Elektriciteit uit de gaskraan; Het ECN ontwikkelt een brandstofcel met interne reformer die methaan rechtstreeks in stroom omzet

Bij het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) in Petten zijn de eerste brandstofcellen in bedrijf gesteld die op aardgas in plaats van waterstof werken. Je zou ze rechtstreeks kunnen aansluiten op het aardgasnet. Het nieuwe model brandstofcel kan elektriciteit opwekken met een zeer gunstig rendement van maar liefst 75 procent - alweer enkele procentjes hoger dan eerdere ontwerpen. Dat wil zeggen, in het laboratorium. Het systeemrendement van een centrale, waarin aardgas moet worden aangevoerd, opgewarmd enzovoorts, zal een stuk lager liggen: rond de zestig procent. Dat is altijd nog aanmerkelijk hoger dan een conventionele elektriciteitscentrale die niet boven de 40 procent komt.

Groot voordeel van een brandstofcel is dat daarin de energie, die in brandstoffen ligt opgeslagen, rechtstreeks via elektrochemische reacties in elektriciteit wordt omgezet. Tussenstappen - zoals stoomopwekking bij conventionele elektriciteitscentrales - zijn niet nodig en daarom gaat er weinig energie verloren. Schadelijke uitlaatgassen in de vorm van NOx of SO2 ontbreken.

Brandstofcellen werken geruisloos en verspreiden geen luchtverontreiniging (behalve dan het onvermijdelijke kooldioxide en water).

Omvang en vermogen kunnen gemakkelijk aan veranderende behoeften worden aangepast door eenheden erbij te plaatsen of weg te halen. Maar voorlopig verkeren brandstofcellen - ook in de Verenigde Staten en in Japan - nog in het experimentele stadium. Problemen zijn ondermeer de hoge kosten en beperkte levensduur.

Tot nog toe moest de waterstof die nodig is als brandstof voor brandstofcellen eerst in een speciale installatie (een "reformer') worden bereid, uit aardgas of andere fossiele brandstoffen.

In het nieuwe type brandstofcel dat sinds een jaar door de ECN wordt ontwikkeld, is geen speciale "reformer' meer nodig, de omzetting van aardgas in waterstof speelt zich af in de cel zelf.

Aardgas, dat voornamelijk uit methaan (CH4) bestaat, en stoom (H2O) worden direct aan de cel toegevoerd. Aan een van beide elektroden (de anode) zorgt een katalysator ervoor dat dit mengsel van gas en stoom wordt omgezet in waterstof (H2) plus kooldioxide (CO2). De kostbare randapparatuur is dan niet meer nodig. Bovendien levert deze "interne reforming' om verschillende redenen een hoger rendement.

Om te beginnen kan methaangas in het nieuwe systeem vrijwel volledig worden omgezet, men is niet afhankelijk van het thermodynamisch evenwicht in de chemische reacties. Bij een "klassieke' brandstofcel is dat wel het geval, daar wordt methaan voor hooguit 80 procent omgezet. Al bij gewone atmosferische druk wordt een systeemrendement van 58 procent gehaald (bij de traditionele brandstofcellen lukt dat pas bij 7 maal de luchtdruk).

Ten tweede zijn de warmteverliezen zeer klein. Voor de eerste stap (steam reforming, waarbij methaan door stoom wordt omgezet in waterstof) is veel warmte nodig. Bij de tweede stap (de omzetting van waterstof en zuurstof in water in de brandstofcel) komt juist warmte vrij. Combinatie van beide stappen in eenzelfde cel is dan ook zeer efficiënt, er gaat geen warmte via allerlei leidingen tussen brandstofcel en reformer verloren.

De huidige cel, een zogenaamde gesmolten carbonaatcel, die de vorm van een wafel van 10 bij 10 bij 1,5 centimeter heeft, levert een celspanning van 780 milliVolt bij een stroomdichtheid van 150 milliAmpère per vierkante centimeter. Per cel kan dus ongeveer 10 watt aan elektrische energie worden geleverd.

Het ECN werkt hierbij sinds een jaar samen met British Gas en het Italiaanse Consiglio Nazionale delle Richerche, die de katalysator (nikkel op drager) ontwikkelen. Opdrachtgevers zijn de EG en Novem (de Nederlandse maatschappij voor energie en milieu). ECN neemt de inbouw van deze katalysator voor zijn rekening. De kunst is om de katalysator zo aan te brengen dat de gasstromen in de cel daardoor zo min mogelijk worden belemmerd. Bovendien moet de katalysator zo min mogelijk te lijden hebben van de agressieve omstandigheden in de brandstofcel, waar temperaturen van 650 graden heersen en carbonaat als elektrolyt aanwezig is.

""Door heel Nederland loopt een aardgasnet. Daar zou je dit systeem op kunnen aansluiten, decentraal, bijvoorbeeld ergens in een woonwijk'', zegt ECN-onderzoeker dr. H.Th.J. Reijers. ""Ook de warmte-krachtkoppeling kan een belangrijk toepassingsgebied worden. Maar een auto zie ik er nog niet zo gauw op rijden, want voordat die is opgewarmd tot 650 graden ben je wel een half uurtje verder.''

In 1993 hoopt men een stapeling van gesmolten carbonaatcellen met een totaal vermogen van 1 kiloWatt klaar te hebben. Voor een woonwijk komt nog wat meer kijken.

Maar hoe staat het nu in de praktijk met de brandstofcel? De aankondiging dat die nu zeer binnenkort op de commerciële markt zou verschijnen is al weer bijna tien jaar oud. ""Het zit nog steeds in de experimentele fase'', zegt drs. Jeroen de Beer van de vakgroep Natuurwetenschappen en Samenleving van de Rijksuniversiteit Utrecht. ""Vooral in Japan draaien diverse proefprojecten. Het is moeilijk om daar zicht op te krijgen, want vaak geldt het vermogen als prestige-object, maar het rendement blijkt dan nogal tegen te vallen.''

""Voor een hoog rendement en voor en omvang in de orde van tientallen Megawatts lijkt een ander type brandstofcel - de fosforzure cel - meer geschikt dan de gesmolten carbonaatcel. Volgens De Beer had Nederland op het gebied van de brandstofceltechnologie nogal een achterstandspositie. Aan fosforzure cellen wordt eigenlijk helemaal geen onderzoek meer gedaan. ""Bij de gesmolten carbonaatcel heeft het ECN nu grote vooruitgang geboekt, ook door het opkopen van kennis van een Amerikaans bedrijf en door het ontwikkelen van dit koelsysteem. Maar het blijft, denk ik, heel kleinschalig.''