Groot, duur, onbetrouwbaar | Technisch Weekblad
Nieuws

Groot, duur, onbetrouwbaar

Wordt het nog wat met de brandstofcel? Deze techniek is al ruim anderhalve eeuw oud en nog steeds zijn er geen commerciële toepassingen.

De brandstofcel is de verbrandingsmotor van de waterstofeconomie. Hij belooft stille en schone verbranding bij een hoog rendement. Verbranding van waterstof (of een andere brandstof zoals aardgas of benzine) in een brandstofcel levert elektriciteit op. De omzetting gebeurt met een rendement van 60 à 75 procent. Als afvalstoffen komen er water en warmte vrij.

Maar wordt het nog wat met de brandstofcel, een uitvinding uit 1843 van de Brit William Grove? Ondanks ruim anderhalve eeuw ontwikkeling zijn ze nog niet commercieel verkrijgbaar. Door welke oorzaken kan deze techniek alsmaar niet de stap naar de commerciële fase zetten?

Een artikel in The Economist vorig jaar eindigde met de duidelijke conclusie: ‘te groot, te duur, te onbetrouwbaar’. Een brandstofcel voor voeding van een mobiele telefoon, ter vervanging van de batterijen, is ongeveer net zo groot als het mobieltje zelf. Het pakket brandstofcellen – de stack – dat in een auto de conventionele verbrandingsmotor vervangt, is honderd keer duurder dan die motor.

Het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), hét centrum van het brandstofcelonderzoek in ons land, meldt op haar website gedetailleerd de tekortkomingen. Te groot volume en gewicht, te hoge complexiteit, te dure materialen, onduidelijke levensduur van sommige componenten, onacceptabele opwarm tijd en responstijd, dito tolerantie voor extreme omstandigheden zoals vorst en hoge temperatuur, en slechte aansluiting bij de huidige brandstofvoorziening in de vervoerssector.

Een kilowatt vermogen van een verbrandingsmotor in een auto kost vijftig euro, terwijl eenzelfde vermogen van een brandstofcel voor deze toepassing momenteel ongeveer 2.500 euro kost. Arthur D. Little becijferde in 2000 in een onderzoek voor het Amerikaanse ministerie van Energie dat deze brandstofcel bij een productie van een half miljoen stuks per jaar (waar nu nog in de verste verte geen sprake van is) op een prijs van 300 dollar (250 euro) per kW komt. Ook dat is nog ruimschoots te hoog.

 

Goudgerand

Dr. Kees van der Klein, adjunct-directeur van ECN, ontkent de problemen niet.

‘Het moet allemaal simpeler, kleiner en goedkoper.’ Tegelijkertijd gelooft hij in de brandstofcel, en in het stap voor stap oplossen van de problemen. ‘De researchinspanning is nu groter dan ooit. Er is al enorme vooruitgang geboekt. Er rijden in de wereld drieà vierhonderd voertuigen op brandstofcellen. De techniek is in de vingers, alleen: die is goudgerand.’

Van der Klein noemt de ontwikkeling van de brandstofcel tot een succesvol commercieel product ‘een absolute noodzaak’, willen wij de (post-)Kyoto doelstellingen voor beperking van de CO2-uitstoot serieus nemen. ‘De waterstofeconomie heeft de potentie van nulemissie, maar alleen in combinatie met de brandstofcel.’

 

Lage temperatuur

Er zijn zeven verschillende soorten brandstofcellen, maar het onderzoek concentreert zich op twee typen: de hoge temperatuur en de lage temperatuur brandstofcel. De eerste is de solid oxyde fuel cell (sofc), die bij 900 °C werkt en gezien de grote omvang alleen geschikt is voor stationaire toepassingen. De andere is de polymer electrolyte membrane (pem) brandstofcel, deze werkt bij 80 °C en is geschikt voor zowel stationaire als mobiele toepassingen. Dit is ook het type waar de autoindustrie zijn hoop op heeft gevestigd. Het Canadese Ballard Power Systems heeft zich op de ontwikkeling geworpen.

De sofc draait op aardgas en heeft als warmtekracht (wk)-installatie – waarbij de afvalwarmte nuttig wordt gebruikt – een rendement van 95 procent. Jarenlang heeft bij Duiven met succes een prototype van een dergelijke installatie (vermogen 100 kW, geleverd door Westinghouse) gedraaid. Deze doet nu nog zijn werk in het Duitse Essen. Sulzer levert een prototype micro-wk-systeem op basis van een sofc, met een vermogen van 1 kW en een rendement van negentig procent.

Het onderzoek betreffende deze brandstofcel is gericht op kostenreductie en levensduurverlenging. De sofc bevat dure keramische materialen – perovskieten, op zirconium gebaseerde nikkeloxiden – die al na duizend branduren degraderen. Onderzoekers proberen enerzijds de kosten te drukken door de hoeveelheid benodigd materiaal te verminderen. Maar verlaging van de werktemperatuur naar 650 °C zou een grotere stap zijn. Dan kunnen de perovskieten worden vervangen door roestvrij staal. Van der Klein: ‘Er zijn al sofc’s die op 650 °C werken, maar die hebben een lager rendement’. Het zou echter kunnen dat deze ‘lage temperatuur’ sofc commercieel levensvatbaarder is dan de hoge temperatuur-versie. Probleem is ook dat deze laatste brandstofcel constant op temperatuur moet worden gehouden, ook als er geen vraag naar warmte en kracht is. De opwarmtijd na inschakelen is te lang. Het onderzoek is er op gericht die tijd te verkorten.

 

Doorbraak

De lage temperatuur pem werkt alleen op zuiver waterstof. Ook hier is het onderzoek gericht op vermindering van kosten en verlenging van levensduur. Van der Klein: ‘Verhoging van de bedrijfstemperatuur van 80 naar 120 °C zou een doorbraak zijn. Dan kan bijvoorbeeld het restproduct water als stoom worden afgevoerd. Dat maakt het systeem veel eenvoudiger en daardoor ook kleiner en goedkoper. Maar daarvoor is een doorbraak nodig: een polymeer als katalysator die langdurig bestand is tegen deze hogere temperatuur.

Hetzelfde geldt voor het grafiet als scheidingsmateriaal tussen de brandstofcellen in een stack (een aantal in serie geschakelde cellen die samen het vermogen leveren om een auto of bus aan te drijven). Grafiet gaat een leven lang mee, maar is duur om te bewerken. Liever zou men het goedkopere roestvrij staal (rvs) gebruiken. Dat kan, maar geeft corrosieproblemen. Het rvs moet dus worden gecoat, waardoor het voordeel weer deels verloren gaat.

Het Amsterdamse GVB heeft momenteel drie brandstofcel-bussen in dienst, die twee jaar mee moeten gaan. In die tijd zullen ze zo’n 200.000 km afleggen, wat bij een gemiddelde snelheid van 50 km/u neerkomt op vijfduizend bedrijfsuren. De huidige stacks zullen dat waarschijnlijk niet halen, zodat ze een keer moeten worden gewisseld.

‘Voor stationaire toepassingen is echter een bedrijfstijd nodig van wel veertigduizend uur’, aldus Van der Klein, ‘dat is nu nog een factor tien te hoog’.

 

Concurrentie

Van der Klein gelooft heilig in de voortgang van het onderzoek op dit gebied. Hij wijst er echter op dat ook concurrerende technieken niet stil staan in hun ontwikkeling. ‘Toen wij in 1986 met brandstofcelonderzoek begonnen, had een STEG-eenheid (een elektriciteitscentrale met een gasturbine en een stoomketel; red.) een rendement van 48%. Met brandstofcellen kon je toen 58% halen. Maar inmiddels zitten STEG-eenheden ook op 58% rendement. Een soortgelijk verhaal geldt voor verbrandingsmotoren in voertuigen. Met name door de driewegkatalysator zijn deze steeds schoner geworden.

‘Het competitief voordeel van een nieuwe, revolutionaire techniek zoals de brandstofcel wordt daardoor steeds kleiner, dus ook de mogelijkheden om er geld mee te verdienen. Het is buitengewoon moeilijk om een revolutionaire techniek te introduceren, als evolutionaire technieken zich in dezelfde richting ontwikkelen.’

 ‘De eerste toepassingen van brandstofcelauto’s zullen in niches tot stand komen, bijvoorbeeld bij fleetowners die op één punt brandstof tanken. Dat kunnen taxi’s zijn, of op bijvoorbeeld een eiland als Texel, waar nul-emissie belangrijk is’, aldus Van der Klein.