Wat zijn fuel cells?

Brandstofcellen werken volgens een eenvoudig principe: het zijn cellen die de chemische energie van een brandstof (waterstof, aardgas, methanol, benzine…) en een oxidant (omgevingslucht of zuurstof) omzetten in elektriciteit, warmte en water.

De eerste voorloper van de brandstofcel is al 171 jaar oud en werd in 1839 gebouwd door ene William Grove uit Wales. Hij had het over een ‘gas battery‘ en dat is nog niet zo gek gezien.

Een brandstofcel werkt immers volgens hetzelfde principe als een batterij, in die zin dat ze allebei elektrochemische energie opwekken. Het verschil is dat een brandstofcel elektriciteit blijft produceren zo lang er brandstof en oxidant aan worden toegevoegd. Net als een batterij bestaat een brandstofcel uit enerzijds twee elektrodes, een negatief geladen kathode en een positief geladen anode en anderzijds een ionen geleidend materiaal, de elektrolyt.

Brandstofcellen worden in soorten opgedeeld naargelang het type elektrolyt dat ze gebruiken: de polymeer ionengeleidend membraancel (PEMFC), de alkalische brandstofcel (AFC), de gesmolten carbonaat brandstofcel (MCFC), de fosforzure brandstofcel (PAFC) en de solid oxid of keramische brandstofcel (SOFC).

Naargelang het type werken ze bij een andere bedrijfstemperatuur en zijn ze meer of minder geschikt voor grote, kleine, mobiele of stationaire toepassingen. Zo is de PEMFC volgens specialisten het meest geschikt voor gebruik in voertuigen, vanwege zijn relatief lage bedrijfstemperatuur (onder de 100° C).

De SOFC is dan weer meer geschikt voor grootschalige krachtcentrales, met zijn hoge bedrijfstemperatuur (rond de 800 °C), wat WKK-toepassingen mogelijk maakt. Maar tussen laboratoriumtoepassingen en praktische aanwending gaapt soms nog een groot gat.

Fuel cells = duurzame energie?

Brandstofcellen mogen dan milieuvriendelijker zijn in de zin dat ze technologisch superieur zijn aan de techniek van de verbrandingsmotor, waarbij heel wat schadelijke stoffen vrijkomen en een massa energie als warmte verloren gaat, dat wil nog niet zeggen dat ze per definitie milieuvriendelijk zijn.

Alles draait er om hoe de brandstof die de brandstofcel aandrijft, wordt geproduceerd. Meestal is die brandstof waterstof. Maar waterstof komt als zodanig niet vrij in de natuur voor op aarde.

Waterstof, dat veeleer een energiedrager is dan een brandstof, moet dus op de een of andere manier worden geproduceerd. Waterstof als brandstof is enkel echt milieuvriendelijk te noemen als hij wordt geproduceerd met hernieuwbare energie. Het gaat dan concreet om de elektrolyse van water met behulp van elektriciteit afkomstig uit windenergie, waterkracht of PV-cellen.

Ook met de reformatie van biomassa kan je overigens op milieuvriendelijke wijze waterstof produceren. Op termijn zouden ook algen een bron van waterstof kunnen vormen. En het Leuvense IMEC werkt aan een zonnecel die rechtstreeks waterstof produceert, zonder de zonne-energie eerst in elektriciteit om te zetten.

Maar in de dagelijkse hedendaagse praktijk wordt waterstof meestal opgewekt via een thermisch proces waarbij H2 wordt geproduceerd op basis van aardgas. Wereldwijd wordt meer dan 95 procent van de waterstof op deze manier opgewekt. Slechts enkele procenten worden door elektrolyse van water opgewekt. Waterstof is dus wel milieuvriendelijk op de plaats waar hij verbruikt wordt, maar doorgaans niet op de plaats waar hij is opgewekt.

Bij het zogenaamde reforming-proces, waarbij aardgas geconverteerd wordt tot waterstof komt CO2 vrij, CO2 die (tenminste in theorie) kan worden opgevangen.

Hogetemperatuurbrandstofcellen (SOFC en MCFC) kunnen rechtstreeks met aardgas gevoed worden en zetten het gas via interne reforming in waterstof om. Ook hier komt de CO2 die tijdens dat proces onvermijdelijk wordt opgewekt, in de atmosfeer terecht bij gebrek aan CO2-opvang.

De vele achilleshielen van waterstof en brandstofcellen

Als waterstof zo’n geweldige energiedrager is, waarom leven we dan nog altijd niet in een waterstofeconomie?

De praktische nadelen van waterstof en brandstofcellen zijn voorlopig minstens even groot als de theoretische voordelen. Waterstof heeft weliswaar een hoge energiedichtheid (1 kilo waterstof bevat drie keer zoveel energie als 1 kg benzine of aardgas), maar op basis van volume tegenover energie moet waterstof het onderspit delven tegen benzine en aardgas.

Een waterstoftank voor een auto is in vergelijking met een conventionele brandstoftank groter en levert toch een kleinere actieradius op. Om waterstof in gasvorm op te slaan, is energie nodig (10 tot 20 procent van de energie-inhoud van waterstof).

Waterstof vloeibaar opslaan, kost nog veel meer energie omdat het gekoeld en onder druk moet gebeuren. Daarbij gaat tot 40 procent van de energie-inhoud verloren. Bij het gebruik van waterstof als energiedrager gaat er alles samen heel wat energie verloren bij respectievelijk de omzetting van (hernieuwbare) elektriciteit in waterstof, de opslag en het transport van waterstof en vervolgens de omzetting naar elektriciteit om machines en voertuigen aan te drijven.

Opslag van waterstof is ook een bron van zorgen. Waterstofmoleculen zijn zo klein dat ze makkelijk ontsnappen, ze lekken weg door metaal en maken metaal broos.

Aan brandstofcellen is nog heel wat werk voor ze onze laptops, huizen, auto’s en vliegtuigen van energie voorzien. Momenteel ligt de productiekost van brandstofcellen nog te hoog en de levensduur is te laag. Waterstof heeft sinds de ramp met het Duitse luchtschip Hindenburg geen al te beste reputatie bij het publiek.

Wie geen rekening houdt met de specifieke eigenschappen van waterstof, speelt letterlijk met vuur. Waterstof is geur- en kleurloos, lekken en vlammen zijn onzichtbaar. En waterstof heeft een twintig keer lager ontstekingspunt dan benzine. Er moet dus op een voorzichtige manier mee omgesprongen worden, iets dat tenslotte voor alle brandstoffen geldt, al zullen de veiligheidsnormen voor waterstof altijd strenger moeten zijn dan voor aardgas, benzine of diesel.

Ten slotte is er het vervelende kip-en-ei-probleem: de uitbouw van een waterstofinfrastructuur is zeer kostenintensief en vergt grote inspanningen van bedrijven en overheden. Vanwege al deze bezwaren lijkt het wel alsof de introductie van waterstof voor eeuwig en altijd vijftien jaar in de toekomst lijkt te liggen.

Praktische toepassingen van brandstofcellen

Ingenieur Adwin Martens, de directeur van WaterstofNet vzw, volgt de ontwikkeling van brandstofcellen ruim tien jaar op de voet. Hij heeft de hypes zien passeren en spreekt al lang niet meer over één alles omvattende ‘waterstofeconomie’.

Wel is hij ervan overtuigd dat waterstof een van de energieën van de toekomst zal zijn en dat Vlaanderen en Nederland daar belangrijke impulsen toe kunnen geven.

“Bij de autoconstructeurs is er momenteel heel wat interesse voor waterstof als brandstof, maar de meest concrete realisatiemogelijkheden zie ik op het gebied van autobussen. In Europa rijden er nu al tientallen bussen rond op waterstof.”

“Busbouwer Van Hool heeft al vier waterstofbussen aan Californië geleverd en bouwt er momenteel nog eens zestien. Dat is nog niet de massale doorbraak die er ooit zou kunnen komen, maar het gaat toch al om mature technologie waarvoor een heuse productielijn is gebouwd. En deze bussen kosten ook geen tien keer meer dan een conventionele bus.”

“Laten we niet vergeten dat de normen voor de uitstoot van openbaar vervoer steeds strenger worden en dat men stilaan bereid is een meerprijs te betalen voor schoon en stil transport. Maar toegegeven, waterstofbussen zullen op korte termijn niet op kostprijs alleen kunnen concurreren met hedendaagse dieselbussen.”

Adwin Martens schat ook de toekomst van brandstofcellen voor personenwagens vrij rooskleurig in. “Autobouwers als Toyota, Honda en Daimler hebben vlot rijdende prototypes gebouwd en verwachten tegen 2015 met waterstofauto’s op de markt te komen.”

“Het onderzoek naar de waterstofauto past in de grote stap die de automobielmarkt momenteel zet naar de hybride aandrijving. De auto van de toekomst zal wellicht een combinatie zijn van een elektromotor op batterijen en een range extender.”

“Ik verwacht dat kleine stadsauto’s volledig elektrisch zullen rijden met batterijen. Wie meer autonomie nodig heeft, zal behoefte hebben om snel iets te kunnen tanken: benzine, (bio)diesel of waterstof.”

Zal waterstof de concurrentie met andere brandstoffen aankunnen op het gebied van efficiëntie en kostprijs? “We zullen in de toekomst hoe dan ook moeten werken met een mix van brandstoffen”, stelt Adwin Martens. “Met biodiesel kan je bijvoorbeeld niet alles oplossen, daarvoor ontbreekt ons de nodige landbouwoppervlakte en productiecapaciteit.”

“Fossiele brandstoffen, biobrandstoffen, LPG en waterstof zullen allemaal naast elkaar gebruikt worden. De overtollige elektriciteit die bij momenten wordt opgewekt bij de grootschalige productie van windenergie kan bijvoorbeeld perfect gebruikt worden voor het aanmaken van waterstof.”

“Ook de powerplant in de Antwerpse haven met een 1 MW brandstofcel draait op overtollige restwaterstof, afkomstig van Solvay en BASF. Op andere plaatsen is het best mogelijk dat waterstof helemaal niet interessant is. Ik geloof absoluut niet in de idee dat waterstof alles zal oplossen, maar waterstof vormt mogelijk een deel van de oplossingen van het energieprobleem in de toekomst.”

Ook over de kostprijs van brandstofcellen en het gebruik van het kostbare platina erin is Adwin Martens positief gestemd. “Enerzijds slagen autoconstructeurs er steeds beter in om de hoeveelheid gebuikt platina per brandstofcel tot een aanvaardbaar niveau te reduceren. Anderzijds is het platina dat in een brandstofcel wordt gebruikt perfect recycleerbaar. Er hoeft in principe niets verloren te gaan.”

Hoe zit het met de ultrakleine toepassingen, waarover de laatste jaren veel te doen was: brandstofcellen voor laptops en gsm’s? “In die sector verwacht ik niet meteen een doorbraak”, zegt Adwin Martens. “Die toestellen worden steeds kleiner en performanter en ik zie op korte termijn geen doorbraak van brandstofcellen van dat kaliber.”

Opslag van waterstof

“Opslag van waterstof is het cruciale thema”, zegt Adwin Martens. “Waterstof weegt bijzonder weinig. Een waterstofbus rijdt rond met 40 kg waterstof aan boord, de plant van Solvay wekt 1 MW op met 70 kg waterstof. Kwestie is alleen de waterstof in een niet te grote ruimte op te kunnen slaan.”

“Ofwel ga je vloeibaar, maar dat moet bij – 250 °C, met alle energieverlies van dien. Ofwel bewaar je de waterstof onder druk, 350 bar voor bussen en 700 bar voor personenwagens. Bij bussen heb je plaats om tanks op het dak te monteren, bij een auto niet, en daar is de actieradius bovendien belangrijk: die moet vergelijkbaar zijn met die van een huidige brandstofwagen. Dat is goed te doen met de ingenieuze en efficiënte compressorsystemen die momenteel worden ontwikkeld.”

De toekomst

WaterstofNet hoopt tegen 2012 een aantal concrete projecten in de maritieme en logistieke sector op stapel te hebben in Nederland en Vlaanderen. Adwin Martens is hoopvol gestemd.

“De brandstofcel begint de labofase te ontgroeien. Bedrijven als Honda, Daimler en Toyota zullen geen twintig jaar blijven investeren in brandstofcellen en waterstof. We zullen dus vrij snel weten of het al dan niet een haalbare technologie wordt voor grootschalige toepassing in personenwagens.”

“Ook in de heftruckwereld ziet het er goed uit voor waterstof. Het is niet langer enkel een marketingthema: we staan voor een cruciaal moment. En in Vlaanderen beschikken we over een aantal bedrijven die daar een cruciale rol kunnen in spelen: Hydrogenics, Solvay, Umicore en Van Hool, om er maar een paar te noemen.”

Jan Bosteels

Jan Bosteels is medewerker bij ARGUS.