Waterstof als structurerend element in energetisch zelfvoorzienende architectuur: kan dat? Jazeker.  Het afstudeerproject van Bernard Aukema aan de TU Delft  laat zien hoe de nog relatief onbekende waterstoftechnologie geïntegreerd  in een gebouw kan leiden tot nieuwe architectuur die functioneert als een werkende machine.

Het door Bernard Aukema ontworpen gebouw is zo georganiseerd dat het de waterstoftechnologie zelf uitlegt. De bezoeker beweegt zich als het ware als een molecuul door het gebouw en komt de verschillende processen van de waterstoftechnologie tegen.

Afb. XX1 - Zuid-West aanzicht vanaf het water

Waterstoftechnologie klinkt nog steeds als toekomstmuziek, maar toch is het volop in ontwikkeling. Het afstudeerproject sluit hier op aan en laat zien dat de waterstof ook als onderdeel van het energiesysteem in gebouwen kan worden geïntegreerd. Dit heeft geleid tot innovatief en integraal architectonisch ontwerp.

Het gebouw is een onderzoeks- en informatiecentrum voor de waterstoftechnologie zelf, ontworpen op het NDSM-terrein in Amsterdam-Noord. Juist omdat men op deze locatie experimenteel bezig is met duurzame energietechnieken past dit project op deze prominente plek in de stad Amsterdam.

Het gaat om energie. Energie die het gebouw zelf opwekt met zonnepanelen. De vraag en het aanbod van energie varieert echter sterk. Om de mogelijkheden van de waterstoftechnologie te onderzoeken in de architectuur is het doel gesteld om het afstudeerproject volledig energetisch zelfvoorzienend te ontwerpen (iets anders dan energieneutraal). Het gebouw is daarom zelf voorzien van energieopslag, de waterstofopslag.

Er is onderzocht of het mogelijk is om een gebouw met een ongeveer 9000 m² vloeroppervlakte energetisch zelfvoorzienend te laten zijn samen met waterstoftechnologie. Elektriciteit wordt voor het grootste gedeelte opgewekt met zonnepanelen. Er is berekend dat ongeveer 2500 m² oppervlakte aan zonnepanelen nodig is om een waterstofbuffer in stand te houden waardoor het gebouw het hele jaar van voldoende elektriciteit kan worden voorzien. Naast de elektriciteitsvraag zijn ook de verwarmings- en koelbehoefte meegenomen in de haalbaarheidsstudie.

Is waterstof gevaarlijk?
Waterstof is het lichtste gas dat op aarde voorkomt. Juist daarom werd het vroeger ingezet om zeppelins op te laten zweven. Het bekende ongeluk met de Zeppelin LZ129 Hindenburg op 6 mei 1937, laat zien dat er erg voorzichtig omgegaan moet worden met waterstof. Het gas is uiterst ontvlambaar en zeer explosief in combinatie met zuurstof.

Om waterstof toch veilig toe te kunnen passen kan het gecomprimeerd worden opgeslagen in erg sterke tanks. Daarnaast zijn er veiligere opslagtechnieken in ontwikkeling waarbij waterstof chemisch gebonden wordt opgeslagen. Het veilig opslaan van waterstof zal zorgen voor een behoorlijk gewicht, maar het is wel lichter dan een vergelijkbaar accusysteem. De veiligheid en het gewicht zijn aspecten die het gebruik van de waterstoftechnologie lastig maken.

Waterstofproductie / consumptie
Waterstof kan op verschillende manieren worden geproduceerd. Het komt bijvoorbeeld op grote schaal vrij als bijproduct van de procesindustrie. Een ander bekend voorbeeld van waterstofproductie is elektrolyse, waarbij vloeibaar water (H₂O) wordt gesplitst door middel van elektriciteit in de twee gassen zuurstof (O₂) en waterstof (H₂), waarbij er twee keer zoveel waterstof ontstaat als zuurstof vanwege de verhoudingen in het watermolecuul zelf. Deze technologie wordt in het gebouw ook toegepast.

Afb. XX2 - Omzetting van water naar waterstof + zuurstof en omgekeerd.

Wanneer het mengsel niet verbrand wordt, maar de gassen gecontroleerd bij elkaar komen in een brandstofcel, ontstaat er energie in de vorm van elektriciteit. Waterstof- en zuurstofgas kunnen dus gebruikt worden als energiedragers. Vaak wordt echter alleen de waterstof opgeslagen omdat zuurstof al voorkomt in de atmosfeer.

Installaties
Wat betreft de haalbaarheid spelen ook de installaties, waaronder de electrolysers en brandstofcellen een belangrijke rol in het ontwerp. De electrolysers en brandstofcellen hebben beide een rendement van rond de 50%. Op industriële schaal liggen de rendementen vaak wel hoger, maar vanwege de relatief kleine schaal (één gebouw) is enigszins pessimistisch gerekend om zeker te zijn van de energetische haalbaarheid. De verliezen van de apparatuur komen vrij in de vorm van warmte. Juist als deze warmte gebruikt kan worden in het gebouw kan dit bijdragen aan de haalbaarheid.

Het schema van afbeelding XX3 laat het versimpelde principe zien van de globale werking van het gebouw. Zoveel mogelijk duurzaam opgewekte elektriciteit moet direct worden gebruikt door het gebouw (stippellijn). Wat er teveel wordt opgewekt, wordt omgezet in waterstofgas (vooral in de zomer) en wat er aan elektriciteit te kort is, wordt door de brandstofcellen geleverd waarbij waterstofgas weer omgezet wordt in elektriciteit.

Afb. XX3 - De globale werking van waterstoftechnologie in het ontwerp.

Van schema naar ontwerp
Het schema in afbeelding XX4 legt simpel de opbouw van het gebouwontwerp uit, waarbij de waterstoftechniek structurerend is. Het gebouw draait energetisch op waterstof, maar is ruimtelijk ook geordend aan de hand van het schema. Het schema is vertaald in de gebouwdoorsnede (afbeelding XX5).

Het dak heeft kort gezegd twee functies: het opvangen van zonne-energie en water. Juist deze twee elementen zijn nodig voor de electrolysers, hangend boven de hoofden van de bezoekers, om zuurstof en waterstof te produceren. De wind waait door het gebouw en de opgewekte windenergie wordt specifiek ingezet om de twee gassen in hun tanks te comprimeren.

Afb. XX4 - Schema werking gebouw.

Waterstof wordt opgeslagen buiten het gebouw, in donutvormige tanks, in het water. De zuurstof wordt voor een gedeelte opgeslagen in tanks die zich in het dak van de entree bevinden. Elektriciteit wordt geproduceerd door de brandstofcellen onderin het gebouw als de twee gassen weer bij elkaar komen. De overige installaties zijn gesitueerd vlakbij de brandstofcellen, waarbij ook de ventilatie integraal is ontworpen met waterstoftechnologie.

Om het auditorium (bovenste gedeelte van het gebouw) te verduisteren wordt gebruik gemaakt van EFTE kussens die voorzien zijn van een Wolfraamtrioxide (WO₃) coating die van transparant naar blauw kleurt zodra er 2% waterstofgas in het kussen bijgemengd wordt (Bron: Fraunhofer ISE). Er valt daarna minder licht binnen, en het licht dat binnenvalt is blauw, zodat dit de 'waterstof-experience’ vergroot.

Afb. XX5 - Dwarsdoorsnede Noord-zuid: Gebouw gebaseerd op schema uit afb. XX4
Klik hier voor een grotere versie van de afbeelding.

Futuristisch?
Het gebouw is op de toekomst ontworpen. De kenmerkende uiterlijke verschijning van het gebouw zou men futuristisch kunnen noemen, maar komt voort uit de optimalisering en samenwerking van de toegepaste technieken die daarnaast ook structurerend en beeldend zijn op architectonisch niveau.

Er zijn natuurlijk wat kanttekeningen te maken bij het ontwerp. Omdat waterstof in de architectuur op een dergelijke schaal nog niet eerder is toegepast, zullen veel zaken beter moeten worden ontwikkeld. De veiligheid moet te allen tijde gewaarborgd worden. Daarnaast is waterstof op dit moment in het algemeen niet erg aantrekkelijk als energieopslag omdat er erg grote energieverliezen optreden bij de electrolysers en brandstofcellen. Een accu is wat betreft het opslaan van energie veel efficiënter. Wat echter blijkt uit het haalbaarheidsonderzoek is dat juist de warmteverliezen in een gebouw goed gebruikt kunnen worden.

Duurzame energietechniek zal zich in de toekomst steeds verder ontwikkelen en de waterstoftechnologie kan hier een belangrijke rol in spelen. Het afstudeerproject van Bernard Aukema laat goed zien dat de waterstoftechnologie samen met andere duurzame energietechnieken in een integraal gebouwontwerp ook interessante architectuur kan opleveren, een nieuwe expressie geleid door de techniek.

Ir. Bernard Aukema
Op 1 februari 2012 is Bernard Aukema cum laude afgestudeerd in de masterrichting Architectural Engineering, een architectuurrichting die in hoge mate is geïntegreerd met (bouw)techniek. In dit geval was de waterstoftechnologie het startpunt voor het technische onderzoek en het uitgangspunt voor het architectonische afstudeerproject.  Vanwege het gedegen technische onderzoek, de goede integratie en de vertaling naar een integraal architectonisch ontwerp, is het afstudeerproject gewaardeerd met een 10 als eindcijfer en is het genomineerd voor de Archiprix prijsvraag 2013.

Afstudeerbegeleiders

• Ir. J.F. Engels; Hoofdmentor architectonisch ontwerp, Afdeling Architectural Engineering + Technology, Faculteit Bouwkunde, TU Delft
• Prof.dr.ir. A.A.J.F. van den Dobbelsteen; Hoogleraar Climate Design & Sustainability, Afdeling Architectural Engineering +Technology, Faculteit Bouwkunde, TU Delft (expert bij Kennisplatform Duurzaam Gebouwd)

Bronnen

• Gas-chrome Membrankissensysteme, Dr. Andreas Georg, Fraunhofer ISE, Forum Textiles Bauen, 21. Januari 2011 München
• Nederlandse producent brandstofcellen: Nedstack, Arnhem
• http://www.bazaardesigns.com/7665-green-icons