Download het artikel in 
Verwacht wordt dat deze technologie op termijn het elektriciteitsverbruik van met name chloorfabrieken met 20 % zal doen dalen. Ook de toepassing ervan in andere stationaire (stroomaggregaten, WKK’s,…) en mobiele (zoals auto’s) toepassingen komt dichterbij. De knowhow, verworven naar aanleiding van de installatie van de 1 MW-centrale in Antwerpen, moet ertoe bijdragen dat Belgische en Nederlandse spelers in dat verband een prominente rol zullen spelen.
Het Belgische Solvay produceert te Lillo ongeveer 350.000 ton chloor per jaar. Dit dient als basisgrondstof voor tal van plastics. De productie gebeurt door het elektrolyseren van een keukenzoutoplossing. Daarbij wordt zeer veel elektriciteit verbruikt. Vorderingen inzake brandstofceltechnologie, echter, zullen er allicht voor zorgen dat een belangrijk deel van die energie kan worden gerecupereerd. Een essentiële rol in dat verhaal is weggelegd voor waterstof. Bij de productie van chloor, zoals in Lillo, komt dat namelijk in grote hoeveelheden vrij, als bijproduct. Dat terwijl de werking van brandstofcellen net is gebaseerd op een chemische reactie tussen zuurstof en… waterstof.
Cellen, racks, modules, centrale
Solvay presenteerde, op 6 februari, officieel zijn brandstofcelcentrale. Deze bestaat uit 12.600 PEM (‘Proton Exchange Membrane’)-brandstofcellen. Elk daarvan bestaat aan twee kanten uit ‘flow plates’, waardoor links waterstof en rechts omgevingslucht (met daarin de zuurstof) de cel in stromen. Aan de ene zijde (‘anode’) gaat de waterstof (H2) langs een katalysator (stof die de snelheid van de reactie verhoogt). Door de oxidatiereactie splitst het H2 in twee positief geladen waterstofionen (2 H+; dat zijn protonen) en wordt het waterstof van zijn elektronen ontdaan.
De ontstane protonen en elektronen komen vervolgens bij het PEM-membraan, het hart van de cel. Dat laat de protonen door, maar houdt de elektronen tegen: zij moeten een omweg maken door een extern circuit. Daarin loopt dus elektrische stroom. Elk van de 12.600 brandstofcellen krijgt zo, uiteindelijk, een uitgangsspanning van ongeveer 0,7 volt; om een hogere spanning te krijgen, worden meerdere, namelijk 75, in serie geplaatst. Ze vormen dan een ‘stack’. Een ‘module’ heeft weer 14 stacks in serie staan. Ze leveren, als ze nagelnieuw zijn, 700 V af, bij een stroomsterkte van 120 A. Met twaalf van deze modules bedraagt het vermogen.
1 MegaWatt (MW). Aan de rechterkant van een cel stroomt zuurstof (O2) intussen langs, opnieuw, een katalysator. Bij het PEM-membraan komen de zuurstofdeeltjes de protonen (H+) tegen, waarmee ze in aanwezigheid van de elektronen uit het elektrische circuit zuiver, warm water (H2O) vormen. Dat water is het enige ‘afval’product. De temperatuur ervan is ongeveer 65 °C; het naburige bedrijf BASF gebruikt het om stoom te maken.
Het vermogen van de brandstofcelcentrale is 1 MegaWatt (MW). Volgens Solvay is het “in haar soort de grootste ter wereld.” Begin februari had de centrale al, na 800 uren, meer dan 500 MWh opgewekt: dat komt neer op het stroomverbruik van 1.370 families tijdens dezelfde tijdspanne. Het komt ook overeen met enkele procenten van de elektriciteit die Solvay op de site te Lillo nodig heeft.
Het potentieel van PEM
Bij PEM-brandstofcellen, zoals gebruikt door Solvay, neemt geen vloeistof deel aan de reactie: het elektrolyt is een vast polymeer dat zich in de cel bevindt onder vorm van een dun, doorlaatbaar membraan. Deze solide toestand heeft enkele markante voordelen: zo wordt de brandstofcel kantelbaar, schokbestendiger en compacter. Zo’n cel bevat ook geen corrosieve stoffen, zoals fosforzuur, dit in tegenstelling tot veel andere soorten brandstofcellen. Voorts is de te bereiken werkingstemperatuur van zo’n cel ongeveer 80 °C. In vergelijking met deze van andere types is dat laag. Gevolg daarvan is een snelle opstarttijd.
Het zijn eingenschappen die niet alleen nuttig zijn bij vaste toepassingen (zoals elektriciteitscentrales en warmtekrachtkoppelingen), maar ook in mobiele toepassingen, zoals H2-aangedreven auto’s, autobussen, vaartuigen en heftrucks. Nadeel van PEM-brandstofcellen is wel dat de reductiereactie platinum nodig heeft, dat fungeert als katalysator en zich aan beide zijden van het membraan bevindt. Dit metaal is zeer duur. Bovendien verliest het snel werkingskracht wanneer het in contact komt met CO, waardoor het toegevoegde water- en zuurstof zeer zuiver moet zijn.
Modulaire opbouw
Markant is ook de modulaire opbouw van de centrale. De twaalf modules kunnen namelijk onafhankelijk van elkaar functioneren. Als onderhoud aan één ervan plaatsvindt, draaien de andere elf gewoon door. De stacks zitten dan weer naast elkaar in een open wand, en zijn door middel van eenvoudige klikkoppelingen verbonden met het centrale waterstof-, lucht-, en koelwatersysteem.
De operator kan een defecte stack dus eenvoudig uit de wand trekken en vervangen door een nieuwe. Is een stack even buiten gebruik voor onderhoud, dan levert de betreffende module tijdelijk geen stroom. Omdat de centrale op een constant vermogen wordt geregeld, gaan alle andere stacks tijdelijk zo’n 8 % harder draaien. Het komt erop neer dat de stacks dan meer waterstof aanzuigen. Ook heeft elke stack elektronica aan boord die de prestaties in de gaten houdt. De operator krijgt een seintje als het geleverde vermogen ervan te ver is teruggelopen.
Belgisch-Nederlandse centrale
De totale kostprijs van de centrale is ruim 5 miljoen euro. Solvay kreeg evenwel een subsidie van 1,5 miljoen euro, dit in het kader van het project ‘Waterstofregio Vlaanderen - Zuid-Nederland’, gecoördineerd door WaterstofNet vzw. Het project focust op duurzame waterstof- en ‘early market’- toepassingen. Daarbij wordt gedacht aan maritieme, logistieke en interstedelijke toepassingen. Bovendien wordt maximaal gebruik gemaakt van Europese technologie.
De 1MW-centrale van Solvay, bijvoorbeeld, is gebouwd door de Nederlandse hightech-installatiespecialist MTSA Technopower en de eveneens Nederlandse brandstofcelfabrikant Nedstack. De PEM-membranen zijn dan weer gemaakt uit één van Solvay’s polymeer- en ionomeermembranen, en uit een katalysator van Umicore. De protonenmembranenassemblages, tenslotte, werden gemaakt door SolviCore, een 50-50 joint venture van Solvay en Umicore.
Aanzet tot meer
De 1 MW PEM-brandstofcel is de eerste mijlpaal van het Waterstofregio-project. Ze zal overigens ook door WaterstofNet worden gebruikt voor tal van onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma’s. Zo kunnen bijvoorbeeld proeven worden gedaan met sterk wisselende belastingen: dit goed verdragen, is namelijk van belang voor het gebruik van brandstofcellen in bussen en vrachtwagens.
20 % besparing
De bedrijven die bij de totstandkoming van de brandstofcentrale een rol speelden, willen, afhankelijk van de testresultaten, meer van dit type elektriciteitscentrales aan de man brengen. De meest aantrekkelijke markt lijkt vooralsnog die waar waterstof overtollig is, zoals bij chloorfabrieken. De technologie zal voor die doelgroep overigens nóg interessanter worden wanneer de heffingen op CO2-uitstoot in de toekomst stijgen.
Het hoeft dan ook niet te verbazen dat nu reeds wordt overwogen de chloorfabriek van het Nederlandse Akzo Nobel in Delfzijl op termijn te voorzien van een PEM-brandstofcentrale van 5,5 MW, voor een restant van 2.500 ton waterstof per jaar. Akzo Nobel’s fabriek in Rotterdam-Botlek heeft zelfs een overschot van 18.000 à 22.500 ton.
Daarmee kan ze 50 MW elektriciteit opwekken; dat impliceert een daling van het elektriciteitsgebruik op die site met 20 %. Op wereldniveau zou de elektrolyse van keukenzout, via brandstofcellen, zelfs zo’n 2.600 MW opleveren. Maar er is eerst toch nog wat werk aan de winkel, zo blijkt. Volgens Solvay’s woordvoerder Erik Deleye is het project namelijk “economisch -nog- niet rendabel. Het is een demonstratie- en ontwikkelingsinstallatie.” << (foto’s: Waterstofnet)
WaterstofNet tankstation bij Colruyt
Begin februari 2012 werd het WaterstofNet tankstation bij Colruyt officieel geopend, in aanwezigheid van Vlaams minister president Kris Peeters. Het tankstation werd gebouwd in kader van het Waterstofregioproject Vlaanderen-Zuid-Nederland en is, na de 1 MW brandstofcelplant op restwaterstof bij Solvay, de tweede mijlpaal in het project. Het tankstation maakt op de site van Colruyt waterstof uit groene energie, door via elektrolyse water te splisten in waterstof en zuurstof. Deze duurzame waterstof wordt gebruikt als brandstof voor heftrucks. <<
door Koen Vandepopuliere, Engineeringnet Magazine
