Januari 2016
Aardgas = elektriciteit + warmte
Nefit test brandstofcellen in Europese veldtest
De testopstelling is samengesteld uit een hr cv-ketel en de brandstofcel waaraan buffervaten zijn toegevoegd. De totale opstelling neemt het volume in van een dubbelbrede koelkast.
Gestimuleerd door de EU zetten negen fabrikanten, verdeeld over twaalf landen, zich breed in om de CO₂-uitstoot terug te dringen. In een Europese veldtest wordt de techniek van brandstofcellen in de praktijk getest. Onder de vlag van Ene.field worden gegevens en resultaten met elkaar gedeeld. Nefit, een volle dochter van Bosch, participeert in dit samenwerkingsverband. Bosch plaatste onder andere honderd systemen in Duitsland, maar ook twee in Nederland. Hoe gaat het daarmee?
We weten dat de voorraad aardgas eindig is,' legt Jan Blom van Nefit uit, 'maar aardgas blijft nog heel lang belangrijk bij het verwarmen van onze huizen. Stel je voor dat ruim zeven miljoen bestaande woningen van de ene op de andere dag zouden overschakelen van aardgas op bijvoorbeeld all-electric. Dit is een schokgolf die onze samenleving volledig ontwricht. (Veel) energiezuiniger met aardgas is daarom voorlopig het parool.'
Europese veldtest
Toch neemt de fabrikant graag deel aan de Europese veldtest om de mogelijkheden van de brandstofcel in de toekomst te verkennen. Nefit had al eerder een verwarmingstoestel dat zowel warmte als elektriciteit kon produceren, de mico-wkk. Nadeel was de geringe verbetering van het rendement. Het elektrische deel bestond uit een stirlingmotor die uiteindelijk maar goed was voor zo'n 20 procent extra rendement.
De afvalwarmte werd aan het verwarmingssysteem toegevoerd. Op zich een goede zaak, maar de motor was vaak te rumoerig om toe te passen in een woonomgeving. Ook veroorzaakte de ketel nogal wat trillingen. De ontwikkelaars van Bosch in Duitsland hebben het volgens Blom daarna over een totaal andere boeg gegooid en zijn met brandstofcellen aan de gang gegaan.
Hij is enthousiast, maar waarschuwt voor te hoge verwachtingen op korte termijn. 'Denk niet dat omdat de brandstofcel in theorie werkt, dat het toestel over een paar weken vanaf de plank kan worden geleverd. Zo'n ontwikkelingsproces doorloopt een aantal stappen. Het spits wordt afgebeten in het laboratorium. Als het principe functioneert volgt de stap om er een werkend apparaat van te maken dat in de praktijk operationeel is. Met die stap zijn we hier nu bezig. Het gaat om een duurproef in de praktijk. De ontwikkelaars in Duitsland kijken continu mee om te zien hoe het systeem presteert. De opstelling gaat tot maximaal twee jaar draaien waarna alle bevindingen worden gebundeld. Die vormen de basis voor de definitieve uitvoering.'
SOFC-brandstofcel
In het proefproject van Bosch is zekerheid dat zowel de geproduceerde warmte als de elektriciteit continu in het gebouw kan worden weggezet. Dat is belangrijk, want warmte en elektriciteit zijn bij dit apparaat onverbrekelijk aan elkaar gekoppeld. Wanneer een van de twee niet wordt afgenomen, stopt het complete systeem.
Er zijn vier verschillende brandstofcelprincipes. De bekendste is de PEM-FC-cel (proton exchange membrane fuel cell) die in auto's wordt toegepast met waterstof als brandstof. Deze brandstofcel functioneert al bij lagere temperaturen en kan ook goed wisselende belastingen aan. Dat was namelijk het probleem bij stirlingmotoren; een behoorlijk rendement is daarmee alleen haalbaar als de motor een constant toerental kan draaien. Daardoor is de stirlingmotor als aandrijving bij auto's niet zo geschikt.
Blom: 'Onze productontwikkelaars hebben gekozen voor SOFC-brandstofcellen (solid oxyde fuel cell). Die werken alleen bij veel hogere temperaturen. Ze bestaan uit een uit keramische platen opgebouwde kern. Het proces dat zich in de kern afspeelt is heel bijzonder. Zoals bekend bestaat aardgas voor het grootste deel uit methaangas CH4. Dat is een koolstofatoom als kern waaromheen vier waterstofatomen zijn gegroepeerd.'
Als het aardgas de keramische kern bereikt wordt het door de hoge temperatuur 'gekraakt'. De koolstof verbrandt – het verbindt zich met zuurstof tot kooldioxide – en houdt daarmee de keramische kern op temperatuur. De waterstofatomen zijn de basis voor het opwekken van elektriciteit. Ze verbinden zich tijdens het proces met de zuurstof uit de verbrandingslucht. De rookgassen bestaan derhalve uit een mengsel van waterdamp en CO2. Dit mengsel geeft zijn warmte af waarbij de waterdamp condenseert tot zuiver water dat zonder beperkingen kan worden geloosd. De
CO2 wordt via een rookgasafvoer afgevoerd. Aardgas bevat geringe sporen van verontreinigingen, in hoofdzaak zwavel. Dit wordt uitgefilterd en in een vaatje opgeslagen. De hoeveelheid is miniem, ongeveer om de vier jaar moet het vaatje even worden vervangen.
Gelijkspanning
De brandstofcel produceert gelijkspanning. Geavanceerde elektronica zorgt ervoor dat vanuit de gelijkspanning een wisselspanning wordt geproduceerd, synchroon aan de netfrequentie met een zodanig hoge spanning dat energie in het elektriciteitsnet wordt gedrukt. De elektronica regelt de hoogte van de spanning zodanig op totdat alle energie in het net wordt geperst. Voor de Bosch-engineers was dit geen lastig onderdeel van de ontwikkeling; vrijwel gelijke apparatuur wordt in de pv-omvormers van de fabrikant toegepast.
De kern van de zaak
Een SOFC-brandstofcel produceert dus via een elektrochemische reactie elektriciteit direct uit een brandstof. Net als bij een accu wordt de cel gevormd door twee platen (anode en kathode) gescheiden door een elektrolyt. Het systeem wordt gekenmerkt door het hoge rendement, de onschadelijke uitstoot en de relatief lage kostprijs. Een belangrijk nadeel is echter de hoge bedrijfstemperatuur, waardoor met een lange opstarttijd rekening moet worden gehouden.
De cel is opgebouwd rond een vast maar poreus elektrolyt waardoor zuurstofionen van kathode naar anode kunnen oversteken. Aan de anode wordt brandstof CH4 (gas) toegevoerd die splitst in koolstof C en waterstofmoleculen H2. De waterstof wordt van zijn elektronen ontdaan en blijft achter als ionen H+. De elektronen vloeien door de uitwendige elektrische keten, verrichten daar arbeid, en keren terug bij de kathode. De daar toegevoerde verbrandingslucht bevat zuurstof O2 die in ionen uiteenvalt en daarbij elektronen opneemt. De zuurstofionen O-- steken via het elektrolyt over naar de anode en verbinden zich daar met de waterstofionen H+ tot waterdamp H2O als verbrandingsproduct. Daarmee is de cirkel rond; er is elektriciteit geproduceerd met water en warmte als afvalstof.
Opstarttijd van drie uur
De keramiekblokken gaan pas functioneren als de temperatuur tot ongeveer 800 °C is gestegen. Het kost drie uur voordat de keramieken kern deze temperatuur bereikt. Dan pas functioneert het kraakproces – en daarmee de brandstofcel – waarmee het aardgas in koolstof en waterstof wordt omgezet, naar behoren. Het moge duidelijk zijn dat het systeem daardoor niet geschikt is voor frequent in- en uitschakelen. Het is echter wel mogelijk de gastoevoer tot
30 procent van de nominale waarde te reduceren op het moment dat de keramische kern op temperatuur is. Dan blijft de kern nog juist op temperatuur om het proces ongestoord te laten verlopen. Het opregelen naar 100 procent vergt dan niet veel tijd, omdat het keramiek al op bedrijfstemperatuur is.
|
Woongroep De Kasko
Eén van de testopstellingen van de brandstofcel staat in woongroep De Kasko in Utrecht. De groep is ontstaan op initiatief van een groep jonge gedreven activisten. 'We zijn inmiddels dertigers en gaan niet meer zo de straat op', vertelt een bewoonster. 'Wel hebben we nog steeds idealen die we vertalen in hoe we hier als groep samenleven.' Elk wooncluster in deze woongroep bestaat uit vier slaapkamers, een huiskamer, keuken en sanitaire voorzieningen. In totaal wordt het gebouw bewoond door ruim dertig personen. De compacte bewoning maakt het gebouw energetisch al efficiënt. 'De bewoners volgen elke nieuwe mogelijkheid om het energieverbruik in de woongroep verder terug te dringen', licht huisinstallateur Rogier Bos van Bos Installatiewerken toe. Het installatiebedrijf uit Utrecht is betrokken is bij de installatie: 'Toen Nefit een project zocht om de nieuwe brandstofcel te beproeven was een beslissing snel genomen. Ik heb twee topappartementen van De Kasko betrekkelijk eenvoudig kunnen afsplitsen. Er was daar ook ruimte om de opstelling te plaatsen. Het aardgasverbruik wordt geregistreerd met twee meters, zodat de elektrische en de cv-eenheid apart kunnen worden gevolgd. De opgewekte kilowatts worden door de proefopstelling zelf gemeten. En alles is via internet toegankelijk. De ontwikkelaars in Duitsland kijken continu over onze schouders mee.' Jan Blom van Nefit is positief over de eerste ervaringen. 'De brandstofcel is nu enkele maanden in bedrijf en functioneert naar behoren. De bewoners van de appartementen zijn tevreden. Het is echter nog te vroeg om een kloeke uitspraak te doen over de termijn waarop deze techniek echt rijp is voor grootschalige marktintroductie.' ’
|
Hoog rendement
De testopstelling is samengesteld uit een hr cv-ketel (96 procent) en de brandstofcel. Aan beide onderdelen zijn buffervaten toegevoegd waarin voorraden cv-voedingwater en warm tapwater zijn opgeslagen De totale opstelling neemt ruwweg het volume in van een dubbelbrede koelkast. De brandstofcel wordt gevoed met een aardgasstroom van 1,5 kW. Hiervan wordt circa 45 procent omgezet in warmte en ongeveer 45 procent in elektriciteit. Vergeleken met een elektriciteitscentrale steekt het rendement van de brandstofcel zeer gunstig af. Bij elektriciteitscentrales blijven de rendementen meestal steken op 40 procent. En bij de brandstofcel is de warmteont- wikkeling geen verlies, maar wordt deze gebruikt in het cv-circuit of in de warmtapwaterbuffer.
Tekst: Bob Verheul
Fotografie: Zorro Producties