Architectuur als machine op waterstof

Architectuur als machine op waterstof

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

Gerelateerde artikelen, events & downloads

c21 c40 c125 c225 c243
Tweede Kamer steunt nieuwe Energiewet

Tweede Kamer steunt nieuwe Energiewet

De Tweede Kamer nam de nieuwe Energiewet aan, met brede steun. De verse regelgeving vervangt oude elektriciteit- en gaswetgeving.

Lees verder

c21 c125 c225 c265
Green Energy Day valt op 8 maart

Green Energy Day valt op 8 maart

8 maart is de dag. Dan is het ‘Green Energy Day’ en is alle duurzame energie die we in Nederland produceren ‘op’, als we alles gebruiken. ...

Lees verder

c21 c125 c184 c225 c243
Netcongestie is bepalend voor bouwprojecten

Netcongestie is bepalend voor bouwprojecten

Voor de jaarwisseling werd duidelijk dat ook Den Haag, Groningen en Overijssel volle stroomnetten hebben. Ze worden toegevoegd aan een steeds langere rij aan plekken ...

Lees verder

c125 c211 c212 c223
Whitepaper: Zorg met een integrated virtual power plant voor energiecontinuïteit en vul klimaatdoelstellingen in

Whitepaper: Zorg met een integrated virtual ...

Hoe zorg je voor bedrijfscontinuïteit en een license to operate, terwijl je stappen zet in de energietransitie en energieneutraal wordt? In deze whitepaper ...
c21 c125 c225 c243
EIA in 2024: impuls energiebesparing 

EIA in 2024: impuls energiebesparing 

Er is in 2024 een budget van € 259 miljoen beschikbaar voor bedrijven om energiezuinige investeringen te doen. De EIA-Energielijst bevat technieken die een ...

Lees verder

c21 c26 c125 c243
CO2-neutraal Ikazia Ziekenhuis dankzij zonne-energiesysteem distributiecentrum

CO2-neutraal Ikazia Ziekenhuis dankzij zonne-energiesysteem ...

Vanaf november voorziet het distributiecentrum Panattoni Park Heerlen de lokale huurder JD Sport en externe organisatie Ikazia Ziekenhuis te Rotterdam van groene ...

Lees verder

c21 c125 c148 c225 c243
Warmte en stroom combineren voor een flexibeler energienet

Warmte en stroom combineren voor een flexibeler ...

In 2021, tijdens de ontwerpfase van de Regionale Energie Strategie (RES), stond het de bestuurders niet op hun netvlies. Tegenwoordig, bij de uitvoering van de ...

Lees verder

c21 c125 c225
Energierijk Den Haag: leren van de batterij

Energierijk Den Haag: leren van de batterij

Wie dit jaar op Den Haag Centraal arriveert en vervolgens naar Rijnstraat 8 loopt, zal het wellicht zijn opgevallen. In de overdekte passage naar de rijksgebouwen ...

Lees verder

c11 c21 c125 c225 c243 c261
Quick wins dankzij energiemonitoring en -management

Quick wins dankzij energiemonitoring en -management

Waar voorheen aardgas de dienst uitmaakte en onze gebouwen van energie voorzag, is er een duidelijke verandering ingezet. Fossiele brandstoffen maken plaats voor ...

Lees verder

c21 c125 c225 c243 c261
De toekomst van systemen voor energiemanagement

De toekomst van systemen voor energiemanagement

Hoe gaan we het internet of energy in de toekomst inrichten en welke kwesties moeten daarvoor nog worden opgelost? Die vragen stonden centraal tijdens de drukbezochte ...

Lees verder

c21 c125 c225 c243
‘Extra investeren in opslag van duurzame elektriciteit’

‘Extra investeren in opslag van duurzame ...

Nederland is in Europa koploper op het gebied van zonne-energie, maar de enorme opwekcapaciteit vraagt snel om meer ruimte voor het lokaal opslaan van elektriciteit. ...

Lees verder

c21 c125 c225 c243 c261 c281
Nieuwste oplossingen voor groene waterstofketen

Nieuwste oplossingen voor groene waterstofketen

Waterstof biedt een oplossing voor de uitdagingen van de elektrificatie van de industrie. De ontwikkelingen op dit gebied gaan momenteel heel snel. Blijf daarom ...

Lees verder

Reactie plaatsen

keyboard_arrow_up