Stroomopwekkende tegeltjes vormen energiebron van de toekomst

Door het opraken van fossiele brandstoffen worden onuitputtelijke bronnen als zonne-energie in de toekomst steeds belangrijker. Een nadeel van het gebruik van zonne-energie is echter dat het aanbod van zonneschijn nogal wisselt. Daarnaast laat stroom zich moeilijk opslaan en transporteren. Een combinatie met een brandstofcel kan de nadelen van zonne-energie wegnemen.

Peelen: ,,Je kunt zonne-energie gebruiken om uit water waterstofgas te vormen. Dit waterstofgas is makkelijk te transporteren en op te slaan. Waterstofgas dient als brandstof voor de brandstofcel.” De cel heeft daarnaast nog zuurstof en koolstofdioxide nodig. Net als in een batterij zorgen elektrochemische reacties voor de productie van stroom. De uitstoot van de carbonaatcel is koolstofdioxide en water. Er gaat evenveel koolstofdioxide in de cel als eruit.

,,De commercialisering van de combinatie zonne-energie en brandstofcellen op waterstofgas, is iets voor de verre toekomst”, vertelt Peelen, die 8 september hoopt te promoveren. Hij ziet in de brandstofcel op korte termijn ook een gunstig alternatief voor de gangbare verbrandingsprocessen. Een brandstofcel die op aardgas werkt kan theoretisch meer energie opleveren dan het verbrandingsproces.

,,De verbrandingsreactie heeft namelijk een theoretische limiet aan zijn efficiëntie”, legt Peelen uit. ,,Dat is een thermodynamisch gegeven, de zogenaamde Carnot-limiet. Een brandstofcel heeft een hogere limiet. Praktisch gezien hebben de verbrandingsinstallaties hun efficiëntiegrens bereikt en die ligt rond de 55 procent. Voor de gesmolten-carbonaatcel is 65 procent haalbaar.”

Peelen benadrukt dat de uitstoot van milieuvijandige stikstof- en zwaveloxiden in brandstofcellen veel lager is. De koolstofdioxide belasting is maar een beetje minder vanwege de hogere efficiëntie.
Agressief

Is het dan allemaal rozegeur en maneschijn met de brandstofcellen? Peelen: ,,Nee, de brandstofcellen zijn nog te duur. Het elektrolyt, gesmolten carbonaatzout, is erg corrossief. Daardoor heb je dure materialen nodig.” Nikkel blijkt nog het minst aangetast te worden door het agressieve goedje. ,,De brandstofcellen zijn ook nog niet efficiënt genoeg en de levensduur ervan haalt nog lang niet de target van veertigduizend uren die vereist zijn voor commercialisatie.” Volgens Peelen kunnen kostprijs en levensduur verbeterd worden door alternatieve materialen te gebruiken. Hij onderzocht de eigenschappen hiervan voor de brandstofcel.

Peelen keek alleen naar de MCFC, de molten carbonate fuel cel. In Nederland is het onderzoek aan dit type hoge-temperatuurcel het verst gevorderd. Net als iedere elektrochemische cel bestaat een eenheid in een MCFC uit een kathode en anode, met daartussen het elektrolyt. De hele MCFC bestaat uit ongeveer 250 in serie geschakelde stroomopwekkende eenheden.
Tegeltje

Het elektrolyt zit in een poreus keramisch materiaal, de matrix. Deze matrix is het skelet voor het vloeibare carbonaatzout. Het ziet er uit als een tegeltje en werkt als een spons. Het elektrolytzout wordt in vaste vorm op de matrix gelegd. Bij het opwarmen van de cel tot 650 graden celcius, smelt het carbonaatzout en wordt het in de matrix gezogen. Het vloeibare zout zit nu ingesloten. ,,Als je het tegeltje zou doorzagen lekt het zout er niet uit”, bevestigt Peelen.

Het CO2 in het elektrolyt fungeert als een soort karretje om een O2–ion van kathode naar anode te vervoeren. Deze verplaatsing van carbonaat-ionen in het elektrolyt, veroorzaakt een stroom in de draad die de kathode en anode met elkaar verbindt.

Peelen hield zich vooral bezig met het bepalen van een aantal fysisch-chemische eigenschappen van de materialen die in de cel gebruikt worden. Zo heeft hij bijvoorbeeld de oplosbaarheid van zuurstof in verschillende carbonaatzouten bepaald. Peelen: ,,Zuurstof is nodig voor de reactie aan de kathode. Men dacht dat als de oplosbaarheid van zuurstof in het elektrolyt groter werd, de cel meer stroom zou leveren.” Peelen toonde aan dat de oplosbaarheid helemaal niet zo’n belangrijke factor is.

,,Ik ontdekte dat het lithium/kalium-carbonaat beter zuurstof oplost dan het lithium/natrium-carbonaat. Terwijl dit laatste zout als elektrolyt toch een grotere stroomdichtheid gaf. Dit stemde overeen met de onderzoeksresultaten van een collega.”

Een andere vondst van de promovendus is dat de chemische samenstelling van het elektrolyt verandert zodra de cel stroom levert. ,,Het is belangrijk dat toekomstige onderzoekers daarmee rekening houden als ze de cellen verder optimaliseren.” Tenslotte deed Peelen nog een paar fundamentele ontdekkingen over het mechanisme van de zuurstofreacties aan de kathode.
Warmtekrachtkoppeling

De MCFC-brandstofcellen worden opgewarmd tot 650 graden celcius. Daarna houdt de cel zichzelf op temperatuur, omdat de chemische reacties erin ook veel warmte produceren. ,,Weer een voordeel van deze cellen”, zegt Peelen. ,,De brandstofcel is ook geschikt voor warmtekrachtkoppeling.”

Al staat de warmteproductie in een brandstofcel in geen verhouding tot die van gewone verbrandingsprocessen, de warmte is vaak wel beter bruikbaar. Een brandstofcel bevindt zich namelijk meestal in een kleinschaliger omgeving waar de warmtedirect nuttig kan zijn. Een grote verbrandingsinstallatie kan al de geproduceerde warmte veelal niet ter plekke gebruiken. Warmte laat zich ook moeilijk vervoeren.

Peelen is enthousiast over de potentiële mogelijkheden van de brandstofcellen, maar er zal nog heel wat werk verzet moeten worden voordat ze commercieel mee gaan tellen. Peelen: ,,In de wereld zijn er al enkele te koop van een ander type. Die worden bijvoorbeeld gebruikt in de ruimtevaart. Maar van een echte doorbraak is nog geen sprake. De grootste MCFC die gemaakt is, levert twee megaWatt.”

Gaan de brandstofcellen op den duur de grote energiecentrales vervangen? Peelen noemt dat een punt van discussie. Hij signaleert dat het beleid naar kleinschaligere energie-productie neigt. De efficiëntie van verbrandingsprocessen neemt af als op kleinere schaal geproduceerd wordt. Een brandstofcel heeft daar geen last van, meent Peelen. ,,Eén brandstofcel per huizenblok of per flat zou heel goed mogelijk zijn. Helemaal ideaal zou zijn als de brandstofcellen gebruik maken van reststromen uit de industrie.”

,

Aan gesmolten-carbonaatbrandstofcellen is al veel gerekend. Bij het rekenwerk hielden onderzoekers echter geen rekening met veranderingen in de celkern tijdens de stroomlevering. Materiaalkundige Willy Peelen van de vakgroep Toepassingen van materialen in constructies ontdekte dat dit wel moet.

Door het opraken van fossiele brandstoffen worden onuitputtelijke bronnen als zonne-energie in de toekomst steeds belangrijker. Een nadeel van het gebruik van zonne-energie is echter dat het aanbod van zonneschijn nogal wisselt. Daarnaast laat stroom zich moeilijk opslaan en transporteren. Een combinatie met een brandstofcel kan de nadelen van zonne-energie wegnemen.

Peelen: ,,Je kunt zonne-energie gebruiken om uit water waterstofgas te vormen. Dit waterstofgas is makkelijk te transporteren en op te slaan. Waterstofgas dient als brandstof voor de brandstofcel.” De cel heeft daarnaast nog zuurstof en koolstofdioxide nodig. Net als in een batterij zorgen elektrochemische reacties voor de productie van stroom. De uitstoot van de carbonaatcel is koolstofdioxide en water. Er gaat evenveel koolstofdioxide in de cel als eruit.

,,De commercialisering van de combinatie zonne-energie en brandstofcellen op waterstofgas, is iets voor de verre toekomst”, vertelt Peelen, die 8 september hoopt te promoveren. Hij ziet in de brandstofcel op korte termijn ook een gunstig alternatief voor de gangbare verbrandingsprocessen. Een brandstofcel die op aardgas werkt kan theoretisch meer energie opleveren dan het verbrandingsproces.

,,De verbrandingsreactie heeft namelijk een theoretische limiet aan zijn efficiëntie”, legt Peelen uit. ,,Dat is een thermodynamisch gegeven, de zogenaamde Carnot-limiet. Een brandstofcel heeft een hogere limiet. Praktisch gezien hebben de verbrandingsinstallaties hun efficiëntiegrens bereikt en die ligt rond de 55 procent. Voor de gesmolten-carbonaatcel is 65 procent haalbaar.”

Peelen benadrukt dat de uitstoot van milieuvijandige stikstof- en zwaveloxiden in brandstofcellen veel lager is. De koolstofdioxide belasting is maar een beetje minder vanwege de hogere efficiëntie.
Agressief

Is het dan allemaal rozegeur en maneschijn met de brandstofcellen? Peelen: ,,Nee, de brandstofcellen zijn nog te duur. Het elektrolyt, gesmolten carbonaatzout, is erg corrossief. Daardoor heb je dure materialen nodig.” Nikkel blijkt nog het minst aangetast te worden door het agressieve goedje. ,,De brandstofcellen zijn ook nog niet efficiënt genoeg en de levensduur ervan haalt nog lang niet de target van veertigduizend uren die vereist zijn voor commercialisatie.” Volgens Peelen kunnen kostprijs en levensduur verbeterd worden door alternatieve materialen te gebruiken. Hij onderzocht de eigenschappen hiervan voor de brandstofcel.

Peelen keek alleen naar de MCFC, de molten carbonate fuel cel. In Nederland is het onderzoek aan dit type hoge-temperatuurcel het verst gevorderd. Net als iedere elektrochemische cel bestaat een eenheid in een MCFC uit een kathode en anode, met daartussen het elektrolyt. De hele MCFC bestaat uit ongeveer 250 in serie geschakelde stroomopwekkende eenheden.
Tegeltje

Het elektrolyt zit in een poreus keramisch materiaal, de matrix. Deze matrix is het skelet voor het vloeibare carbonaatzout. Het ziet er uit als een tegeltje en werkt als een spons. Het elektrolytzout wordt in vaste vorm op de matrix gelegd. Bij het opwarmen van de cel tot 650 graden celcius, smelt het carbonaatzout en wordt het in de matrix gezogen. Het vloeibare zout zit nu ingesloten. ,,Als je het tegeltje zou doorzagen lekt het zout er niet uit”, bevestigt Peelen.

Het CO2 in het elektrolyt fungeert als een soort karretje om een O2–ion van kathode naar anode te vervoeren. Deze verplaatsing van carbonaat-ionen in het elektrolyt, veroorzaakt een stroom in de draad die de kathode en anode met elkaar verbindt.

Peelen hield zich vooral bezig met het bepalen van een aantal fysisch-chemische eigenschappen van de materialen die in de cel gebruikt worden. Zo heeft hij bijvoorbeeld de oplosbaarheid van zuurstof in verschillende carbonaatzouten bepaald. Peelen: ,,Zuurstof is nodig voor de reactie aan de kathode. Men dacht dat als de oplosbaarheid van zuurstof in het elektrolyt groter werd, de cel meer stroom zou leveren.” Peelen toonde aan dat de oplosbaarheid helemaal niet zo’n belangrijke factor is.

,,Ik ontdekte dat het lithium/kalium-carbonaat beter zuurstof oplost dan het lithium/natrium-carbonaat. Terwijl dit laatste zout als elektrolyt toch een grotere stroomdichtheid gaf. Dit stemde overeen met de onderzoeksresultaten van een collega.”

Een andere vondst van de promovendus is dat de chemische samenstelling van het elektrolyt verandert zodra de cel stroom levert. ,,Het is belangrijk dat toekomstige onderzoekers daarmee rekening houden als ze de cellen verder optimaliseren.” Tenslotte deed Peelen nog een paar fundamentele ontdekkingen over het mechanisme van de zuurstofreacties aan de kathode.
Warmtekrachtkoppeling

De MCFC-brandstofcellen worden opgewarmd tot 650 graden celcius. Daarna houdt de cel zichzelf op temperatuur, omdat de chemische reacties erin ook veel warmte produceren. ,,Weer een voordeel van deze cellen”, zegt Peelen. ,,De brandstofcel is ook geschikt voor warmtekrachtkoppeling.”

Al staat de warmteproductie in een brandstofcel in geen verhouding tot die van gewone verbrandingsprocessen, de warmte is vaak wel beter bruikbaar. Een brandstofcel bevindt zich namelijk meestal in een kleinschaliger omgeving waar de warmtedirect nuttig kan zijn. Een grote verbrandingsinstallatie kan al de geproduceerde warmte veelal niet ter plekke gebruiken. Warmte laat zich ook moeilijk vervoeren.

Peelen is enthousiast over de potentiële mogelijkheden van de brandstofcellen, maar er zal nog heel wat werk verzet moeten worden voordat ze commercieel mee gaan tellen. Peelen: ,,In de wereld zijn er al enkele te koop van een ander type. Die worden bijvoorbeeld gebruikt in de ruimtevaart. Maar van een echte doorbraak is nog geen sprake. De grootste MCFC die gemaakt is, levert twee megaWatt.”

Gaan de brandstofcellen op den duur de grote energiecentrales vervangen? Peelen noemt dat een punt van discussie. Hij signaleert dat het beleid naar kleinschaligere energie-productie neigt. De efficiëntie van verbrandingsprocessen neemt af als op kleinere schaal geproduceerd wordt. Een brandstofcel heeft daar geen last van, meent Peelen. ,,Eén brandstofcel per huizenblok of per flat zou heel goed mogelijk zijn. Helemaal ideaal zou zijn als de brandstofcellen gebruik maken van reststromen uit de industrie.”