Meetcampagne op SOFC brandstofcel over langere periode bewijst duurzaamheid
- Inleiding
Sinds het najaar van 2014 volgde COGEN Vlaanderen een SOFC-installatie op die warmte levert aan een warmhoud-proces bij een professionele laagspanningsafnemer. Hierbij werden de kwartuurwaarden van zowel de elektriciteitsopwekking, de warmteproductie als het aardgasverbruik bijgehouden.
Sinds enkele jaren zijn brandstofcellen op de markt gebracht met verschillende technologieën: in casu de “Solid Oxide Fuel Cell” (SOFC-installatie) die op hogere temperatuur opereert en de “Proton Exchange Membrane” (PEM) brandstofcel, die op lagere temperatuur werkt en beide momenteel op aardgas. De uitvoeringen van deze brandstofcellen produceren naast elektriciteit, ook warmte op 40 tot 60°C met de grootteorde van enkele kW.
De huidige toestellen in België, die tussen 0,8 en 1,5 kW elektriciteit produceren, zijn typisch op het niveau van de laagspanning aansluiting te evalueren. Bij dergelijke vermogens, wordt de productie immers nagenoeg volledig ter plaatse benut. De technologie is wel opschaalbaar. Zo brengt men in de USA opstellingen tot 300 kW op de markt.
Enkele weken geleden, hebben we echter deze meetcampagne moeten stoppen, wegens het gebrek aan nieuwe investeringen om de meetgegevens te blijven capteren. De resultaten overtreffen evenwel onze verwachtingen, zowel naar elektrische efficiëntie toe als naar de evolutie van slijtage.
- De metingen
Een belangrijk aspect waarom deze langdurende meetcampagne werd opgezet, is het feit dat er aanvankelijk wel wat twijfel was rond de duurzaamheid van de brandstofcel zelf in de loop van de tijd. Deze heeft in feite zeer zuivere waterstof als voeding nodig om ermee elektriciteit op te wekken. Er was vooral vrees dat de SOFC-technologie de “stack” (het hart van die brandstofcel) zou “vervuilen” en daardoor minder gunstige resultaten zou behalen of zelfs stilvallen.
2.1. Stack 1
Bij de eerste “stack” van de gemonitorde (experimentele) eenheid bleek deze vrees terecht. Hieronder ter illustratie de evolutie van het elektrisch rendement. Het gemiddeld rendement van de levensloop van deze “stack” is 50%.
Illustratie 1: de evolutie van het elektrisch rendement over een periode van drie jaren van stack categorie 1.
2.2. Stack 2
De grote degradatie leidde tot de vervanging van de “stack” in maart 2017. De vernieuwde brandstofcel had duidelijk terug een hoger rendement. De metingen (zie Illustratie 2) bewijzen ook een veel lagere degradatie van het rendement.
Illustratie 2: elektrisch rendement van stack categorie 2. Lagere degradatie van elektrisch rendement
Het elektrisch rendement ligt over de geobserveerde 5 jaar gemiddeld op 53,2% . De degradatie komt dan in de buurt van 0,9% per jaar. De schommeling op jaarbasis is onder ander het gevolg van de fluctuatie van de aardgastemperatuur, omdat de aardgasmeting geen temperatuurcorrectie heeft (gezien er hier over het jaar heen wordt gewerkt zijn de jaargemiddelde cijfers echter wel ok).
Naast dit elektrisch is er ook een thermisch rendement dat, afhankelijk van de vereiste watertemperatuur, schommelt tussen de 20 en 35% (een globaal rendement van 75 tot 85 à 90% is dus mogelijk). In de praktijk wordt het verlies aan rendement teruggevonden op het niveau van de elektriciteitsproductie nl. bij de warmteproductie.
- Conclusie
Op het ogenblik van de plaatsing van de tweede “stack” werd een normale levensverwachting voorzien van 7 jaar. Door de huidige evolutie is dit niet onwaarschijnlijk en zou dit dan een rendement van rond 50% opleveren dat wellicht dan verder degradeert. Op dat ogenblik zou het gemiddeld rendement +52,5% elektrisch zijn over een periode van 7 jaar.
Het Europese referentierendement voor aardgas naar elektriciteitsverbruik op laagspanning bedraagt 46%. Dit betekent dat een SOFC over zijn levensduur zelfs als enkel elektriciteitsopwekker ongeveer 14% beter scoort inzake primair energieverbruik. Door de uitbating in cogeneratiemodus bij een (continue) warmtegebruiker wordt dit uiteraard nog efficiënter.
De uitdagingen voor deze technologie liggen echter bij problemen rond flexibiliteit. De technologie verdraagt namelijk heel moeilijk een start/stop-uitbating wegens de sterke temperatuurgevoeligheid van de “stack”.