De stationaire brandstofcellen
Inhoudstafel •
Editoriaal, door Elie Stubbe, SRBE/KBVE
Algemeenheden • Brandstofcellen voor stationaire toepassingen: Historiek, technische en economische haalbaarheid en trends. Prof. William D’haeseleer en Dries Haeseldonckx, Katholieke Universiteit Leuven. Technische en commerciële aspecten • Essai d’un pilote industriel de pile à combustible PEMFC destinée à la cogénération. François Desmaré, burgerlijk ingenieur, PROMOCELL sa. • Solid Oxide Fuel Cells – Future Power Generation. Jonathan Lewis, G. Agnew, A. Spangler, Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd., UK. • MCFC Fuel Cell on Track to be Ready for Market. Michael Fübi, MTU CFC Solutions, Germany. Industriële toepassingen • Vers la rentabilité des piles à combustible. Jean Snoeck, Principal Engineer, SuezTractebel sa. Overheidsbeleid • Brandstofcellen: een overzicht van onderzoeksinspanningen en overheidsbeleid. Adwin Martens, Gilbert Van Bogaert. Grietus Mulder, VITO, Mol. Gastartikel • Le carnaval de neutrinos (1). P. Vilain, Université Libre de Bruxelles.
Algemeenheden
Brandstofcellen voor stationaire toepassingen: Historiek, technische en economische haalbaarheid en trends. Prof. William D’haeseleer et Dries Haeseldonckx, Katholieke Universiteit Leuven. Samenvatting Met het oog op een eventuele uitputting van de fossiele brandstoffen en tevens omwille van ecologische bekommernissen, dient onze toekomstige energievoorziening nauwgezet onderzocht te worden. Vooralsnog lijkt het gebruik van waterstof als energiedrager een interessante piste. Deze waterstof dient uiteraard op een efficiënte manier omgezet te worden tot warmte en/of elektriciteit, waarvoor het gebruik van brandstofcellen veruit de meest aangewezen methode is. In een eerste deel wordt de historiek van stationaire brandstofcellen besproken. Hierbij wordt nader ingegaan op het initiële succes, een tiental jaar geleden, van de Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) en het uiteindelijk commercieel falen ervan. Tevens wordt de historische achtergrond van de vijf andere brandstofceltypes, waarvan een significante commerciële doorbraak tot op heden is uitgebleven, toegelicht. Vervolgens wordt de huidige technische en economische haalbaarheid van brandstofcellen besproken. Naast de technische prestatiekarakteristieken en de kostprijs spelen nog tal van externe factoren een belangrijke rol in het evalueren van deze haalbaarheid. Zo is er de beschikbaarheid van (voldoende zuivere) waterstof, wat momenteel zeker nog geen evidentie is, en de evolutie naar steeds kleinere, gedecentraliseerde brandstofcelsystemen, waarvan de inpassing in het huidige elektriciteitsnet mogelijk voor kwalitatieve problemen kan zorgen. Tenslotte worden de huidige trends op de brandstofcelmarkt overlopen en wordt een schets gegeven van hoe onze toekomstige energievoorziening er zou kunnen uitzien, gebruik makend van brandstofcellen.
Technologische en commerciële aspecten
Essai d’un pilote industriel de pile à combustible PEMFC destinée à la cogénération. François Desmaré, ingénieur civil, PROMOCELL sa. Samenvatting Sinds enkele jaren overbruggen de brandstofcellen beetje bij beetje de drempel die hun ontwikkeling in laboratorium scheidt van de diverse toepassingen, zij het in de industrie, de woonsector of de vervoerssector. Onder de impuls van openbare en privé actoren actief op het gebied van elektriciteit en gas evenals de Universiteit van Luik, werd Promocell s.a. vooral gecreëerd om de ontwikkeling, de bevordering en de marketing van de brandstofcellen en de toebehorende technologieën te verzekeren. Het is binnen dit kader dat Promocell aan de reële test van een brandstofcel van het type PEMFC kon deelnemen in het kader van een warmtekrachtkoppeling (WKK) toepassing.
Deze PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), met ingebouwde reformer die voor de productie van waterstof vanuit aardgas zorgde, kon een elektrisch vermogen van 250 kW en een gelijkwaardige thermisch vermogen ontwikkelen. Het geproduceerde elektrische vermogen werd geïnjecteerd in het lokale distributienetwerk. De warmte werd gebruikt om het sportcentrum van de Universiteit van Luik te verwarmen. Deze proefeenheid werd in Juli 2001 geïnstalleerd. De tests werden uitgevoerd in samenwerking met de leverancier Alstom-Ballard tijdens een periode van 2 jaar waarin meer dan 4000 uren equivalentgebruik werden verwezenlijkt. Het rendement, de betrouwbaarheid van de diverse onderdelen en het onderhoud werden aan een objectieve evaluatie door het projectteam onderworpen. Deze evaluatie bevatte zowel de technische alsook de economische aspecten door naast de zeer hoger investeringskosten, tevens de noodzakelijke werkings- en onderhoudskosten in rekening te brengen die representatiever zijn dan de vandaag nog altijd te hoge investeringskosten . Bovendien werd een evaluatie van het potentieel van PEMFC op de WKK markt uitgevoerd, rekening houdend met de specificiteit van de lokale markt van elektriciteit en aardgas. De tests maakten het mogelijk om tot de correcte werking van het systeem, en in het bijzonder van de brandstofcel zelf te besluiten.Echter toonden zij het belang aan van de inspanning die moeten nog gebeuren door een vereenvoudiging van de daarbijbehorende systemen zoals de reformer en zijn toebehoren. De betrouwbaarheid van het totale systeem wordt inderdaad verzwakt door de complexiteit van de randsystemen.. Deze richtlijn is ook essentieel vanuit het economische standpunt omdat een vermindering van de complexiteit met een vermindering van de kosten van werking en onderhoud zou gepaard gaan.
Solid Oxide Fuel Cells – Future Power Generation. Jonathan Lewis, G. Agnew, A. Spangler, Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd., UK. Samenvatting De technologie van de “Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)” brandstofcel wordt momenteel door een aantal ondernemingen in Europa, Noord-Amerika en Azië ontwikkeld. De technologie SOFC heeft een aantal voordelen boven andere conventionele energie conversie technologieën, en zelfs andere brandstofceltechnologieën. Deze omvatten een hoog elektrisch rendement van minstens 50%, lage emissies en multi-fuel flexibiliteit. Daarnaast wordt SOFC verondersteld, het beste potentieel te hebben om kostenconcurrerend te worden tegenover bestaande technologieën in de gedecentraliseerde productiemarkt: gasmotoren en gasturbines. Bij de beoordeling van de kosten van de concurrerende technologieën is het belangrijk om eerder de levenscyclus (kost per kWh) dan alleen investeringskosten (per geïnstalleerde kW) te beoordelen. De eerstgenoemde omvat de lopende kosten van brandstof, werking en onderhoud, terwijl de laatstgenoemde deze negeert. Een aanwijzing voor de kosten per kWh die de SOFC eenheden zullen moeten bereiken om met succes in stationaire productietoepassingen concurrentiëel te zijn, wordt in een studie van de US Congressional Budget Office verstrekt. Het rapport toont kosten van 8 tot 10
US $ cents per kWh voor elektriciteitproductie door conventionele gasmotoren en gasturbines (aan de klemmen van de generator). Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd (RRFCS) is een volledige dochteronderneming van Rolls-Royce plc (RR), een leverancier van globale vermogensystemen uit de UK. RRFCS ontwikkelt een hybride SOFC-eenheid die zijn eigen lage kost SOFC technologie combineert met turbo-machine mogelijkheden. De doelstelling is een 1MW hybride SOFC eenheid te produceren, geschikt voor gedecentraliseerde productie die met de bestaande technologieën (gasmotoren en gasturbines) zou concurreren. Als technologie met hoog elektrisch rendement, met lage emissies, compact en met gering lawaai is de 1MW hybride SOFC ideaal voor gedecentraliseerde productie vooral in gevoelige stadsgebieden. Nochtans is een concurrerende kost de sleutel tot een succesvolle introductie op de markt. RRFCS ziet dit in en concentreert zich als dusdanig op het gebruik van lage kostenmaterialen, standaard industriële processen en innovatieve ontwerpen om de kritieke kostenuitdaging aan te kunnen.
MCFC Fuel Cell on Track to be Ready for Market. Michael Fübi, MTU CFC Solutions, Germany. Samenvatting "HotModule", een 250 kW MCFC systeem van het brandstofceltype MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) van MTU CFC Solutions GmbH, Ottobrunn, is praktisch klaar voor de markt. Samen met het Amerikaanse bedrijf, FCE, die de brandstofcellen voor HotModule produceert, is MTU CFC Solutions GmbH de wereldmarktleider onder de fabrikanten van hoge temperatuurbrandstofcellen. Bijna een dozijn brandstofcelsystemen zijn nu met succes aangesloten aan het net als demonstratie projecten. Wegens de succesvolle prestaties van HotModule's in diverse testen, is MTU CFC Solutions, -een joint-venture tussen MTU Friedrichshafen en RWE Fuel Cells- van plan om de serieproductie van HotModule systemen vanaf 2006 te beginnen. Dit is toe te schrijven aan de kwaliteiten en flexibiliteit van HotModule. Onder andere levert het energieoplossingen in de industriesector, voor de voedselindustrie, voor stedelijke energievoorziening en voor stand-alone concepten, onafhankelijk van het elektrische net. Het systeem heeft zich al in een waaier van toepassingen waargemaakt De brandstofcel werd al vaak geïnstalleerd in ziekenhuizen, maar ook toegepast in telecommunicatie, computercentra, bandenfabrieken, enz. Voorts stelt het artikel de waaier van voordelen van HotModule voor, vergeleken met andere systemen van de vermogensgeneratie. Bijvoorbeeld, is MCFC een warmte-kracht koppeling systeem dat de behoefte van de klant aan warmte en elektriciteit gelijktijdig kan dekken. Voorts bereikt het elektrische rendement van de HotModule bijna 47%, wat hoger is dan om het even welke conventionele technologie. Een ander voordeel is, dat de
hete uitlaatgassen die de brandstofcel bij een temperatuur van rond 400 °C verlaten kunnen gebruikt worden, voor industriële toepassingen of het verwarmen en de airconditioning van gebouwen. De HotModule onderscheidt zich door zijn brandstofflexibiliteit omdat het, naast aardgas, ook met andere brandstoffen zoals stortgas kan worden gevoed. Deze en verdere voordelen worden aangehaald om aan te tonen dat de HotModule geschikt is om een belangrijke rol te spelen in de gedecentraliseerde elektriciteitsproductie van morgen
Industriële toepassingen
Vers la rentabilité des piles à combustible. Jean Snoeck, Principal Engineer, Suez-Tractebel sa Samenvatting Het artikel stelt zich allereerst tot taak om de concurrerende technologieën van de brandstofcellen voor de gedecentraliseerde productie van elektriciteit te identificeren. Een vergelijking wordt uitgevoerd die het geringe effect van de brandstofcellen op het milieu bevestigt maar eveneens de vooruitgang die op het gebied van de economische rentabiliteit en in het bijzonder met betrekking tot investeringskosten moet behaald worden. Vanaf deze laatste vaststelling uitgaande, bepaalt men scenario's van kostenverminderingen die het mogelijk zouden maken, dat brandstofcellen succesvol met andere productiemiddelen concurreren. De resultaten van dit onderzoek worden in Fig. 1 gepresenteerd; zij maken het niet mogelijk om een beslissende doorbraak van deze technologie te verwachten binnen de tien jaar.
Overheidsbeleid
Brandstofcellen: een overzicht van onderzoeksinspanningen en overheidsbeleid. Adwin Martens, Gilbert Van Bogaert. Grietus Mulder, VITO, Mol. Samenvatting Brandstofceltechnologie is al bekend sinds het begin van de 19de eeuw, maar momenteel zijn nog geen technisch-commerciële systemen beschikbaar. Actueel wordt de meeste energie geïnvesteerd in het onderzoek naar verbetering van de technologie. Ook op vlak van overheidsbeleid werden recent diverse initiatieven gelanceerd. Ontwikkeling en beleid van brandstofceltechnologie zijn een internationale aangelegenheid en de toonaangevende spelers zijn verspreid over Noord-Amerika, Europa en Japan. In dit artikel wordt een inzicht gegeven in de tendensen op vlak van internationaal onderzoek en beleid, en wordt afgesloten met een schets van de Belgische situatie aangaande onderzoek en beleid.
Gastartikel
Le carnaval de neutrinos (1). P. Vilain, Université Libre de Bruxelles. Samenvatting Alomtegenwoordig maar spookachtig, blijven de neutrino's de fysici boeien. Tijdens de tweede helft van de vorige eeuw, zijn deze geheimzinnige deeltjes het onderwerp geweest van een groot aantal experimenten, hetzij bij kernreactoren, hetzij in de bundels van onstabiele deeltjes afkomstig van hoge-energieacceleratoren. Beetje bij beetje hebben zij hun geheimen onthuld en hun plaats in het familiebeeld van de deeltjes gevonden die vandaag als fundamenteel of "elementair” worden erkend . Dit eerste artikel vermeldt de voornaamste etappes die de neutrino's van het statuut van eenvoudige veronderstelling naar die (eervoller) van basisbestanddelen hebben doen overgaan. De recente ontdekkingen en de ambitieuze, lopende projecten zullen het onderwerp van latere artikelen zijn.
