SOFC: de ongekroonde koning van de exergie

Bespiegeling n.a.v. twee bijeenkomsten deze week: “Solid Oxide Fuel Cells for Next Generation Power Plants” en “P+Live@Night”

De werking van een SOFC brandstofcel

Exergie is belangrijker dan energie

“Onze maatschappij is volledig georganiseerd op het optimaliseren van de return-on-investment. Energie is ondanks zware belastingheffing nog steeds véél te goedkoop om daarin een rol te spelen. Het gevolg is dat er op enorme schaal structureel energie en vooral exergie verspild wordt. (Exergie is de maximale hoeveelheid arbeid die je uit een energiebron kunt halen).

Een voorbeeld: We verbranden in onze CV ketels gas bij 1500 graden om een huis een paar graden te verwarmen. Dit is exergetisch een doodzonde: er wordt enorm veel energetische potentie van het gas verspild. Volgens de formules méér dan 90%. Een paar kilometer verderop verbranden we in een centrale op hetzelfde moment gas met een rendement van 35 tot 60% en gooien we de restwarmte weg. Het gebruiken van die restwarmte is namelijk in bijna alle gevallen economisch onrendabel.

De juiste manier om gas te gebruiken zou zijn: verbranden in een keramische brandstofcel (1000 C) geeft 60% elektriciteit, dan het afgas gebruiken voor een gasturbine en/of stoomturbine, dat geeft nog eens 20% elektriciteit. Tot slot de 20% afvalwarmte gebruiken voor ruimteverwarming of – koeling. De exergetische winst tov een normale CV ketel is een factor tien, en resulteert in een enorme energiebesparing.

Als we dit op wijkniveau zouden doen, of in onze CV ketels, dan zouden we al onze elektriciteitscentrales kunnen sluiten, en ongeveer de helft van het gas besparen dat nu voor elektriciteitsopwekking gebruikt wordt.”

(Uit: “De wereld-energievoorziening in 2050“, Theo Wolters, O2 Magazine, juni 2011)

Deze week waren er twee bijeenkomsten die uitstekend bij deze passage aansluiten. Ik zal overigens binnenkort ook de rest van het artikel hier plaatsen.

P+Live@Night

Dit uiterst duurzame en ideële platform organiseerde dinsdag een avond op Schiphol met als doel het opstellen van een lijst met aanbevelingen aan Mark Rutte om de maatschappij te verduurzamen. In de zaal veel duurzaamheidsofficials, en vóór de zaal maar liefst 11 zeer uiteenlopende sprekers en presentatoren. Ondanks het zeer hoge alarmistische gehalte van de aanwezigen (ook in het forum), gleed de discussie niet af naar het zo irritante getuigenis-niveau dat in dit soort situaties gebruikelijk is.

Dat kwam deels door de deskundigheid en zakelijkheid van de sprekers, maar wellicht ook doordat die de hele middag al met John Kerkhoven hadden zitten spelen met diens transitiemodel. Ga er rustig zelf ook mee experimenteren, als je even de tijd hebt. Hierin zit jaren research opgeslagen naar de juiste gegevens over de eigenschappen, kosten en beschikbaarheid van alle soorten energiebronnen. Hieruit volgt een status quo, waar je dan met allerlei ingrepen een toekomstig pad mee kunt uittesten. Onrealistische duurzame dromen worden daarbij genadeloos afgestraft op invloed op de energievoorziening of de kosten daarvan.

Ook tijdens de avond was Jan (zelf overigens een groot voorstander van verduurzaming van de energievoorziening) een zeer strenge schoolmeester. Een meesterlijke zet van de organisatie!

Op wat emotie over kernenergie na was de discussie zeer feitelijk, werden uitzonderlijk interessante voorbeeldprojecten toegelicht, en resulteerde de avond in een reeks aanbevelingen waarvan ik de meeste zonder meer kon onderschrijven.

In mijn ogen de belangrijkste was het aandringen om nu eindelijk eens de enorme energieverspilling in de vorm van restwarmte van energieopwekking aan te pakken. Die was mij natuurlijk uit het hart gegrepen!

Het verplicht stellen van gebruik van restwarmte voor stadsverwarming bleek echter een stap te ver: uit het publiek werd opgemerkt dat een goed geïsoleerd huis helemaal niets heeft aan een €6.000 kostende aansluiting op een warmtenet. Een warmtepompje kan tenminste ’s zomers ook koelen, waardoor je een airco uitspaart, en is dus veel duurzamer.

Maar wat kunnen we dan wél doen aan deze verspilling? U weet het antwoord al uit de eerste paragraaf:

Dr P.V. Aravind

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) for Next Generation Power Plants

Woensdag 22 juni werd feestelijk het nieuwe testlaboratorium voor SOFC brandstofcellen van TU Delft geopend, door een trotse dr. P.V. Aravind. Om deze gedenkwaardige gebeurtenis kracht bij te zetten werd donderdag i.s.m. het KIVI een symposium gehouden waarin alle kanten van deze veelbelovende energieomzetter belicht werden. Aravind is een nationaal en internationaal zeer actieve voorvechter van deze technologie, en heeft een indrukwekkend netwerk opgebouwd. De ca 100 aanwezigen kwamen dan ook uit alle hoeken van de wereld, evenals de uitstekende sprekers. Er waren energiebedrijven, commerciële SOFC producenten (daarvan zijn er slechts een paar!), studenten en veel wetenschappers. De gesprekken in de wandelgangen waren soms dan ook haast nog leerzamer dan de lezingen!

Het belang van de SOFC brandstofcel voor de toekomstige energievoorziening kan niet genoeg benadrukt worden. De enorme energiebesparingen die ermee mogelijk zijn, heb ik in de eerste alinea al aangegeven. In eerdere artikelen over peak-oil heb ik uitgelegd dat het vaststaat dat aardgas de komende decennia de energiemarkt zal overheersen, zowel in verwarming als in elektriciteitsopwekking. De SOFC in decentrale toepassing combineert die twee, en bespaart daarbij tot 50% op ons gasgebruik voor elektriciteitsopwekking. Maar ook alle bronnen van syngas, zoals de ondergrondse kolenvergassing waar ik het bij mijn verslag van de ASPO conferentie over had, maar ook vergast plastic, huisafval en biomassa, zijn (alleen!!) via een SOFC met de allerhoogst mogelijke efficiency om te zetten in elektriciteit. SOFC is de koning van de exergie! Wie zich afvraagt wat ons nageslacht ons over 100 jaar zal verwijten kan ik eenvoudig van antwoord voorzien: het verstoken van al die fossiele brandstof met een ridicuul laag exergetisch rendement, terwijl de SOFC technologie al 50 jaar bekend is, is een onvergeeflijke dwaasheid.

SOFC eindelijk geen eeuwige belofte meer

De reden dat er nog helemaal nergens SOFC gebruikt wordt, is dat we ze tot nu toe niet gemaakt kregen. Menig gigabedrijf (bv. ABB jaren geleden,  Siemens nog zeer recent) stapte na honderden miljoenen aan SOFC research besteed te hebben uit deze technologie. De energiemarkt trok er niet echt aan, en het product was gewoon té moeilijk.

Maar kleinere volhouders beginnen te scoren. Met name in Japan is de elektriciteit zo duur tov het gas dat daar een goede markt is voor het zelf opwekken van stroom met een SOFC in je CV ketel, en daar verschijnt elke paar maanden wel een nieuw SOFC CHP (combined heat/power) apparaat, in ieder geval in een persbericht, maar soms ook echt in de winkel. Ook in de VS  wordt jaarlijks meer dan honderd miljoen gestoken in SOFC research en ontwikkeling, en beginnen de eerste commerciële toepassingen beschikbaar te komen. Ik sprak zelfs een producent die een test met 50 units in situ aan het doen is (waarvan uiteraard één bij hem thuis), en bij goed gevolg 35.000 units mag (en ook kan!) leveren. Het ziet er dus naar uit dat de SOFC HRe+ CV ketel snel zijn verdiende plaats zal veroveren!

Ceres Power HRe+ CV ketel produceert stroom en warmte

Gezien de mogelijke implicaties voor onze energievoorziening vind ik dat best een historische aankondiging, hier op climategate.nl.

SOFC in Nederland

Het ECN heeft enige jaren een SOFC lab gerund, maar dat is inmiddels afgestoten. Een deel van deze apparatuur vormt de kern van het nieuwe lab aan de TU en begint daar een zéér nuttig tweede leven. Verder is er weinig activiteit op SOFC gebied: een tweetal bedrijven hebben intenties (ingenieursbureau Gensos en turbinebouwer EECT), maar er is niemand die ook maar in de buurt zit van een werkende commerciële cel.

Hoewel… “een kleine nederzetting bleef moedig weerstand bieden” !

Wellicht herinnert de vaste lezer nog mijn in memoriam voor Noor van Andel, waarin ik de HEZEPP SOFC-turbine combinatie beschreef waar hij aan werkte, voor decentrale elektricteitsopwekking gecombineerd met bedrijfs- of wijkverwarming. Dit is zoals u inmiddels begrijpt, het absolute summum van exergie. Zijn zoon Eur van Andel werkt enthousiast verder aan het project, en hij en Hezepp projectbegeleider Guus Jansen waren vandaag dan ook van de partij.

Hezepp SOFC - turbine combinatie

SOFC in Den Haag

Het zal duidelijk zijn dat de potentie voor de SOFC industrie gigantisch is. En dat dit, als de technologie volwassen is, puur commercieel gedragen banen oplevert, die, anders dan gesubsidieerde groene banen, geen verpleegsters kosten en de pensioenleeftijd verhogen, maar juist de staatskas spekken.

De enige manier waarop je als ontwikkelend bedrijf steun kon krijgen voor energieresearch, de EOS subsidieregeling, is door het kabinet gesloten. Dat er veel geld in die regeling slecht besteed werd zal ik niet bestrijden, dus op zich ben ik voor een flinke bezem door de tent. Maar nu liggen we als Nederland stil op energiegebied. Dat mag niet te lang duren.

Onze politici zouden er goed aan doen te beseffen dat op dít moment de SOFC boot passeert, en dat Nederland die gaat missen, als er niet héél snel een goed energieonderzoek stimuleringsbeleid wordt ontwikkeld.

Door | 2012-02-03T15:09:00+00:00 24 juni 2011|19 Reacties

19 Reacties

  1. Matthijs 24 juni 2011 om 10:11- Antwoorden

    Stadsverwarming gebruiken, zoals in Almere, is misschien optimaler, maar niet voor de consument.

    Inwoners van Almere-Stad betalen namelijk een paar honderd euro meer per jaar voor hun energie rekening dan inwoners van Almere-Buiten en Almere-Haven.

    En je hebt geen gas aansluiting, dus je bent de pisang. Nee, geef mij maar lekker de mogelijkheid om zelf mijn warmte op te wekken.

  2. Matthijs 24 juni 2011 om 10:17- Antwoorden

    En waar kan ik zo'n apparaat bestellen?

  3. Rypke Zeilmaker 24 juni 2011 om 11:29- Antwoorden

    Historisch Theo, ik dacht inderdaad ook dat fuelcells een eeuwige belofte zouden blijven, maar zo kan mijn wens tot offgrid werkelijkheid worden. Je zou bij wijze van spreken op een flinke fles campinggas weken toekunnen

    Wat is nu de grootste technische bottleneck bij het hanteerbaar maken als praktisch bruikbaar apparaat?

  4. TINSTAAFL 24 juni 2011 om 11:37- Antwoorden

    Een warmtepompje kan tenminste ‘s zomers ook koelen, waardoor je een airco uitspaart, en is dus veel duurzamer.

    Warmtepompen werken niet altijd: http://www.trouw.nl/tr/nl/4332/Groen/article/deta

    Ik weet dat de autoindustrie is ook geintresseerd in SOFC technologie die de stroomvoorziening van autos kan verzorgen waardoor de motor zelf kleiner wordt en meer rendement levert.

  5. De woedende kok 24 juni 2011 om 12:17- Antwoorden

    Bestaat er vanuit de “groene” NGO’s ook interesse voor deze ontwikkelingen b.v. in de vorm van enthousiaste, aanmoedigende woorden? Of zelfs meer?

  6. Hajo Smit 24 juni 2011 om 12:23- Antwoorden

    Enige probleem van SOFC is dat door de hogere efficiëntie minder CO2 in de atmosfeer wordt geblazen zodat de – zeker bij een afkoelend klimaat – zo gunstige groeibevorderende werking van laag exergetisch verbranden van fossiel wegvalt. Wat mij betreft nog 50 jaar op de oude verspillende voet verder! Daarna (als de windmolens weer vergeten zijn) verder met SOFC!

  7. Neven 24 juni 2011 om 22:57- Antwoorden

    Uitstekend stuk, Theo. Complimenten.

  8. Theo Wolters
    Theo Wolters 26 juni 2011 om 13:43- Antwoorden

    @Matthijs

    > Stadsverwarming gebruiken, zoals in Almere, is misschien optimaler, maar niet voor de consument. Inwoners van Almere-Stad betalen namelijk een paar honderd euro meer per jaar voor hun energie rekening dan inwoners van Almere-Buiten en Almere-Haven.

    Dat is het probleem: energie is veel te goedkoop om in dit soort gevallen de efficiënte route te bewandelen.

    Op zich is dat niet erg: blijkbaar is er genoeg energie, anders zou de prijs wel stijgen. Maar de energievraag zal de komende 30 jaar zoveel méér stijgen dan de mogelijke toename in productie, dat dit niet lang meer zo zal zijn.

    In het artikel “De energievoorziening in 2050 “ zal ik laten zien dat we tot dan absoluut het energiegebruik per welvarend persoon gelijk zullen moeten houden of zelfs wat terugbrengen.

    Daarbij zou het een idee kunnen zijn om (alle, ook wind en PV!) energie veel zwaarder te belasten en loonbelasting te verlagen. Dan stimuleer je zowel werkgelegenheid als zinnige energiebesparing, zonder overheidssubsidies en zonder dat het iemand iets kost. Ook wordt je economie veel minder kwetsbaar voor schommelingen in de energieprijs.

    Er zitten ook grote nadelen aan hoor, maar het is een verduidelijkende gedachtengang denk ik.

  9. Theo Wolters
    Theo Wolters 26 juni 2011 om 15:05- Antwoorden

    @Rypke

    De brandstofcellen waar iedereen het over de laatste 6 jaar over had, zijn lage temperatuur Proton Exchange Membrane cellen, de zg PEM cel. Die kun je als navulbare batterij gebruiken voor auto’s omdat ze heel snel kunnen opstarten.

    Problemen:

    Je moet ze voeren met heel zuivere waterstof, anders gaan ze stuk. De levensduur is vaak nog veel te kort.

    Waterstof is de allerslechtste energiedrager die er is, is niet veilig compact op te slaan, en kost enorm veel energie om te maken.

    Het rendement is moeilijk boven de 40% te krijgen.

    Er zit nog steeds veel platina in de cel

    Hij is onbetaalbaar.

    De Solid Oxide Fuel Cell bestaat zoals de naam al zegt uit vaste oxiden. Dat is keramisch materiaal dat bestaat uit metaal-zuurstof oxiden. Je sintert ze bij 1200 graden en de cel werkt op 600 tot 1000 graden. Wat je overhoudt lijkt op het materiaal dat in gaskachels mooi rood oplicht als straler naar de kamer.

    Op die temperatuur kan de zuurstof als ion (dus met een extra elektron) door het materiaal bewegen, en via een truc kun je daar stroom mee opwekken.

    Deze cellen hebben een heel hoog rendement, afhankelijk van de temperatuur en de brandstof tussen de 35 en 65%. De constructie hoeft verder niet zo heel ingewikkeld te zijn.

    Ook zouden ze theoretisch jaren non stop kunnen werken met een beperkte degradatie.

    Je kunt er zo’n beetje alle vergasbare koolstofverbindingen in gebruiken, maar het rendement ligt het hoogste bij waterstof, met aardgas als goede tweede.

    Ideaal dus voor in CV ketels of wijkverwarmingsinstallaties met een turbine erachter, dan kun je naar 80% rendement, met nog steeds een hoge afgastemperatuur voor wijkverwarming.

    Hij hoeft in principe niet duur te zijn.

    Problemen:

    Vooral de materialen. Je moet een paar lagen op elkaar aanbrengen, en omdat die verschillende uitzetting hebben, ontstaan er enorme spanningen. Ook zijn ze al gauw instabiel in de sterk reducerende omgeving op 1000 graden.

    Bij die hoge temperatuur met zuurstof en waterstof in de buurt zijn metalen erg lastig te gebruiken, terwijl je ze toch nodig hebt voor een paar cruciale onderdelen.

    Ze doen er lang over om op te warmen, ook al omdat je dat heel voorzichtig moet doen.

    Mijn inschatting is dat de PEM cel in een aantal nis-toepassingen nuttig blijft, maar dat de SOFC uiteindelijk een grote rol krijgt in de energievoorziening met aardgas.

  10. Theo Wolters
    Theo Wolters 26 juni 2011 om 15:19- Antwoorden

    @Woedende kok

    >Bestaat er vanuit de “groene” NGO’s ook interesse voor deze ontwikkelingen b.v. in de vorm van enthousiaste, aanmoedigende woorden? Of zelfs meer?

    De PEM waterstof auto is wel zwaar gepusht en gesubsidieerd, als onderdeel van de onzalige waterstof-economie. Arnhem heeft geloof ik zelfs de ambitie om Waterstofstad te gaan heten. Ook initiatieven als Formula Zero (verantwoorde lol door scheuren met een PEM cel skelter) hebben veel aandacht en subsidies getrokken.
    http://www.formulazero.nl/
    Maar dat was allemaal geen SOFC technologie.

    Één van de eerste demo projecten met een SOFC was van Nuon, die hebben een paar jaar een Westinghouse tubular SOFC in gebruik gehad in Arnhem van 150 kW. Een miljoenen kostend demoproject.

    Op dit moment zijn er een paar aanbieders van SOFC CV ketels, waarvan Ceres het verste lijkt met een kleine ophangbare CV ketel voor huishoudens.

    Het zijn nog lage temperatuur – laag rendements apparaten (ca 35%) maar als er eenmaal commerciële producten zijn, gaat het meestal hard met de ontwikkeling.

  11. Theo Wolters
    Theo Wolters 26 juni 2011 om 15:20- Antwoorden

    @Neven

    Dank!

  12. […] nog?Is de klimaatredding voor Europa nabij?Trouw: “CO2 interesseert burger niet meer”SOFC: de ongekroonde koning van de exergieWaarheid op Wad(5): Waarom de voedselsituatie niet mág verbeterenNieuw CDA-windpark Drenthe […]

  13. LeClimatique 3 juli 2011 om 11:43- Antwoorden

    Decentrale energie opwekking: not gonna happen.

    De staat kan over zelf opgewekte energie geen belasting heffen

    Is zelfs een argument van Wijfels: http://www.youtube.com/watch?v=hFa0iZT3_-c

  14. […] energie, de rest is verwarming, industrie en transport. Daar valt de meeste winst te halen, via EXERGIE, zoals onze Theo Wolters ook al beschreef. Maar omdat het old boys-netwerk rond Agentschap.nl van […]

  15. […] vrij eenvoudig koude maken met warmte.)De beste kansen voor decentrale energieopwekking liggen bij keramische brandstofcellen. Het toepassen van deze SOFC technologie in onze CV ketels zou leiden tot een halvering van ons […]

  16. […] energie opwekken met SOFCDe beste kansen voor een dergelijke decentrale energieopwekking liggen bij keramische brandstofcellen. De toepassing van deze SOFC-technologie in onze CV-ketels en warmwatervoorziening leidt tot […]

  17. […] opwekken met SOFC De beste kansen voor een dergelijke decentrale energieopwekking liggen bij keramische brandstofcellen. De toepassing van deze SOFC-technologie in onze CV-ketels en warmwatervoorziening leidt tot […]

  18. […] opwekken met SOFC De beste kansen voor een dergelijke decentrale energieopwekking liggen bij keramische brandstofcellen. De toepassing van deze SOFC-technologie in onze CV-ketels en warmwatervoorziening leidt tot […]

  19. […] mensen. Eigenlijk levert élk temperatuurverschil ten opzichte van de omgeving restwarmte op, je spreekt dan van exergie in plaats van […]

Geef een reactie