Brandstofcellen toepassingen

Brandstofcellen hebben ten opzichte van de klassieke ‘prime movers’ zoals zuigermotoren en turbines de volgende voordelen:

            hoog rendement

            modulair karakter

            geluidarm

            weinig bewegende delen

            ontwikkelde warmte kan gebruikt worden in warmtekrachtkoppeling

Vanwege het modulaire karakter van brandstofcelsystemen is het toepassingsgebied erg breed.

In het verleden zijn brandstofcelsystemen  vooral toegepast in nichetoepassingen zoals in de ruimtevaart of voor militaire toepassingen. In deze toepassingsgebieden konden performante brandstofcelsystemen gebruikt worden aangezien de financiële middelen groot waren.

Wat betreft de grootschalige toepassing van brandstofcellen is het toepassingsgebied erg groot.

Zo lopen er momenteel ontwikkelingen om brandstofcellen te gebruiken als vervanging van batterijen in ‘portable toepassingen’ als laptops en GSM’s. Brandstofcellen zouden hier een grotere autonomie opleveren, maar technologisch zal het nog veel inspanningen vergen om de brandstofcel technisch en economisch competitief te maken met de huidige batterijtechnologie.

Een ander belangrijk toepassingsgebied wordt gevormd door de stationaire toepassingen waarbij onderscheid gemaakt wordt tussen systemen die enkel elektriciteit produceren (vooral in Amerika)  en energiesystemen waarbij naast de elektriciteit ook de warmte wordt benut (vooral Europa), de zogenaamde warmtekrachtkoppeling (WKK).

Inzet voor elektriciteitsproductie betekent meestal dat de ongeregelde DC-output van een brandstofcel via vermogenelektronica wordt omgezet in stabiele AC-elektriciteit die parallel met het openbare elektriciteitsnet kan werken. In geval van WKK wordt de vrijgekomen warmte van de stack benut voor bijvoorbeeld ruimteverwarming. Indien hogetemperatuurbrandstofcellen worden gebruikt kan met de beschikbare warmte stoom geproduceerd worden.

Zo heeft het Amerikaanse Department of Defense een project gesubsidieerd waarin 30 Amerikaanse PAFC-brandstofcelsystemen (uitgerust met reformer voor aardgas) van elk 200 kWe gedemonstreerd worden in diverse legerbases. Deze systemen kunnen opgesplitst worden in systemen voor enkel elektriciteitsproductie en voor WKK-toepassingen. Ondertussen heeft deze vloot een groot aantal werkingsuren achter de rug en een aantal van deze systemen haalt een hoge beschikbaarheidgraad. Probleem bij deze PAFC-systemen dat de investeringskosten actueel niet onder 3500 €/kWe kunnen worden gebracht, waardoor de systemen economisch niet haalbaar zijn.

Ook zijn eind jaren ’90 een aantal WKK-systemen op basis van Canadese PEM-technologie met een elektrisch vermogen van 200 kWe op aardgas getest in Europa en Japan. Zo is een systeem bij de universiteit van Luik getest, waaruit bleek dat het elektrisch rendement van een dergelijk systeem vergelijkbaar is met een klassieke verbrandingsmotor op aardgas. Aangezien het systeem met brandstofcellen veel duurder was dan de klassieke versie met motor is in dit vermogensegment de PEM-ontwikkeling gestaakt.

Op vlak van stationaire systemen worden actueel de meeste inspanningen verricht op systemen (enkel elektriciteitsproductie of WKK) met een elektrisch vermogen kleiner dan 10 kWe. In dit vermogensegment worden zowel testen uitgevoerd op alkalische, PEM en SOFC brandstofcelsystemen.

Actueel heeft de Vlaamse KMO E-Vision in Arendonk op basis van alkalische technologie een WKK-module met een vermogen van 6 kWe ontwikkeld; deze module is momenteel in de testfase.

Alkalisch brandstofcelsysteem van 6 kWe  sedert 2004 in werking bij brandstofcelontwikkelaar E-Vision in Arendonk (bron E-Vision)

Voor systemen met elektrische vermogens van enkele honderden kW’s wordt vooral ingezet op de hogetemperatuur-brandstofcelsystemen (MCFC en SOFC). Meest succesvol is het 200 kWe systeem op basis van MCFC-technologie dat door het Duitse MTU actueel getest wordt op een tiental sites. Deze systemen bereiken een elektrisch rendement van 46%, wat structureel hoger is dan een vergelijkbare gasmotor.

In de toekomst wordt veel verwacht van de combinatie van SOFC-technologie met een conventionele gasturbine in vermogenssegmenten van enkele MW’s, waarbij theoretisch elektrische rendementen mogelijk zijn van meer dan 60%.

Het derde toepassingsdomein is dat van de transportsector, waarbij de brandstofcel kan dienen als hart van de elektrische aandrijving van voertuigen. Vooral onder impuls van de wetgeving in California hebben de afgelopen jaren een aantal belangrijke autoconstructeurs de eerste prototypes gebouwd met de brandstofcel als aandrijfsysteem, zowel in personenwagens als in bussen. In dit toepassingssegment wordt tot nu toe vooral de PEM brandstofcel als technologie ingezet, zowel met zuivere waterstof als met methanol als brandstof.

Elk zichzelf respecterend automerk heeft momenteel enkele prototypes van voertuigen met brandstofcellen ontwikkeld en in testprogramma. Daar waar enkele jaren geleden voor de transportsector nog veel verwacht werd van methanol als brandstof voor brandstofcelvoertuigen is de actuele tendens dat men steeds meer naar voertuigen op waterstof evolueert.

Het meest in het oog springend demonstratieproject in de transportsector is het Europese CUTE-project, waarbij in 9 Europese steden elk 3 autobussen rondrijden met waterstof als brandstof en brandstofcellen aan boord. De brandstofcel heeft een elektrisch vermogen van 200 kW; de waterstof wordt in de diverse steden op verschillende wijzen aangemaakt (elektrolyse, reforming, transport via vrachtwagen, ...). Dit Europese project met een demonstratieduur van 2 jaar zal veel extra informatie geven over de daadwerkelijke stand van de techniek en levert veel ervaring op het vlak van vergunningen, keuringen, ... voor waterstofvoertuigen in diverse Europese steden. Deze technisch-economische-organistorische ervaringen moeten de volgende generatie autobussen dichter bij de echte markt kunnen brengen.

In de Verenigde Staten van Amerika, Japan en Canada worden actueel grootschalige demonstratieprojecten opgestart met aanzienlijke vloten van personenwagens, gekoppeld aan een corresponderende uitbouw van waterstofinfrastructuur. Het zal duidelijk zijn dat in de transportsector, behalve de ontwikkeling van de waterstofvoertuigen zelf, ook de ontwikkeling van tankstations (incl. veiligheidsvoorzieningen en logistiek) de nodige aandacht moeten krijgen.

Belangrijk is te benadrukken dat alle brandstofcelsystemen actueel in de prototype-fase zijn. Het aantal in-situ tests neemt jaarlijks sterk toe, maar met de actuele techonologie, zowel op vlak van materialen als systemen, is de kostprijs nog te hoog om commercieel interessant te zijn. Ook op vlak van betrouwbaarheid en levensduur moet nog heel wat ervaring opgedaan worden, eer men de garanties kan geven die in een puur commerciële markt vereist zijn.