Waterstof en brandstofcellen

Werkgroep Nieuwe Energievormen
Waterstof en brandstofcellen
Inleiding
Brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen die
chemische energie van een doorgaande reactie direct
omzetten in elektrische energie. De chemische energie
hoeft dus niet eerst omgezet te worden in thermische
energie en mechanische energie, waardoor er nauwelijks verliezen optreden en de brandstofcel op een hele
efficiënte manier energie opwekt. In de cel vindt een redoxreactie plaats. In dit opzicht lijkt een brandstofcel op
een batterij of accu, toch is er een belangrijk verschil
tussen een accu of batterij en een brandstofcel. In een
brandstofcel kunnen namelijk steeds opnieuw reagentia
(bijvoorbeeld: waterstof en zuurstof) van buitenaf worden aangevoerd, terwijl de reagentia in een batterij of
accu opgeslagen zitten in een gesloten stelsel.
Anode: H2 → 2H+ + 2e−
Kathode: O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
Gehele cel: 2H2 + O2 → 2H2O + energie (elektriciteit en
warmte).
De nieuwste generatie brandstofcellen zijn ook in staat
om van groen (of aard-) gas H2 te maken en dat vervolgens om te zetten in elektriciteit en warmte. Het rendement van deze nieuwste generatie brandstofcellen kan
oplopen tot meer dan 90%.
Een enkele brandstofcel levert in theorie een spanning
van ongeveer 1,20 volt, maar in de praktijk ligt die spanning veel lager; tussen de 0,5 en 0,8 volt. Om de spanning te verhogen worden de afzonderlijke cellen op elkaar gestapeld en in serie geschakeld. De stapel die zo
ontstaat wordt een "brandstofcelstack" of "stack" genoemd. Zie figuur hieronder.
Richard Knegt
Figuur. 1
Deze brandstofcel zet
(groen) gas om in H2
en wekt daarmee zeer
efficiënt en schoon
stroom en warmte op.
Formaat: wasmachine. Rendement: elektrisch 60% en
thermisch >30%. Totaal >90%.
Een normale brandstofcel heeft als nadeel de behoefte
aan waterstof. Dit element is weliswaar ruim voorhanden
op aarde maar altijd als chemische verbinding. Het
‘losmaken’ van H2 kost op zich ook weer energie. Daarnaast is H2 slechts moeizaam op te slaan en te transporteren. De oplossing waarbij methaan als verbinding
wordt gebruikt voor de verkrijging van H2 lijkt veelbelovend. Indien methaan uit groen gas wordt gewonnen is
sprake van 100% duurzame energie.
Voordelen
 Compacte, veilige energie opwekker
Energie opbrengst
Met brandstofcellen zijn hogere rendementen mogelijk dan in gewone
verbrandingsmotoren of stoommachines doordat de energieomzetting
niet verloopt volgens de Carnotcyclus. In de Carnotcyclus wordt de chemische energie namelijk eerst in warmte omgezet en pas daarna in bijvoorbeeld elektrische energie:
Een brandstofcel heeft een vermogen dat kan variëren
van 2KW tot vele MW. Voor een stad is de mogelijkheid
van het koppelen van decentrale opwekkingseenheden
interessant: brandstofcellen, zonnepanelen en windenergie. Tezamen kunnen deze eenheden een stedelijke
virtual powerplant vormen. De combinatie met een smart
grid ligt dan voor de hand. Een slim, duurzaam en decentraal netwerk waarbij bewoners zelf hun energie kunnen opwekken. Voor P2N hebben we berekend dat
4.800 brandstofcellen jaarlijks in ruim 6% van de toekomstige energiebehoefte kunnen voorzien.
 Investeringen zijn lager
De initiële investeringen zijn lager dan voor de conventionele manieren
van elektriciteitopwekking. Ook zijn het hoog– en middenspanningsge
deelte niet meer nodig. Dit levert op termijn veel financieel
voordeel op.
 Geen vervuiling of ruimtebeslag
Indien de brandstofcellen worden gevoed met waterstof of met groen
gas is er sprake van 100% duurzame energie opwekking. Er ontstaat
dan geen (extra) CO2, geen NOx en geen SOx. Ook instoof wordt niet
gevormd of uitgestoten. Met name de kleine cellen kunnen bij mensen
thuis worden geplaatst.
 Eenvoudig in onderhoud & betrouwbaar
Het onderhoud aan brandstofcellen is relatief eenvoudig. Het verwisselen van (nu nog om de 3 a 5 jaar) zal op termijn ook minder vaak nodig
zijn door de nog steeds toenemende kwaliteit.
 Smart Grid ready
Brandstofcellen kunnen dmv de ingebouwde netwerkkaart verbonden worden met andere energieopwekkers, In een smart grid.
Techniek van de brandstofcel
Figuur. 2 De brandstofcel als duurzame decentrale energie opwekker.
Er zijn meerdere technieken voor de brandstofcel. Het
bekendste onderscheid betreft de hoge– en lagetemperatuur techniek.
Hieronder een voorbeeld van de hogetemperatuurtechniek met een
vaste oxidebrandstofcel. In dit voorbeeld wordt deze cel gevoed met
(groen) gas.
Energie corporaties
De oprichting van een lokale coöperatie van energieopwekking behoort tot de mogelijkheden.
Voor Nijmegen kunnen coöperaties opgericht worden
met vele duizenden leden die gezamenlijk in de energiebehoefte van de stad te kunnen voorzien. In combinatie
met smart grids, zonnepanelen en windenergie is sprake van een realistische mogelijkheid om, reeds op korte
termijn, tot duurzame invulling van de energiebehoefte
te kunnen komen.
Conclusies
In de brandstofceltechnologie zit een aantal
voordelen verenigd die in combinatie met
zonnepanelen (PV) en windenergie een
duurzaam, decentraal energie opwekkingssysteem met smart grid mogelijk maakt.
Vooral de combinatie met de andere vormen van duurzame energieopwekking
leveren een groot milieuvoordeel op: volledig duurzaam, geen uitstoot van gevaarlijke
stoffen, zeer efficient, ruim voldoende totaalvermogen, betrouwbaar. De inzet van
de smartgrid mogelijkheden geven het systeem een flexibiliteit die nodig is om de transitie naar duurzame energie mogelijk te
maken.
Voor meer informatie over dit onderwerp contact : e-mail: [email protected], tel. 06 21265671.
Voor meer informatie over brandstofcellen kijk op wikipedia of www.cfcl.com.au