op leeftijd en door de tijd heen soms zwaarder of anders belast dan oorspronkelijk bedoeld. In andere gevallen zijn installaties van oudsher juist zwaar overgedimensioneerd – door mogelijk een opeenstapeling van veiligheidsfactoren – waardoor de installatie juist teveel warmte produceert. Een voor de hand liggende oplossing voor de laatste situatie is de warmte te delen met een andere afdeling of eventueel een ander bedrijf (‘de buurman’). Natuurlijk is het ook mogelijk om de installatie te downraten.
Ketels
Een volgende stap is het beoordelen van de hardware. Waar vaak het leidingwerk kan blijven bestaan, is een vervanging of aanpassing van de ketel onvermijdelijk. Dit heeft onder andere te maken met de hogere temperaturen waarbij waterstof wordt verbrand. Een situatie die leidt tot een andere warmteverdeling waarbij de temperaturen vaak oplopen tot boven de grens waarvoor de ketel ontworpen is. Aanpassingen zijn eventueel mogelijk door een extra bescherming aan te brengen en er in elk geval voor te zorgen dat de verbranding gecontroleerd verloopt zonder extreme pieken in de temperatuur. In sommige gevallen is vanwege de hogere rookgastemperaturen ook aanpassing van de oververhitter aanbevolen.
Branders
Branders moeten in praktisch alle gevallen worden vervangen. Ook hier is de hogere verbrandingstemperatuur de oorzaak. Gewone buitenlucht bevat naast zuurstof namelijk veel stikstof (ongeveer 80% stikstof en 20% zuurstof) dat sneller onderling reageert bij hogere temperaturen. Bij een ongewijzigd ontwerp van de brander in combinatie met gelijke bedrijfscondities, zullen bij de verbranding van waterstof aanzienlijk meer NOx emissies ontstaan dan bij de verbranding van een fossiele brandstof.
De oplossing voor deze verhoogde uitstoot ligt niet in het wijzigen van het werkingsprincipe van de brander. Deze blijft bijna gelijk. De vorming van stikstofverbindingen is wel in de hand te houden door de verbranding van waterstof meer ‘uit te spreiden’ over de beschikbare ruimte in de vuurhaard. Op deze manier wordt namelijk een optimale menging van zuurstof en waterstof voorkomen en treedt er ook geen heftige reactie op waarbij lokaal de vlamtemperatuur hoog kan oplopen. Bovendien is het mogelijk gebruik te maken van rookgas circulatie. Net als bij conventioneel aardgas wordt dan een aandeel koude rookgassen voor de schoorsteen teruggevoerd en gemengd met de verbrandingslucht.
Veiligheid
Tot slot is het belangrijk om in waterstofgas gestookte installaties extra veiligheden in de vorm van detectie toe te passen. Waterstofmoleculen zijn namelijk kleiner dan aardgasmoleculen en kunnen hierdoor eenvoudiger ontsnappen via afsluiters en flenzen. Daarbij is waterstofgas aan de ene kant gevaarlijker vanwege de lage ontstekingsenergie, maar aan de andere kant ook minder een probleem omdat het een zeer licht gas is. Wanneer het ontsnapt in de normale atmosfeer zal het direct vervliegen en is de kans op een spontane ontbranding (explosie) klein. Monitoring in het kader van veiligheid blijft echter een cruciaal punt. Naast monitoring dient ook de huidige en toekomstige geïnstalleerde instrumentatie geschikt te zijn voor waterstofbedrijf.
Eén partij; alle kennis
Stork heeft een jarenlange ervaring met de nieuw- en ombouw van waterstofinstallaties. Daarbij is het een groot voordeel dat alle benodigde disciplines in eigen huis beschikbaar zijn. Niet alleen de engineering en de bouw van de installaties, maar ook het ontwerp en productie van de componenten zelf.
Het reverse engineeren van de bestaande ketel is vaak het startpunt voor het uitwerken van de aanpassingen die nodig zijn voor de overstap naar waterstof. Stork kan zo de ketels en branders optimaal afstemmen op de specifieke toepassing en bouwt op deze manier altijd turnkey oplossingen. Daarbij nemen we de volledige verantwoordelijkheid voor het verbrandingssysteem. Klanten hebben hiermee een enkel aanspreekpunt bij een storing, maar ook wanneer de wens bestaat de installatie te wijzigen. Een aanspreekpunt dat bovendien op de hoogte is van alle ins en outs en hiermee optimaal in staat de efficiëntie net als de veiligheid van de installatie te garanderen.