Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

Brandstofcellen

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
Een brandstofcel kan worden beschouwd als het omgekeerde van elektrolyse. Elektrolyse is het proces waarbij water met elektriciteit als drijvende kracht wordt ontleedt in waterstof en zuurstof. In een brandstofcel wordt juist met waterstof en zuurstof (uit de lucht) elektriciteit gegenereerd. Omdat waterstof bij verbinding met zuurstof alleen waterdamp oplevert, kan een brandstofcelsysteem op zichzelf als een schone vorm van energieopwekking worden beschouwd. Andere voordelen van een brandstofcel zijn: een hoog elektrisch rendement, modulaire opbouw, geluidsarm bedrijf en weinig onderhoud (weinig bewegende delen) en geen NO_x-emissie (geen verbranding). In bepaalde typen brandstofcellen kan bovendien methanol direct worden ingezet in plaats van waterstof.

Er worden, afhankelijk van het elektrolyt en het daarbij passende temperatuurniveau, diverse typen brandstofcellen onderscheiden. Lage temperatuurbrandstofcellen ? alkalische brandstofcel AFC en proton exchange membrane fuel cell PEMFC - lenen zich voor vervoers toepassingen; de PEMFC wordt ook toegepast voor kleinschalige warmtekracht koppeling. Hoge temperatuur brandstofcellen - molten carbonate fuel cell MCFC en solid oxide fuel cell SOFC-kunnen worden gekoppeld aan een stoom- en/of gasturbine voor elektriciteitsopwekking met een zeer hoog rendement.

Huidige toepassing
Brandstofcelvoertuigen bevinden in het stadium van onderzoek, ontwikkeling en demonstratie. Met brandstofcelbussen worden in Europa, Amerika, China en andere landen demonstratieprogramma?s uitgevoerd of opgezet. Deze programma?s zijn erop gericht de bestaande technische en economische barri?res bij brandstofcelbussen te verminderen, zodat over 5 tot 10 jaar brandstofcelbussen een min of meer concurrerende optie kunnen gaan vormen in vergelijking met bijvoorbeeld dieselbussen. Uitgaande van waterstof als brandstof kunnen brandstofcelbussen een bijdrage leveren aan emissiereductie in grote steden. Tot op dit moment zijn er wereldwijd niet meer dan ca. 20 waterstoftankstations, voornamelijk voor brandstofcelbussen (Rits, 2003).

De ontwikkeling van brandstofcelauto?s loopt achter bij die van de bussen. Deze achterstand houdt verband met het ontbreken van een (economische) oplossing voor waterstofopslag op voertuigniveau. De meeste grote autofabrikanten hebben, soms in een samenwerkingsverband met leveranciers van brandstofcelsystemen, prototypes brandstofcelauto?s gebouwd en beproefd. Daarbij is gebleken dat brandstofcelvoertuigen zich qua actieradius, brandstofgebruik en emissies tegenwoordig (zeer) goed kunnen meten met auto?s op benzine of diesel (Reijers, 2001). DaimlerChrysler is inmiddels begonnen met de bouw en marktintroductie van de eerste serie van 60 brandstofcelauto?s op basis van de A-klasse voor tests in Europa, de VS, Japan en Singapore. Deze tests vormen onderdeel van door de Amerikaanse overheid gesponsorde internationale overeenkomsten[10].

Kleinschalige stationaire toepassingen (warmte/kracht voor groepen woningen of gebouwen) op basis van brandstofcelsystemen (PEMFC) zijn in het demonstratiestadium.

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
Grote autoproducenten, oliemaatschappijen en brandstofcelfabrikanten investeren fors in onderzoek, ontwikkeling en demonstratie van brandstofcelvoertuigen en -systemen. Een belangrijk punt van onderzoek bij toepassing van brandstofcellen in de transportsector is de vraag of waterstof in het voertuig moet worden opgeslagen of aan boord geproduceerd uit een op koolwaterstoffen (olie, gas, kolen) gebaseerde energiedrager zoals benzine of methanol.

Brandstofcelvoertuigen hebben nog niet de gewenste betrouwbaarheid wat betreft de levensduur van brandstofcelsystemen en zijn zeer duur in vergelijking met de huidige typen personenauto?s. Door fasegewijze introductie van brandstofcelauto?s (eerst op basis van bijvoorbeeld methanol-reforming aan boord, waarschijnlijk pas na ca. 2010 op basis van waterstof) zullen de technische problemen geleidelijk kunnen worden opgelost en zal de kostprijs van brandstofcelauto?s ook kunnen dalen tot een niveau waarbij commercialisatie mogelijk wordt).

Voor toepassing in de transportsector worden zwaardere eisen gesteld aan brandstofcellen ten aanzien van vermogensdichtheid, veiligheid en betrouwbaarheid dan voor stationaire toepassing. Voor stationaire toepassing is een langere levensduur vereist.

Technische gegevens en kostenaspecten
Brandstofcelsystemen worden momenteel ontwikkeld in vermogensklassen vari?rend van sub-kW tot multi-MW. Voor technische gegevens en kostenaspecten van stationaire toepassingen van brandstofcellen wordt verwezen naar de factsheets over gasgestookte elektriciteitsopwekking en warmteproductie in de gebouwde omgeving. Hier wordt alleen de brandstofcelauto beschouwd.

In Tabel 1 wordt de brandstofcelauto op waterstof vergeleken met de huidige stand van de techniek van auto?s met interne verbrandingsmotor (Internal Combustion Engine, ICV)-met benzine, diesel, LPG of aardgas als brandstof - in de conventionele benzine- en dieselversies en de hybride versies daarvan (een hybride auto is een benzine- of dieselauto met een relatief groot accupakket en elektrische aandrijving). Bij de brandstofcelauto is de brandstof gasvormige waterstof (?GH₂?) van een centrale waterstoffabriek gebaseerd op aardgas (Wang, 2001). In de tabel worden het energiegebruik en de CO₂-emissies ?from well to wheels? tevens opgesplitst in het energiegebruik en de CO₂-emissies voor de brandstofproductie in een raffinaderij of waterstoffabriek (?from well to platform?) en het energiegebruik en de CO₂-emissies van de auto zelf (?from platform to wheels?).

Het totale energiegebruik (?well-to-wheels?) van de brandstofcelauto op gasvormige waterstof (GH₂) is ongeveer 15% hoger dan van de hybride dieselauto en de broeikasgasemissie is ongeveer 15% lager. Deze prestaties hebben de volgende verklaring:
- Het rendement van waterstofproductie uit aardgas ligt een stuk lager dan dat van raffinage van benzine of diesel uit olie. Met de bestaande techniek van de PEMFC is het nog niet mogelijk dit rendementsverlies ten opzichte van de keten ?Aardolie - hybride dieselauto? goed te maken. Er wordt echter gewerkt aan andere elektrolyten die een hogere bedrijfstemperatuur dan bij de PEMFC mogelijk maken en daarmee een hogere efficiency op voertuigniveau (Science, 2003).
- De basis voor de brandstofcelauto op waterstof is aardgas. Aardgas heeft een lagere specifieke CO₂-emissie dan aardolie: 56 kg CO₂/GJ respectievelijk 71-78 kg CO₂/GJ. Dit verklaart dat de keten ?Aardgas - brandstofcelauto op waterstof? een 15% lagere emissie van broeikasgassen heeft dan de keten ?Aardolie - hybride dieselauto?.

Tabel 1 Vergelijking brandstofcelauto op waterstof met benzine-, diesel- en hybride auto?s

*     GHG = Greenhouse Gas

Wat betreft de kosten van de brandstofcelauto en andere autotypen is aangenomen dat alleen de kosten van het aandrijfsysteem verschillen. Tabel 12.2 geeft indicatieve kosten, met name gebaseerd op (Rits, 2003), voor 2005, 2030 en 2050. De Toyota Prius, de meest verkochte hybride benzineauto, kost $ 20.000 (Internetbron 1), overeenkomend met ? 18.000 (1 ? ≈ 1,1 $).

Tabel 2 Indicatieve kosten voor vijf typen middenklasse-auto?s

Een brandstofcelauto zou in 2005 nog ca. 27 k? duurder zijn dan een dieselauto of benzine hybride auto. In 2030 zou de meerprijs zijn gedaald tot 1,5 ? 2 k? en in 2050 tot 1 ? 1,5 k? .

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004