Brandstofcel maakt dorpscentrale efficienter

Ook in de landelijke gebieden in India en Afrika groeit de behoefte aan elektriciteit. Een aansluiting op het elektriciteitsnet zit er vaak niet in, dus is men op zoek naar mogelijkheden voor kleine dorpscentrales die met afvalhout en oogstafval gestookt kunnen worden. Ir. Aravind P. Vellayani van de afdeling Energietechnologie (faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen) onderzoekt de technische haalbaarheid van kleine biomassacentrales die het beter doen dan de huidige installaties met 15 tot 20 procent rendement.

Het ontwerp van de centrale waar Aravind aan heeft gewerkt, kent een brandstofcel als belangrijkste elektriciteitsopwekker. Anders dan de bekendere PEM (proton exchange membrane) brandstofcellen, werkt dit type op hoge temperaturen tot 1000 graden Celsius. De directe omzetting van chemische naar elektrische energie verloopt met een rendement tot 60 procent uiterst efficiënt.

En het kan nog iets beter. De gasstroom uit de brandstofcel bevat namelijk nog voldoende brandbare gassen om verstookt te worden in een turbine. Door de serieschakeling van een brandstofcel en een gasturbine, lijkt een rendement van 65 procent haalbaar.

Maar dan moet de brandstofcel het wel blijven doen. En dat was tot nu toe het probleem: de brandstofcel is namelijk erg gevoelig voor verontreinigingen. Bij vergassing worden plantenresten met weinig zuurstof verhit. Daardoor ontleden ze in een brandbaar gasmengsel (het biosynthesegas) dat ook fijnstof, teer, zwavel en basen bevat.

“De meeste brandstofcellen slaan direct dicht zodra er ook maar een beetje zwavel in het gas zit,” weet Aravind. Maar het type brandstofcel dat hij gekozen heeft (nikkel met gadolinium- en ceriumoxiden; kortweg Ni/GDC) is bestand tegen kleine hoeveelheden. Die tolerantie maakt het mogelijk om biosynthesegas als voeding voor de brandstofcel te benutten, mits het goed gereinigd is.

Aravind heeft onderzoek gedaan naar gasreiniging bij hoge en lage temperaturen. Reiniging bij hoge temperatuur heeft als voordeel dat er geen energie verloren gaat bij afkoeling en verhitting van het gas. Toch adviseert Aravind op korte termijn op lage temperatuur te wassen, omdat die technologie beter beproefd is. Dat weegt op tegen het iets lagere rendement. Het onderzoek verloopt in samenwerking met onder meer het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) en het Indian Institute of Science.

De productiekosten van de biostroom worden nu op 8 cent per kilowattuur geschat. De kosten hangen voor een groot deel af van de prijs en de levensduur van de brandstofcel. De verwachting is dat die prijs tegen 2015 een kwart bedraagt van de huidige 1.500 dollar per kilowatt.

Ir. Aravind promoveert 26 november op zijn proefschrift ‘Studies on high energy systems based on biomass gasifiers and solid oxide fuel cells with Ni/GDC anodes’.

Ook in de landelijke gebieden in India en Afrika groeit de behoefte aan elektriciteit. Een aansluiting op het elektriciteitsnet zit er vaak niet in, dus is men op zoek naar mogelijkheden voor kleine dorpscentrales die met afvalhout en oogstafval gestookt kunnen worden. Ir. Aravind P. Vellayani van de afdeling Energietechnologie (faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen) onderzoekt de technische haalbaarheid van kleine biomassacentrales die het beter doen dan de huidige installaties met 15 tot 20 procent rendement.

Het ontwerp van de centrale waar Aravind aan heeft gewerkt, kent een brandstofcel als belangrijkste elektriciteitsopwekker. Anders dan de bekendere PEM (proton exchange membrane) brandstofcellen, werkt dit type op hoge temperaturen tot 1000 graden Celsius. De directe omzetting van chemische naar elektrische energie verloopt met een rendement tot 60 procent uiterst efficiënt.

En het kan nog iets beter. De gasstroom uit de brandstofcel bevat namelijk nog voldoende brandbare gassen om verstookt te worden in een turbine. Door de serieschakeling van een brandstofcel en een gasturbine, lijkt een rendement van 65 procent haalbaar.

Maar dan moet de brandstofcel het wel blijven doen. En dat was tot nu toe het probleem: de brandstofcel is namelijk erg gevoelig voor verontreinigingen. Bij vergassing worden plantenresten met weinig zuurstof verhit. Daardoor ontleden ze in een brandbaar gasmengsel (het biosynthesegas) dat ook fijnstof, teer, zwavel en basen bevat.

“De meeste brandstofcellen slaan direct dicht zodra er ook maar een beetje zwavel in het gas zit,” weet Aravind. Maar het type brandstofcel dat hij gekozen heeft (nikkel met gadolinium- en ceriumoxiden; kortweg Ni/GDC) is bestand tegen kleine hoeveelheden. Die tolerantie maakt het mogelijk om biosynthesegas als voeding voor de brandstofcel te benutten, mits het goed gereinigd is.

Aravind heeft onderzoek gedaan naar gasreiniging bij hoge en lage temperaturen. Reiniging bij hoge temperatuur heeft als voordeel dat er geen energie verloren gaat bij afkoeling en verhitting van het gas. Toch adviseert Aravind op korte termijn op lage temperatuur te wassen, omdat die technologie beter beproefd is. Dat weegt op tegen het iets lagere rendement. Het onderzoek verloopt in samenwerking met onder meer het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) en het Indian Institute of Science.

De productiekosten van de biostroom worden nu op 8 cent per kilowattuur geschat. De kosten hangen voor een groot deel af van de prijs en de levensduur van de brandstofcel. De verwachting is dat die prijs tegen 2015 een kwart bedraagt van de huidige 1.500 dollar per kilowatt.

Ir. Aravind promoveert 26 november op zijn proefschrift ‘Studies on high energy systems based on biomass gasifiers and solid oxide fuel cells with Ni/GDC anodes’.