“Als we tegen 2050 een klimaatneutraal Europa willen bereiken, moeten we het hele energiesysteem veranderen. Maar omdat die transitie niet zo snel kan verlopen, moeten we stap voor stap te werk. Eerst gebruiken we efficiëntere technologieën met aanzienlijk lagere broeikasgas-emissies en vervolgens schakelen we over op milieuvriendelijke brandstoffen, zoals waterstof.” Dat is de stellige overtuiging van Vanja Subotić die leiding geeft aan het onderzoek naar brandstofcellen aan het Institut für Wärmetechnik an de TU Graz in Oostenrijk.
De 32-jarige ziet in brandstofcellen een efficiënte en schone technologie zonder uitstoot van stikstofoxiden (NOx) en zwaveloxiden (SOx) en maar nauwelijks CO2. Er is evenwel nog veel onderzoek nodig voordat ze even goed ontwikkeld zijn als verbrandingsmotoren.
In Japan zijn al tien jaar commercialiseringsprogramma’s aan de gang. Daar leveren al meer dan 400.000 brandstofcelsystemen elektriciteit, warmte en warm water voor woonhuizen. Ook zijn er verschillende brandstofcelcentrales met een capaciteit van meer dan 200 kilowatt, aldus Subotić. In 2019 deed zij vier maanden onderzoek in Japan in het grootste onderzoekscentrum voor waterstofenergie: het International Research Center for Hydrogen Energy in Fukuoka en aan de Kyushu University.
Het onderzoeksprobleem waarmee zij zich bezighoudt is het snelle verouderingsproces van brandstofcellen op basis van vaste oxiden (brandstofcellen voor hoge temperaturen).
Momenteel is ze samen met collega Michael Höber en het hoofd van het Institut für Wärmetechnik, Professor Christoph Hochenauer betrokken bij het internationale project AGRO-SOFC. De afkorting SOFC staat voor solid oxide fuel cell. Samen met de Oostenrijkse projectpartners 4ward Energy Research GmbH, Reiterer & Scherling GmbH en Enexsa GmbH en het Spaanse bedrijf Inkoa, willen zij deze technologie bevorderen voor gebruik in de landbouwindustrie. De Spaanse partner exploiteert een kas in Bilbao. De onderneming wil efficiënter en op milieuvriendelijker wijze energie opwekken voor zijn tomatenproductie. Innovation Origins sprak met Vanja Subotić over het project.
Wat is de situatie op dit moment?
“Momenteel wordt warmte voor de kassen daar geproduceerd met behulp van stookolie. Gelijktijdige elektriciteitsproductie is niet mogelijk. Daarom is een extra externe stroomvoorziening noodzakelijk. Problematisch is ook dat de de verbranding van stookolie gepaard gaat met een zeer hoge uitstoot van CO2 en diverse verontreinigende stoffen.”
Wat zijn de voordelen van een vastoxide brandstofcel?
“Bij brandstofcellen op basis van vaste oxide hebben we te maken met chemische energie die in de brandstofcel rechtstreeks in elektrische energie wordt omgezet. Dit betekent dat er geen tussenstappen zijn die tot energieverlies kunnen leiden en dat er een vrij hoog rendement kan worden bereikt.
Een ander voordeel van brandstofcellen op basis van vaste oxiden is dat een grote verscheidenheid van brandstoffen kan worden gebruikt om elektrische energie op te wekken. Dat varieert van waterstof, aardgas, ammoniak en zelfs hout of kolen. Je kunt ook omschakelen en de brandstof gebruiken die voorhanden is. Allemaal met dezelfde technologie.”
Foto: De keramische brandstofcel heeft aan de ene kant een brandstofelektrode en aan de andere kant een luchtelektrode. Op de foto is de luchtelektrode te zien, die lucht in de vorm van zuurstofionen naar de dieselelektrode stuurt. Deze zet deze om in elektrische energie.
Momenteel wordt diesel gebruikt. Wij willen de uitstoot van broeikasgassen verminderen, zonder de brandstof te wijzigen. Vaste oxide brandstofcellen zijn dan de enige optie. Ook kan er een hoger rendement worden bereikt voor de opwekking van elektrische en thermische energie.
Kan de SOFC-technologie ook gekoppeld worden aan CO2-recirculatie?
“Ja, het is mogelijk om ons brandstofcelsysteem te koppelen aan CO2-recirculatie. Ook dit is theoretisch in het project gepland, maar nog niet uitgevoerd. Bij het opwekken van energie met de hoge-temperatuurbrandstofcel komt in ieder geval een beetje CO2 vrij. Dat zouden we kunnen blijven gebruiken voor de planten in de kas. Planten hebben CO2 nodig om te groeien. Wat we al weten is hoeveel CO2 ze nodig hebben en hoeveel CO2 er in het systeem wordt geproduceerd.
Eerst concentreren wij ons echter op de vraag hoe ons brandstofcelsysteem zo kan worden uitgevoerd dat het probleemloos werkt. Daartoe ontwikkelen wij hier in het Instituut alle nodige componenten. Zo kunnen wij in de vaste oxide brandstofcel alleen gasvormige brandstoffen gebruiken.
Maar diesel is een vloeistof. Om diesel van vloeibare in gasvormige toestand om te zetten, hebben wij een reformer ontwikkeld. We hebben dus de reformer en het brandstofcelsysteem als hoofdcomponenten. Nu moeten we het systeem zo ontwerpen dat er geen extra energieverliezen optreden.”
Foto: Eén cel kan vrij veel stroom leveren, maar de spanning is laag. Om een hoger voltage te bereiken, worden de cellen gestapeld.
Hoe lang gaan brandstofcellen mee?
“Wij richten ons op meer dan 40.000 bedrijfsuren (ongeveer 4 ½ jaar). We hebben te maken met afnemende celprestaties van de vaste oxide brandstofcel. Deze veroudering of degradatie kan door verschillende mechanismen worden veroorzaakt. De materialen worden echter hoe dan ook aangetast. Wanneer bijvoorbeeld brandstofcellen op basis van vaste oxiden werken met gassen die koolstof bevatten, kan de koolstof onder bepaalde omstandigheden uit het gas oplossen en zich op het celoppervlak afzetten.
Andere problematische factoren zijn veranderingen in temperatuur en belasting. Beide kunnen mechanische spanningen veroorzaken die kunnen leiden tot onomkeerbare scheuren en loslating van de oppervlakken en dus tot mechanische vernietiging van de cel. Materialen kunnen echter ook degraderen als het brandstofverbruik te hoog is.”
Ook interessant: Brandstofcellen voor waterstofvoertuigen leven langer dankzij een nieuw type elektrokatalysator
Hoe kunt u systeemfouten opsporen?
“Door de vele onderzoeken die wij reeds hebben verricht, weten wij hoe het systeem zich gedraagt wanneer zich bepaalde beschadigingsmechanismen voordoen. Bovendien geven onze diagnostische systemen ons voortdurend informatie over het systeem. Deze zijn in hoofdzaak gebaseerd op stroom- en spanningsmetingen. Hierdoor kunnen wij systeemfouten vroegtijdig opsporen – vooral in de brandstofcellen.”
“Wij kunnen deze informatie ook gebruiken om de operationele strategie aan te passen. Dit is vergelijkbaar met de medische diagnostiek. De opsporing van de huidige gezondheidstoestand (actuele toestand van de cel), alsmede de oorzaak van de optredende symptomen (bepaling van de beschadigingsmechanismen) vormen de basis voor de daaropvolgende behandeling van de patiënt (regeneratiestrategie).
Wat betekent een succesvolle afronding van het onderzoeksproject?
“Met onze demonstratie-installatie willen wij aantonen dat de SOFC-technologie in een reële omgeving gedurende een lange periode echt goed werkt, zonder onverwachte problemen of schade. Als er kleine problemen zijn, kunnen wij die in een vroeg stadium opsporen en oplossen.”
“Hoewel ons systeem in Spanje wordt getest, moet het daarna ook goed werken ongeacht het plaatselijke klimaat. Het systeem kan ook voor andere toepassingen worden gebruikt. Want de producten die we nodig hebben, zijn altijd dezelfde: elektriciteit, warmte en warm water – ongeacht of het om een industriële installatie gaat of om huishoudens in een woonwijk.”
