LOHC@TRUCKS (2021)

Beschrijving

Inleiding

Deze haalbaarheidsstudie is uitgevoerd door de bedrijven Holthausen Clean Technologies B.V. (HCT) en Voyex B.V. (VX) in de periode juni 2021-juni 2022. De haalbaarheidsstudie is gesubsidieerd door en uitgevoerd onder de ‘DKTI Transport 2021’ regeling. De doelstelling van deze regeling is het bevorderen van projecten gericht op duurzaam vervoer en het programma richt zich daarbij specifiek op transportoplossingen met een lage of geen CO2 uitstoot.
 

Waterstof is één van de technologieën waarmee duurzaam transport kan worden gerealiseerd. HCT en VX zijn beide partijen die zich richten op het verduurzamen van transport middels waterstof, en dan met name het zwaardere transport. Zwaar transport wordt in deze haalbaarheidsstudie gezien als vrachtwagens met een beoogde massa (trekker/oplegger/lading) tot 40.000 kg. 

HCT houdt zich bezig met het ontwikkelen van vrachtwagens waarbij waterstof als energiedrager gebruikt wordt. Op dit moment betreft het vrachtwagens die worden aangedreven door elektromotoren, waarbij de elektriciteit wordt verkregen door omzetting van gasvormige waterstof middels een brandstofcel (FC). Daarnaast wordt een batterij toegepast in het systeem om de vrachtwagen zo efficiënt mogelijk te kunnen opereren door piekbelastingen op te vangen.

VX houdt zich bezig met de ontwikkeling van een alternatieve manier voor opslag van waterstof. Het betreft ‘Liquid Organic Hydrogen Carrier’ (LOHC) technologie. Hierbij wordt waterstof middels een hydrogenatie proces gebonden aan een drager/vloeistof, getransporteerd naar én getankt in de eind-applicatie. Vervolgens wordt in de eind-applicatie middels een de-hydrogenatie proces waterstof ontbonden van de vloeistof. De LOHC kan veel waterstof aan zich binden (hoge energiedichtheid), is veilig (niet brandbaar, niet toxisch) en zeer eenvoudig (geen vaste substanties, geen hoge drukken en is bij kamertemperatuur) te gebruiken.
 

De combinatie van een LOHC als opslagmedium met een FC vrachtwagen wordt binnen deze haalbaarheidsstudie onderzocht. De reden om dit te onderzoeken is dat het huidige gebruik van waterstof op druk in composietvaten beperkingen en/of uitdagingen met zich meebrengt. Ofschoon er voldoende energie, al zou meer wenselijk zijn, meegenomen kan worden zijn de drukvaten kostbaar en volumineus. Daarnaast is de benodigde tankinfrastructuur om waterstof op druk te leveren complex en kostbaar. Dit draagt bij aan een hoge prijs per kilogram getankte waterstof wat de algehele aantrekkelijkheid van waterstof voor vrachtwagens nadelig beïnvloedt. De volgende eigenschappen van LOHC bieden mogelijk een oplossing voor beide problemen wat de aanleiding is voor dit onderzoek.
1. Eenvoudige tankinfrastructuur en in-vehicle systemen o.b.v. vloeistof bij kamer temperatuur en atmosferische druk.
2. Per volume eenheid meer H2 kunnen meenemen.
3. Een risicoprofiel dat veiliger is dan diesel en vele malen veiliger dan waterstofgas.

Om te bepalen of deze combinatie kansrijk is wordt allereerst een beschrijving gegeven van de LOHC technologie van VX, de huidige gebruikte technologie in vrachtwagens (FC i.c.m. gasvormige waterstof op druk) en het verschil tussen de twee technologieën. Daarna wordt gekeken naar een essentieel onderdeel om het gebruik van LOHC mogelijk te maken: de warmtehuishouding van een FC truck. Op basis van deze inzichten wordt een systeembeschrijving gegeven van een FC truck met LOHC als brandstof. De technische inzichten zijn vervolgens vertaald in een uitgebreide techno-economische analyse om de haalbaarheid van deze combinatie te bepalen. In een kwalitatieve risicoanalyse worden verdere non-technische aspecten behandeld. Uiteindelijk wordt in de conclusie een eindoordeel gevormd over de haalbaarheid van FC truck met LOHC als brandstof.

Doel

Het doel van de studie is:
• Gestructureerd inzichtelijk maken wat de vermogensvraag is van een waterstoftruck en welke vermogensbehoefte (H2 output) dit vraagt van een de-hydrogenatie-systeem.
• Gestructureerd inzichtelijk maken hoe de warmtehuishouding van een FC truck aansluit bij de warmtebehoefte van het de-hydrogenering-proces.
• O.b.v. inzichten uit vermogensbehoefte en warmtehuishouding een basis design maken en randvoorwaarden opstellen voor implementatie van LOHC in een waterstofvrachtwagen.
• Vertaling van inzichten naar een uitgebreide en realistische TCO-analyse die zowel bevoorrading van waterstof als voertuigimplicaties bevat.
• Bepalen van algehele haalbaarheid van een door LOHC aangedreven FC truck.

Locaties

IJzendoorn (Voyex BV), Hoogezand (Holthausen Clean Technology B.V.)

Resultaat

Conclusies

In dit rapport is beken wat de techno-economische haalbaarheid is van een FC vrachtwagen die gebruik maakt van LOHC als waterstofdrager. Een LOHC kan zeer geschikt zijn als brandstof voor een vrachtwagen wanneer aan een breed scala van eisen wordt voldaan. De duidelijke voordelen van LOHC zijn met name het vergroten van de range van een vrachtwagen en de aanzienlijk lagere kosten van de waterstofbevoorradingsketen. In dit onderzoek is met name ingezoomd op de energiehuishouding van een FC truck in termen van vermogen én warmte, alsook overige randvoorwaarden zoals de kwaliteit van de geleverde waterstof. Om de vergelijking te maken is een truck van Holthausen Clean Technologies als uitgangspunt genomen. De technologie van Voyex is daarop toegepast. De belangrijkste conclusies zijn:

1. De brandstofcel van de vrachtwagen in deze studie vereist een gemiddelde van 7.7 kg/h2 per uur. Om waterstof met deze snelheid te kunnen leveren uit de LOHC is er 80kW aan warmte nodig op een temperatuur van 200 graden Celsius op het moment van vermogensvraag. Analyse van de warmtehuishouding van een FC truck laat zien dat de constante warmtebronnen minimaal 152 kW en maximaal 202 kW leveren. Echter, de temperaturen liggen maximaal op 120 graden wat niet afdoende is om de benodigde enthalpie voor de-hydrogenatie te bewerkstelligen. De consequentie is dat om 7.7 kg/h2 per uur te kunnen leveren aan de brandstofcel, het de-hydrogenatiesysteem een output moet leveren van 9,9 kg/h2 per uur waarvan de delta gebruik wordt om warmte voor het de-hydrogenatieproces te voorzien. In essentie is 28,6% meer waterstof nodig om dezelfde afstand te kunnen rijden. Ondanks dat er een aanzienlijk deel waterstof additioneel benodigd is, geeft de LOHC supply chain een verwachte ketenefficiëntie van 34,9% wat hoog is vergeleken met conventionele waterstof supply chains.

2. Vanuit een design perspectief is het mogelijk om het LOHC de-hydrogenatiesysteem effectief te verwerken in de vrachtwagen. Uitgangspunt daarbij is dat er geen waterstofdrukvaten nodig zijn. Een reactorvat van 175 liter zou benodigd zijn om de waterstof te leveren met een beperkt aantal aanpalende componenten zoals gas/vloeistofscheiders, warmtewisselaars en mogelijk een waterstofpurificatiesysteem. Analyse van het chassis laat zien dat er ruimte is voor +/- 1.500 liter aan LOHC wat effectief leidt tot een netto toename van +/- 30 kg waterstof die meegenomen kan worden. Dit vergroot de range van het voertuig met een additionele 400km. Dit is alleen mogelijk wanneer een tankdesign wordt geïmplementeerd waarbij middels een bewegend membraam een eenvoudig tankconcept geborgd kan worden.

3. Het beoogde design van de FC truck o.b.v. LOHC brengt een hoger CAPEX profiel met zich mee dan een FC truck o.b.v. gecomprimeerde waterstof. De delta is 90.000 Euro gegeven de 332K Euro voor FC truck met gecomprimeerde waterstof en 422K Euro voor een FC truck met LOHC. De CAPEX-delta wordt voor FC o.b.v. LOHC positief beïnvloed doordat de composieten vaten vervangen worden door standaard brandstoftanks. Echter, het beoogde de-hydrogenatie systeem is met name door de katalysator een prijzige aangelegenheid. Om dit te mitigeren is het behoud van een aanzienlijk batterijpakket benodigd zodat het de-hydrogenatiesysteem kleiner uit kan pakken (i.e. de maximale output is b.v. maar 5 kg H2/uur). Verdere analyse is benodigd om de gevolgen op de operatie te onderzoeken. Daarnaast zijn er sterke aanwijzingen dat de katalysator die op dit moment gebruikt wordt in het de-hydrogenatiesysteem vervangen kan worden door een goedkopere die wel dezelfde performance levert. Verder opbouwen van bewijslast is benodigd om deze kostendaling hard te kunnen maken.

4. Vanuit een TCO-perspectief worden verschillende zaken inzichtelijk:
• Een gedetailleerde analyse van de waterstof supply chain o.b.v. LOHC laat zien dat een prijs van +/- 6,10 Euro per KG H2 t.o.v. de huidige +/- 12,00 Euro per KG H2 op druk realistisch is. Ondanks dat er een aanzienlijk deel H2 opgeofferd moet worden zijn de jaarlijkse directe kosten van een vrachtwagen op LOHC lager dan een vrachtwagen op gecomprimeerde waterstof.
• Ondanks dat de directe kosten van een vrachtwagen op LOHC lager zijn, is het effect van de hogere CAPEX aanzienlijk op de beoogde marge. Waar in het doorgerekende model een vrachtwagen o.b.v. gecomprimeerde waterstof ongeveer 9,90 EUR/km moet omzetten is dit voor een vrachtwagen o.b.v. LOHC ongeveer 11,80 EUR/km. De analyse laat zien dat het voordeel van lagere directe kosten slechts een hogere CAPEX van 15.000 Euro toelaat.

5. De belangrijkste technische risico’s welke nog bevestigd moeten is dat de kwaliteit van waterstof afdoende is voor een brandstofcel en dat er een geschikte en door instanties geaccepteerde manier wordt gevonden om de warmtevoorziening voor het de-hydrogenatie systeem te regelen. Ook is het vertanken van de LOHC, waarbij een ingaande stroom met waterstofrijke LOHC simultaan plaatsvindt met een uitgaande stroom van waterstofarme LOHC nog een techniek die verdere uitdieping behelst.

6. Ofschoon een waterstofvrachtwagen o.b.v. LOHC technisch relatief eenvoudig is in te passen en volgens de huidige performance-criteria een additionele range biedt, is de instapbarrière aanzienlijk. Voor heavy duty mobiliteit is het een breed gegeven dat de delta tussen diesel en FC trucks o.b.v. gecomprimeerde waterstof groot is, voor een FC truck o.b.v. LOHC is deze nog groter.

Aanbevelingen

Op dit moment bevindt de technologie van Voyex zich nog in een vrij onvolwassen fase. Wanneer meer data inzichtelijk wordt rondom de effecten van andere katalysatoren, de kwaliteit van de waterstof en de stabiliteit van hydrogeneren en de-hydrogeneren is het nuttig om de haalbaarheid nog eenmaal te bekijken.

Het is overduidelijk dat de beperkte aanwezigheid van warmte nadelig is voor de efficiëntie van het proces. Het is noodzaak verder onderzoek te doen naar efficiënte manieren om in de warmtevoorziening te kunnen voldoen. Hierbij moet gedacht worden aan hoge temperatuur brandstofcellen en/of innovatieve warmtepomptechnologieën met hoge COP-waarden.
Koeling van brandstofcellen blijkt met de huidige systematiek een uitdaging. Het kan goed mogelijk zijn dat het gebruik van de LOHC om te koelen een stabiel en adequaat middel is. Mogelijk leidt dit tot betere controle van de FC en kan het de efficiëntie van stack en omringende systeem vergoten. Hiertoe kunnen Voyex en Holthausen verder samenwerken.

Actueel

Deze haalbaarheidsstudie is in juni 2022 afgerond.