18/12/2017
Door Bart Driessen
Een grote stadsbus, elektrisch aangedreven – dus duurzaam - en met een actieradius van 200 kilometer: dit idee is gerealiseerd door Team FAST, een groep studenten van TU Eindhoven. Met mierenzuur als brandstof.
Dat we iets moeten doen tegen uitstoot en fijnstof in het verkeer is onderhand wel duidelijk. Een stap in de goede richting zijn de elektrische auto’s. Vooral in de stad waar de kleinere capaciteit van de elektrisch auto eerder wordt geaccepteerd. Maar daarmee zijn we er nog lang niet. Wat te denken van de grotere voertuigen, zoals bussen en vrachtauto’s? Elektrificatie van dat soort zware voertuigen is nog een stuk moeilijker. Behalve dat een stadsbus van zichzelf het nodige weegt, moet elke bus constant stoppen en versnellen. Vooral het accelereren met de elektromotor vraagt enorm veel stroom. Dat verklaart ook waarom elektrische bussen en trucks een erg beperkte actieradius hebben. Alleen als het accupakket monsterlijk groot wordt gemaakt, is een actieradius van 150 kilometer misschien mogelijk. Afgezien van het gewicht lopen we dan tegen de kosten aan voor de stapel noodzakelijke accu’s. Met andere woorden; willen we elektrische bussen en vrachtwagens op de weg, dan hebben we een energiebron nodig, krachtiger, lichter en goedkoper dan een uitgebreid accupakket.
foto: Bart van Overbeeke
Anders denken
Goede oplossingen zijn vaak het product van anders denken. Een voorbeeld daarvan is de alternatieve energiebron waarmee Team FAST komt. In plaats van verder te werken aan nog grotere accupakketten hebben de Eindhovense studenten gekozen voor een chemisch-elektrische oplossing. Hun krachtige energiebron bestaat namelijk uit het opwekken van elektriciteit vanuit mierenzuur. Team FAST spreekt liever van ‘hydrozine’: mierenzuur die duurzaam is geproduceerd en past in hun streven naar een schone, elektrische aandrijving. Als voertuig voor dit project gebruikt Team FAST een elektrisch aangedreven stadsbus van VDL. Op de Automotive Campus in Helmond, naast een van de vestigingen van VDL, voeren de studenten alle testen met deze bus uit.
Foto: Bart van Overbeeke
Een tank mierenzuur
Onderscheidend aan de bus van VDL is dat ze geen groot accupakket heeft; in plaats daarvan heeft ze een een-assige aanhangwagen, de REX. Deze REX, ofwel Range EXtenser, bevat de complete techniek die zorgt voor het grote bereik van deze bus. Onderdelen daarvan zijn de procesbesturing, de tank voor de opslag van het hydrozine, de reformer en de brandstofcel. Vooral de brandstofcel behoort tot de belangrijkste installaties. Deze brandstofcel zorgt er voor dat de bus rijdt zolang er genoeg hydrozine in de tank is. En het is vooral de range van deze bus waar het om gaat. Op dit moment is de actieradius van deze VDL-bus 200 kilometer, op basis van een gevulde tank met 300 liter hydrozine. Een mooi resultaat. Maar Team FAST is met dit resultaat echter nog lang niet klaar.
Foto: Bart Driessen
Tankstations
Lennart van Rijn, leider Electronics Team van het Team Fast: “Onze bus kan nu al probleemloos aan het verkeer deelnemen. Er zijn nog wel kleine onderdelen waar we aan werken, maar we hebben nu al een heel grote stap gezet. Eind 2017 komen we met de officiële voorstelling aan het publiek.” Ondanks deze positieve aankondiging blijft dit team de komende jaren doorwerken. Bijvoorbeeld aan de doorontwikkeling en verbetering van onderdelen zoals het bijtanken. Het tanken zelf is geen probleem. Er is al een prototype tankpomp ontwikkeld voor hydrozine die net zo snel tankt als een gewone brandstoftank. Een ander verhaal is het aantal tankstations voor mierenzuur. Om zoveel mogelijk tankstations langs de weg aangepast te krijgen, moeten verschillende partijen daar aan mee doen. Een groep binnen Team Fast houdt zich hier mee bezig en werkt met verschillende partners aan die ontwikkeling. Een meevaller is dat bestaande brandstoftanks hier zonder probleem voor gebruikt kunnen worden.
Foto: Bart van Overbeeke
Energiedichtheid en aanbod
Lennart van Rijn: “Onze keuze voor mierenvuur als brandstof heeft vooral te maken met de hoge energiedichtheid van deze stof. Vergeleken met een accu bevat mierenvuur bijna vier keer zo veel energie. Dankzij die hoge energiedichtheid is het mogelijk om in een beperkte ruimte meer stroom te maken; een voordeel dat goed van pas komt in onze toepassing. Mierenzuur is breed verkrijgbaar in de industrie en wordt ook verwerkt in alledaagse producten. Het kost nu ongeveer 45 cent per liter, maar dan hebben we het over mierenzuur dat niet duurzaam wordt gemaakt. Team Fast wil echter hydrozine gebruiken, ofwel duurzaam geproduceerd mierenzuur. Samen met andere partijen proberen wij het aanbod van duurzame mierenzuur te stimuleren. Omdat de productie nu nog op kleine schaal wordt uitgevoerd, zijn de kosten daarvan duurder dan industrieel mierenzuur. Maar als het lukt de duurzame productie op grote schaal uit te voeren, zal de prijs voor hydrozine ook lager worden.”
Hydrozine beter dan accupakket
De elektrische bus die Team Fast gebruikt is momenteel goedkoper dan een bus die alleen op accu's rijdt. Deze bus is namelijk niet uitgerust met de grote accupakketten die nodig zijn bij de puur ‘elektrische’ bussen. De kosten zitten meer in de Range Extenser, de aanhanger met technische ruimte voor de omvormer en de brandstofcel. De Range Extenser is natuurlijk een prototype waarvan de kosten nu nog op een hoog niveua liggen, maar op den duur kunnen dalen. Maar daar tegenover staat dat de hydrozine-bus nu al met een gevulde brandstoftank naar Polen kan rijden. Een ‘puur’ elektrische bus kan dit nog niet. Voeg daar aan toe dat de Range Extenser geen elektrische laadpunten nodig heeft en veel sneller kan bijtanken, dan is duidelijk dat de bus van Team Fast zeker kans maakt.
Elektriciteit uit brandstofcel
Hoe gaat de productie van elektriciteit door de brandstofcel in zijn werk? Mierenzuur bestaat uit drie bestanddelen: elektriciteit, water (H2O = bron voor waterstof) en koolstofdioxide (CO2). Door H2O en CO2 in een reformer onder stroom te zetten, is het mogelijk een bijzondere vloeistof te maken: HCOOH, ook wel aangeduid als mierenzuur of hydrozine. Het mierenzuur kan ook in omgekeerde richting door de reformer worden gevoerd. De reformer zal dan de hydrozine terug splitsen in waterstof en koolstofdioxide. Vervolgens laat de brandstofcel het waterstof reageren op elektriciteit en zuurstof. Het resultaat daarvan is een grote hoeveelheid elektriciteit, plus water, plus CO2. Het nut van de elektriciteit is duidelijk; bijvoorbeeld om een elektrische stadsbus te laten rijden. Daarnaast kun je het water hergebruiken, door dat terug te voeren naar de reformer. Maar ook de uitgestoten CO2 is bruikbaar. Want om genoeg mierenzuur of hydrozine te maken (zodat de elektrische bus kan blijven rijden) heb je ook CO2 nodig. Door de afgestote CO2 en H2O opnieuw in de reactor te brengen wordt weer hydrozine gemaakt. Zodat als resultaat de brandstofcel elektriciteit blijft maken en de bus blijft rijden. Met andere woorden, door te rijden met de elektrische bus van Team Fast voeg je geen CO2 toe aan het milieu. De uitgestoten hoeveelheid CO2 wordt namelijk in zijn geheel weer omgezet in het noodzakelijke mierenzuur.
Foto: Bart van Overbeeke
Veiligheid
Zijn er risico’s verbonden aan het gebruik van mierenzuur of hydrozine? Lennart van Rijn: “De productie van hydrozine is een veilig proces. Hydrozine is geen gas, maar vloeistof en wordt in tanks opgeslagen zoals dat ook met diesel gebeurt. De enige voorziening zijn de lekvrije koppelingen die worden gemonteerd in de REX. Deze koppelingen voorkomen dat het mierenzuur tijdens het tanken ontsnapt en de bodem verzuurt. Maar verder veroorzaakt hydrozine geen risico’s.”
Sponsoring door techbedrijven
Het ofwel Formic Acid Sustainable Transportation, is gestart in 2015 en bestaat uit 35 studenten van de TU Eindhoven. De studenten doen dit puur uit nieuwsgierigheid en worden niet met studiepunten of voorrechten beloond. Minstens zo belangrijk bij deze projecten zijn de sponsors. Zonder belangeloze sponsering door techbedrijven zijn dit soort projecten moeilijk van de grond te krijgen. Techbedrijven kunnen ondersteuning bieden als adviseur, maar ook als belangeloze leverancier van componenten en systemen. Voorbeelden in dit project zijn de PC’s, HMI’s en industriële netwerkcomponenten die door Beckhoff beschikbaar zijn gesteld. Een ander voorbeeld is de stadsbus die VDL heeft uitgeleend. Deze werkruimte waar alle techniek wordt ontwikkeld en getest, maakt deel uit van de Automotive Campus in Helmond.
Sponsoring door familiebedrijf
Lennart van Rijn: “Toen wij een oplossing zochten voor toereikende CPU’s kwamen we in contact met John Stut, sales manager bij Beckhoff Nederland. Hij heeft ons daarmee enorm geholpen. Ook toen betaalde onderdelen niet direct leverbaar waren. Het was het begin van een intensieve samenwerking. Hij heeft de productie in Duitsland persoonlijk aangesproken en er voor gezorgd dat de onderdelen in 10 dagen bij ons binnen kwamen. Daaraan merk je wel dat Beckhoff nog steeds de mentaliteit van een familiebedrijf heeft, ook al is het nu een groot bedrijf. We gebruiken onder meer CX5120 PC voor centrale besturing op basis van TwinCAT. Dat doen we vanwege de snelheid, combineerbaar met Mathlink en Wonderware. Daarnaast gebruiken we bedienschermen met touchscreens en snelle IO-modules, onder andere met EtherCAT- en CAN-interfaces. De snelle IO-modules zijn vooral van belang voor de brandstofcel. Meer dan 250 onderdelen daarvan moeten meer dan 100 keer per seconde doorgemeten worden. Beckhoff heeft daarvoor de interface geleverd; een heel belangrijk onderdeel. En dan hebben we ook nog 60 sensoren en 55 regelkleppen gemonteerd.”
Dit artikel verscheen ook in Constructeur, nummer 11-12.