Brandstof voor de toekomst: waar op moet worden gelet bij de productie van brandstofcellen
Gepubliceerd op 10 maart 2022 in Sustainable Manufacturing
ACES-bedrijven hebben behoefte aan slimme productiestrategieën en -technologieën om het potentieel van waterstof te benutten.
Als mensen het hebben over duurzame mobiliteit, is het eerste wat bij hen opkomt elektrische auto's. Brandstofcellen of directe waterstofbranders zijn aanvullende technologieën die vaak naar de achtergrond verdwijnen, maar veel te bieden hebben als het gaat om CO₂-reductie en marktopties.
De Duitse en de Europese automotive-industrie zijn dezelfde mening toegedaan: in een recent onderzoek van Expleo verklaarde 80% van de ondervraagde autofabrikanten dat zij waterstofvoertuigen milieuvriendelijker en schoner vinden dan elektrische auto's. 64% denkt dat de eerste waterstofauto's die klaar zijn voor serieproductie in de komende twee jaar op de markt zullen komen.
Wat echter nodig is, is dat fabrikanten en leveranciers meer inzetten op innovatie. Steun van politici en investeringen in een betere energie-infrastructuur zijn eveneens onontbeerlijk. Het volgende is ook belangrijk: bedrijven in de ACES-omgeving – ACES staat voor Autonomous driving, Connectivity, Electrification and Shared mobility, in het Nederlands autonoom rijden, connectiviteit, elektrificatie en gedeelde mobiliteit – hebben behoefte aan efficiënte en toekomstbestendige productiefaciliteiten, oftewel een slimme fabriek. Productielijnen moeten worden geautomatiseerd en gedigitaliseerd, handmatige processen moeten worden geëlimineerd en innovaties moeten worden gestimuleerd.
Echt duurzame waterstofproductie alleen met duurzame energie
De moderne en geautomatiseerde productie van accu's en brandstofcellen, ondersteund door robotica, sensortechnologie en AI, vormt de kern van duurzame strategieën. De accu is het centrale element van zowel waterstofaandrijving als ‘klassieke’ e-voertuigen, zij het aanzienlijk kleiner en anders geconstrueerd. Naast e-aandrijvingen en waterstof moeten ook e-brandstoffen, oftewel synthetische brandstoffen, worden genoemd als duurzame optie. Om waterstof echter op een echt duurzame manier te gebruiken, moet de H₂-brandstof worden geproduceerd met elektriciteit uit duurzame bronnen (elektrolyse), wat in grote hoeveelheden nog niet volledig haalbaar is.
Sommige grote automotive-bedrijven te voorzichtig met waterstof
In tegenstelling tot accucellen zijn brandstofcellen niet afhankelijk van grondstoffen zoals lithium of kobalt. In brandstofcellen is het hoofdmateriaal ijzer. Een ander voordeel is dat waterstof als moleculaire stof eenvoudig kan worden opgeslagen, vervoerd en beschikbaar kan worden gesteld voor toepassingen. Waterstofaandrijvingen worden nu al in steeds meer bedrijfsvoertuigen zoals stadsbussen toegepast, met name omdat zij meer ruimte bieden voor de vereiste aandrijfeenheid. Ze zijn nog steeds relatief zeldzaam in ‘normale’ auto’s, wat deels te wijten is aan het gebrek aan H₂-tankstations, maar ook aan de aarzelende implementatie van de industrie.Toenemende automatisering van elektrolyse- en brandstofcelproductieprocessen
Als we ook maar in de buurt van de klimaatdoelstellingen van Parijs willen komen, kunnen we niet om nieuwe energievoertuigen, zogenaamde NEV's, heen. Waterstof kan op CO₂-neutrale wijze uit hernieuwbare energie worden geproduceerd en in brandstofcellen worden omgezet in elektrische energie. Bij de productie van deze brandstofcellen moeten echter verschillende uitdagingen worden overwonnen om efficiëntie en precisie te garanderen. Dit geldt zowel voor de productie van de afzonderlijke componenten en het stapelen van de cellen tot een stack als voor de productie van het hele systeem.
Voor de wijdverbreide invoering van elektrolyse- en brandstofceltechnologie is product- en procesinnovatie vereist om de productiekosten te verlagen en zo de implementatie van deze technologie te stimuleren. Productievolumes moeten worden opgeschaald met behoud van uniforme kwaliteitseisen. Flexibele en schaalbare productielijnen die snel en eenvoudig aan individuele eisen kunnen worden aangepast, zijn aan te raden. Er zijn benaderingen nodig om de productiekosten van brandstofcellen te verlagen, aangezien dit de enige manier is waarop deze technologie op de langere termijn zal worden aanvaard.
Expertise op het gebied van accu's ondersteunt de productie van brandstofcellen
In tegenstelling tot de productie van accucellen, waar processen al vele jaren zijn geautomatiseerd en voortdurend verder worden ontwikkeld, staat de productie van brandstofcellen nog steeds zo goed als in de kinderschoenen. Dit komt vooral doordat waterstoftechnologieën nog niet de toepassing en de acceptatie hebben die voor een grotere productie nodig zijn. Veel workflows worden daarom semi-automatisch of zelfs handmatig uitgevoerd. Om waterstoftoepassingen aantrekkelijker te maken, is dringend behoefte aan meer automatisering in de productie. Omdat de productie van accu's en brandstofcellen in veel opzichten vergelijkbaar is, is het raadzaam om hierbij te vertrouwen op een partner die bekend is met de geautomatiseerde productie van accucellen. Naast de technologie en knowhow zijn ook systeemintegrators en machinebouwers nodig om dit onderwerp gezamenlijk vooruit te helpen. Een bijzonder cruciaal proces in de productie van accu's en brandstofcellen is stapelen, waarbij fouten zoals lekkages kunnen optreden.Fabriek van de toekomst: gemoderniseerde productieprocessen, innovatieve technologie
De hoekstenen van een toekomstgerichte brandstofcelproductie om duurzame mobiliteit te bevorderen, zijn de procedures en technologieën van de slimme fabriek (productie van de toekomst). Deze maken het mogelijk om de productie volledig te moderniseren en toeleveringsketens van de grond af te rationaliseren, parallel aan de uitbreiding van en omschakeling naar nieuwe aandrijftechnologieën. Innovatieve industriële robotica, mobiele robots en cobots, edge computing, sensortechnologie, de koppeling van mechatronica en IT, en augmented reality (AR) zijn enkele voorbeelden van deze fabrieksvloer van de toekomst.
De hoogst mogelijke graad van digitalisering is de sleutel tot succes, zodat het productieproces zichzelf onafhankelijk kan optimaliseren. Maar ook traceerbaarheid is essentieel. Idealiter moet elke laag van een brandstofcel kunnen worden getraceerd om vast te stellen waar de productie niet optimaal verloopt.
Een andere pijler is artificial intelligence (AI), aangezien die kan worden gebruikt om nieuwe efficiëntiemogelijkheden te ontsluiten in zeer complexe productieketens. Als AI correct wordt gebruikt, kan deze toonaangevende spelers in de automobielindustrie helpen hun processen beter te begrijpen. De informatie die wordt verzameld door AI en op sensoren gebaseerde technologieën leidt tot nieuwe inzichten om processen binnen en buiten het bedrijf te optimaliseren. Een voorbeeld hiervan is voorspellend onderhoud: het kan worden gebruikt om slijtagepatronen, eigenaardigheden en afwijkingen te detecteren en zo machinestoringen, uitvaltijd en fouten tegen te gaan. Er moet ook bijzondere aandacht worden besteed aan naadloze en flexibele intralogistieke processen voor een transparante toeleveringsketen.
