Award-winnende warmtewisselaar koelt waterstof voor tankstations
Een ‘donutvormige warmtewisselaar’, zo typeert Jan van Sambeek, algemeen directeur van Torus Cooling, het hart van de waterstof-koelinstallatie waarmee zijn bedrijf de knvvk & young cool Innovatieprijs 2021 won. Inmiddels zijn de eerste waterstoftankstations geopend die gebruikmaken van een installatie met de H2Cool – the Age to Cool van Torus Cooling.
Tekst: Bas Roestenberg
De Torus-warmtewisselaar bestaat, simpel gesteld, uit een lange leiding die in een donutvormige behuizing wordt gewikkeld. Feitelijk is er sprake van een badverdamper, maar dan met een veel kleiner koudemiddelvolume en een veel hogere energie-efficiëntie, zo stellen de makers.
Koeltechnische uitvinder
Jan van Sambeek legt uit dat de warmtewisselaar is ontwikkeld door een van de huidige aandeelhouders van Torus Cooling, Wim Schoonen: “Wim heeft als uitvinder verschillende koeltechnische vondsten op zijn naam staan. Zo heeft hij een apparaat uitgevonden waarmee in de horeca bierglazen in een paar seconden ijskoud worden gemaakt, en een machine die binnen vijf minuten kristalheldere ijsblokjes maakt.”
Een van de criteria voor Wim Schoonen is dat er een duidelijke marktbehoefte voor zijn innovaties moet zijn. Dat heeft uiteindelijk ook de aanzet gegeven tot het ontwerp van de bijzondere warmtewisselaar. “Veel bedrijven die gebruikmaken van productkoeling zijn huiverig voor microchannel- of platenwarmtewisselaars”, vertelt Van Sambeek. “Dergelijke wisselaars zouden de integriteit van het product kunnen aantasten, is het idee. Bij onze warmtewisselaar is dat uitgesloten. Hij is sanitair gesloten; het product verlaat nergens het leidingwerk tussen bron en afname.”
Toen Jan van Sambeek en Niels Govers (manager product development bij Torus Cooling) vorig jaar hun product instuurden om mee te dingen naar de Innovatieprijs van de knvvk & young cool, hadden ze er in eerste instantie een hard hoofd in. “Wij zijn nog maar een kleine speler”, vertelt Van Sambeek. “Er deden grote, gevestigde namen uit de koeltechniek mee, dus we dachten dat we aardig kansloos zouden zijn.” Dat gevoel verdween toen Torus Cooling eerst bij de laatste acht mededingers zat, en uiteindelijk zelfs finalist bleek. “Tijdens de prijsuitreiking zaten we in een zaal vol mensen die hun sporen in de koeltechniek hebben verdiend. Het was geweldig om uiteindelijk tot winnaar te worden uitgeroepen en veel felicitaties uit de sector te krijgen. We hebben er goede contacten aan overgehouden.”
Torus Cooling-warmtewisselaar, ingepakt in H2Cool – the Age to Cool.
‘Uitzonderlijk kleine’ delta-T’
De eerste apparaten die met de nieuwe warmtewisselaar zijn ontwikkeld, waren bierkoelers waarbij de leiding tussen het biervat en de tap door de warmtewisselaar werd gewikkeld. “Praktijkmetingen bevestigden dat onze wisselaar met een uitzonderlijk kleine delta-T kan koelen”, vertelt Van Sambeek. “Het verschil tussen de temperatuur van het koelmedium en het eindproduct is ongeveer 1 °C. Wil je een biertje tappen met een temperatuur van 3,5 °C, dan moet je koelen op ongeveer 2,5 °C, met een kleine afwijking omdat je altijd rekening moet houden met transportverliezen.” Bij het vermarkten van de koeler bleken marktprijzen een obstakel. “Bierkoelers zijn goedkoop omdat het massaproducten zijn”, stelt Van Sambeek. “Ons eerste testproduct bestaat echter volledig uit handwerk, en het inleggen van vele meters leidingwerk in de wisselaar is een tijdrovende klus. Inmiddels hebben we partners die dat deel van de productie gaan automatiseren. Daarmee komt massafabricage dichterbij.”
Contact met de food-industrie
Een volgende stap kwam toen Torus Cooling in gesprek raakte met mensen uit de food-industrie. “Bij Van Rijsingen Green uit Helmond, een bedrijf dat worteltjes verwerkt, had men veel problemen met vervuiling van en onderhoud aan de hydrokoeler. Daarnaast was er de wens om de temperatuur van het ijswater nauwkeurig te regelen en minder tijd te besteden aan de dagelijkse reiniging.” Torus Cooling ontwikkelde een koelunit waarmee kraanwater in-line tot ijswater wordt gevormd en de productie zodanig kan worden verhoogd dat niet hoefde te worden geïnvesteerd in een tweede hydrokoeler.
In-line koelen van gassen
Dit concept, waarbij de integriteit van het leidingstelsel wordt behouden, leidde tot nieuwe vragen vanuit de markt. Van Sambeek: “Zo kwamen we in contact met een bedrijf dat vroeg of ons systeem ook geschikt is voor het in-line koelen van gassen. Meer concreet ging het om het koelen van waterstofgas voor een tankstation. Daarbij worden heel specifieke eisen gesteld: het gas moet worden gekoeld tot -40 °C, door een leiding lopen die 1000 bar kan weerstaan, en enorm snel worden teruggekoeld vanaf omgevingstemperatuur.” Met die eisen ging Torus Cooling aan de slag. Er werd een testunit gebouwd die prima bleek te functioneren. “Doordat we directe koeling toepasten, bleek een hogere COP mogelijk dan met de meer gebruikelijke indirecte systemen voor waterstofkoeling.”
Het waterstoftankstation van Holthausen Energy Points in Groningen.
Eerste waterstoftankstation met H2Cool
Uiteindelijk werd in Den Haag het eerste publieke waterstoftankstation geopend dat een H2Cool – the Age to Cool-installatie gebruikt, zoals het Torus-systeem voor waterstofkoeling heet. Inmiddels heeft het bedrijf vervolgorders gekregen in België, Frankrijk en Duitsland, en recent voor een waterstoftankstation in Groningen. “Waterstof staat volop in de belangstelling”, zegt Van Sambeek. “Het gebruik ervan zal de komende jaren flink toenemen, ook voor wegtransport. Zo bouwen we alleen in Nederland al mee aan een tiental stations. Dit is een markt waar we echt wat voor kunnen betekenen; bij deze toepassing is ons koelsysteem 25 tot 50 procent energiezuiniger dan een traditionele chiller. Bovendien werkt het een stuk simpeler: we gebruiken de leiding die al in het station wordt toegepast. We proberen met de H2Cool – the Age to Cool de nieuwe standaard te worden.”
Propaan en propeen
De warmtewisselaar kan in principe met vrijwel ieder koudemiddel worden toepast. H2Cool – the Age to Cool-machines maken gebruik van propaan en propeen, om waterstof in twee trappen terug te koelen, van omgevingstemperatuur naar -40 °C. In de eerste trap wordt propaan als koudemiddel gebruikt voor koeling naar -20 °C; in de tweede trap wordt propeen als koudemiddel gebruikt voor het doorkoelen naar -40 °C. De reden om waterstof met deze lage temperatuur te tanken, is dat bij expansie de tank in de auto veel warmer wordt. Om veiligheidsredenen is vastgelegd dat de tank niet te warm mag worden. Van Sambeek: “Een andere, misschien belangrijkere reden, is dat de auto volgens een specifiek protocol moet worden gevuld en je energieverliezen wilt voorkomen. Waterstof moet binnen een vaste temperatuur-bandbreedte gecomprimeerd de tank van de auto in. Als dat niet gebeurt, dan treden beveiligingsscenario’s in werking en breekt de auto zelf de tankbeurt af”.
De H2Cool, the Age to Cool (rechts), bij het tankstation in Groningen.
‘Interstage’ terugkoelen van de waterstofbuffer
Naast dit gedeelte is in de installatie nog een tweede koelinstallatie actief, met onder andere een drycooler en een Torus-warmtewisselaar voor het zogeheten ‘interstage’ terugkoelen van de waterstofbuffer van het tankstation. Daarmee wordt waterstof op verschillende drukniveaus opgeslagen. “De bijna lege tank van een waterstofauto heeft een druk van ongeveer 50 bar”, legt Van Sambeek uit. “Als je die direct met 900 bar begint te vullen, zorgt de snelle expansie voor veel energieverlies. Daarom wordt het waterstof in verschillende bufferstages opgeslagen. Een lege tank wordt in eerste instantie met waterstof op een lagere druk gevuld, meteen daarna met waterstof op een hogere druk, enzovoort. Zo hou je bij de dispenser (de pomp waar automobilisten staan te tanken, red.) het drukverschil met de tank in de auto zo beperkt mogelijk.”
Ononderbroken leidingwerk
Een bekende uitdaging bij waterstoftankstations is koudeverlies in het leidingwerk tussen de opslag en de dispenser waar de auto bij staat. Bij sommige koelsystemen is de dispenser zelf ook voorzien van een koelsysteem, om het koudeverlies van de leiding te compenseren, maar Torus Cooling heeft een andere oplossing bedacht. Van Sambeek: “Normaalgesproken wordt uitgegaan van gelast leidingwerk dat elke maximaal zes of twaalf meter onderbroken is. Om koudeverlies in de leiding tegen te gaan, gebruiken wij echter lange ononderbroken, ongelaste leidingen waarbij koudemiddel wordt meegepompt. Het gaat daarbij om een slimme, gepatenteerde technologie om verliezen nihil te houden. Omdat we nu nog hele kleine series afnemen, is dat een relatief dure oplossing, er zijn immers innovatiekosten. Als je de energiebesparing van onze installaties in ogenschouw neemt, is ons systeem echter goedkoper dan de inzet van een traditionele chiller voor waterstofkoeling.”
De waterstofdispenser van het station in Groningen. Dankzij de H2Cool – the Age to Cool is het hier mogelijk om continu waterstof te tanken.
Snel reagerend systeem
Bij dit alles is volgens Van Sambeek een ander belangrijk voordeel van de H2Cool – the Age to Cool dat het systeem veel sneller reageert dan een traditionele chiller. “Zo’n chiller moet 24/7 een buffervoorraad waterstof koud houden en om de paar tankbeurten eerst de buffer bijladen voor er weer kan worden getankt. Dat is zonde van de energie. Als in de nabije toekomst meer waterstofauto’s rondrijden, zal het bovendien voor gaan komen dat twee of drie auto’s achter elkaar willen tanken, net als bij een normale pomp. De kans is dan groot dat nummer drie in de rij een tijdje moet wachten omdat de waterstofbuffer van het station moet worden voorgekoeld. Bij ons speelt dat niet, omdat ons systeem veel sneller reageert. Binnen 20 seconden nadat de installatie aanspringt, is er weer voldoende waterstof op temperatuur voor een tankbeurt. Je kunt dus continu, ofwel back-to-back, tanken. Dat is ruimschoots bewezen bij een recente test die onze klant op het station in Groningen uitvoerde.”
Installaties groter dan 1 MW
De vraag is wat er nog meer in het vat zit voor Torus Cooling. Het bedrijf communiceert officieel dat het concept koelvermogens ‘van 1W tot 1 MW’ kan leveren. Bij toepassingen waarvoor de warmtewisselaar tot nu werd gebruikt, ging het om vermogens van een paar 100 watt (bierkoeling) of enkele tientallen kW’s (ijswater) tot een paar 100 kW (H2Cool – the Age to Cool, en ijsblokken uit de Cuby King). Volgens Van Sambeek zouden iets grotere installaties dan 1 MW mogelijk kunnen zijn, maar moet het leidingwerk in de warmtewisselaar ‘beheersbaar blijven’. Voorlopig ligt de focus van het bedrijf met name bij de H2Cool – the Age to Cool en de ontwikkeling van industriële koelers en ijsmachines.
Een kijkje in de machinekamer van de H2Cool.
Mogelijkheden voor lagetemperatuurverwarming
Wel wordt voorzichtig nagedacht over mogelijkheden om de warmtewisselaar ook in te zetten voor lagetemperatuurverwarming met een warmtepomp. “Door de lage delta-T van onze wisselaar kan dat een interessante optie zijn. De allereerste onderzoeken gaven ook een gunstig resultaat. Dit is echter meer iets voor de wat langere termijn; de eerstkomende tijd focussen we op de net genoemde koeltechnische toepassingen, mede omdat we over beperkte menskracht beschikken.” Met dat laatste doelt Van Sambeek op een probleem dat de hele sector raakt, namelijk personeelstekorten. “We kunnen veel meer werk oppakken en ons concept sneller doorontwikkelen als we aan goede technische mensen komen die mee willen denken. We hebben vacatures openstaan en hopen dat we met onze innovatiekracht een aantrekkelijke werkgever voor bevlogen technici zijn. Die zijn ook voor ons echter lastig te vinden.”