Waterstof als duurzame oplossing voor mobiliteit

Nel Hydrogen-software gebaseerd op Beckhoff-technologie

Waterstof wordt beschouwd als dé energiedrager van de toekomst. Als energiedrager produceert het geen koolstofdioxide, tenminste als hernieuwbare energiebronnen worden ingezet om het te capteren. Nel Hydrogen - al jaren pionier in waterstoftechnologie - streeft met zijn waterstofproductieconcepten naar een milieuvriendelijke mobiliteit. Het Deense bedrijf ontwikkelt brandstofstations en -distributiesystemen voor wagens, bussen en trucks. Snelle real-time controle en monitoring van elke component in zo’n station is cruciaal om een hoge betrouwbaarheid en lage onderhoudskosten te verzekeren. Deze gesofistikeerde softwareoplossingen zijn gebaseerd op technologie van Beckhoff.

Waterstof tanken

Vanuit zijn hoofdkwartier in het Deense Herning ontwikkelt Nel Hydrogen tankstations voor waterstof, een snel groeiende markt. Waterstof is een gas dat zich makkelijk laat opslaan en transformeren in elektriciteit. De energieconversie om van waterstof een brandstof te maken is twee à drie keer zo efficiënt als die van klassieke motoren. Wagens op waterstof zullen dus een langer bereik hebben en tegelijk minder brandstof verbruiken. Belangrijk is ook dat dit proces geen emissies van CO₂ of andere vervuilende stoffen veroorzaakt. Het enige afvalproduct is water.

Vandaag produceert en verkoopt Nel Hydrogen meer dan dertig stations per jaar. Binnenkort zal dat aantal stijgen tot 300. Het vullen van een waterstoftank mag maar drie minuten duren, waarmee een voertuig nu voor 600 km verder kan en in de nabije toekomst zelfs 1.000 km.

WAAROM WATERSTOF VOOR MOBILITEIT?
De wereld heeft een nieuwe energiedrager nodig die olie en gas kan vervangen om de klimaatverandering en opwarming van de aarde tegen te gaan. Waterstof is het element met de hoogste energiedensiteit en kan geproduceerd worden uit water door middel van elektrolyse die gebruikmaakt van hernieuwbare energie.

automobielindustrie vindt zichzelf opnieuw uit

“We zien een wijziging in de strategie van automobielconstructeurs wereldwijd. Een groot deel van onze stations wordt verkocht in Korea. Aziatische autoconstructeurs hanteren immers een agressieve strategie om tot emissievrije voertuigen te komen. In de Verenigde Staten bestaan er dan weer zeer aantrekkelijke leaseaanbiedingen voor wagens op waterstof. De VS beschikt over ’s werelds grootste wagenpark en ook daar zien we een grote vraag naar emissievrije voertuigen. We hebben ons daarom voorbereid op een snelle uitbreiding van onze productiefaciliteit om aan de marktvraag tegemoet te komen. Volgens de verwachtingen zal er wereldwijd nood zijn aan 20.000 tot 30.000 distributiesystemen voor waterstof tegen 2030”, vertelt Michael Stefan, senior director product management.

markt rijper maken

Nel Hydrogen vertrouwt op Beckhoff-technologie om de concurrentie voor te blijven. De uitdaging bestaat erin zich door een relatief onrijpe markt te navigeren en de best mogelijke technologie en oplossingen te kiezen die eindgebruikers dezelfde ervaring geven bij het tanken van waterstof als bij het tanken van benzine. Het moet eenvoudig zijn en - met typisch maar één waterstoftank bij elk station - 24/7 betrouwbaar werken.

“We hebben een leidende positie ingenomen in het tot volle wasdom brengen van deze markt met als doel waterstof tot een succesvol alternatief te maken voor benzine en diesel. Niet alleen vanuit milieuoogpunt, maar ook in de praktijk. We passen de sturingsoplossingen van Beckhoff Automation toe en we kunnen duidelijk stellen dat Beckhoff’s strategie om met een open platform te werken ons businessmodel ondersteunt”, aldus Michael Stefan.

De sleutel is real-time

Beckhoff’s TwinCAT PLC’s en EtherCAT-veldbus controleren het volledige tankproces. Er wordt data van de verschillende componenten gecapteerd en naar de cloud gestuurd. Door alle processen en parameters heel nauw en in real-time te monitoren wordt predictief onderhoud mogelijk en kan men snel ingrijpen wanneer nodig.

“We hebben krachtige PLC’s nodig en een snelle verwerking van signalen om erover te waken dat onze installaties even goed werken als benzinestations. Sinds de ontwikkeling van het eerste waterstoftankstation in 2003 zijn ze complexer geworden. Daarom hebben we oplossingen nodig die ons de best beschikbare opties in de markt geven. Real-time data zijn daarin enorm belangrijk. Het is een kwestie van milliseconden, van het capteren van de data en het sturen naar de cloud, tot het monitoringsysteem in staat is om te reageren. Dat is de sterkte van de componenten van Beckhoff. Er zijn amper beperkingen op het vlak van snelheid en dankzij de open standaarden kan je werkelijk alles connecteren. Open standaarden, real-time snelheid en flexibiliteit zijn de sleutels voor ons”, zegt Jacob Svendsen, hoofd Technology & Development.

TOEGEPASTE PC-STURING
CX5140 embedded PC met Intel® Atom™ processor:
TwinCAT 3 PLC controleert het volledige systeem en proces voor tanken
TwinCAT 3 HMI wordt toegepast als gebruikersinterface voor eindgebruikers en servicemedewerkers via externe PC, gebaseerd op webbrowser (HTML5)
TwinCAT 3 Modbus RTU wordt gebruikt voor sensoren en apparaten in de periferie
TwinCAT 3 Modbus TCP interfaces worden gebruikt voor de communicatie tussen toestellen
TwinCAT 3 IoT Communication wordt gebruikt voor data, typisch voor lokale message brokers
EtherCAT I/O systeem:
Digitale in- en uitgangsklemmen EL1809, EL2809
Analoge in- en uitgangsklemmen EL3058, EL3064, EL3208, EL4004, EL4024
Seriële interface EL6021

Eigen software, ondersteund door Beckhoff

Nel Hydrogen is overigens een van de weinige producenten van tankstations die zijn eigen software ontwikkelt. Het bedrijf is ervan overtuigd dat meer softwaregeoriënteerde in plaats van hardwaregebaseerde oplossingen zullen uitgroeien tot zijn unique selling point.

“Door onze softwareoplossingen zelf te bouwen, krijgen we waardevolle inzichten en ervaring. Beckhoff ondersteunt ons hierin. Programmeren is kinderspel met de TwinCAT-omgeving geïmplementeerd in Visual Studio en de mogelijkheid om objectgeoriënteerd programmeren te gebruiken. We kunnen codes van verschillende PLC’s hergebruiken en ook codes hergebruiken om met verschillende CPU’S te schalen, waardoor we tijd en middelen besparen. We profiteren van heel snelle scansnelheden om de regeling, diagnose, rapportering en veilige uitschakeling in geval van lekken beter te controleren. Tegelijkertijd reduceren we het energieverbruik van elke component. We kunnen functionaliteit en het energieverbruik van elke component optimaliseren, zowel in functie van het gemak van de eindgebruiker als van het milieu”, vertelt Jacob Svendsen.

Focus op innovatie

"Vandaag kan een verdeler 40 tot 80 wagens per dag bedienen, maar in de nabije toekomst zal dat aantal minimaal moeten vertienvoudigen. We hebben oplossingen nodig die ons niet in staat stellen om marktontwikkelingen bij te houden, maar die ons ook helpen om de markt te ontwikkelen”, zegt Michael Stefan.

“Voor ons is Beckhoff de juiste partner, omdat ze altijd de focus houden op innovatieve oplossingen. Daar hangen we in onze branche van af. Maar gelukkig zijn de lijnen tussen Beckhoff’s R&D-afdeling in Duitsland en de ondersteuning in Denemarken bijzonder kort.”

OVER NEL HYDROGEN
Nel Hydrogen vindt zijn oorsprong in 1927 en is vandaag een leidend pure-play waterstoftechnologiebedrijf met een marktkapitalisatie van 3,4 miljard dollar. Oorspronkelijk hield Nel Hydrogen zich uitsluitend bezig met waterelektrolyse. Vandaag is het bedrijf de grootste leveranciers van elektrolytische cellen en verkoopt het zowel alkali- als PEM-cellen. Door de overname van het Deense bedrijf H2 Logic in 2015, verwierf Nel Hydrogen de expertise nodig om turnkey gestandaardiseerde waterstoftankstations te produceren met distributiesystemen voor wagens, bussen, vrachtwagens en heftrucks. Het bedrijf stelt nu meer dan 300 mensen tewerk en is sinds 2014 beursgenoteerd op de beurs van Oslo.