Vaste-oxidecel: de keramische krachtpatser voor stroom én waterstof
Stel je een gloeiend hete, keramische plak voor die net zo werkt als een accu, maar dan eentje die nooit leeg raakt zolang je er brandstof in blijft gieten. Dat is in de kern een vaste-oxidecel: een apparaat dat brandstof zoals waterstof of aardgas via een chemische reactie direct omzet in elektriciteit, zonder te verbranden en zonder bewegende delen. Er komt geen knal, geen vlam en geen motorgeluid aan te pas — alleen een gestage, stille stroom van elektronen, opgewekt bij temperaturen tussen de 600 en 1000 graden Celsius.
Het bijzondere is dat dezelfde technologie ook omgekeerd kan werken. Stop je er in plaats van brandstof juist elektriciteit en waterdamp in, dan splitst de cel water in waterstof en zuurstof. Dezelfde hete keramische plak is dan dus geen stroomgenerator meer, maar een elektrolyse-installatie: een apparaat dat met elektriciteit water in zijn bestanddelen knipt. Die dubbele toepasbaarheid maakt de vaste-oxidecel voor de energietransitie interessant: hetzelfde basisprincipe kan zowel schone stroom leveren als schone waterstof produceren.
Wat is het precies?
Een vaste-oxidecel (in het Engels solid oxide cell, afgekort SOC) bestaat uit drie hoofdlagen die op elkaar zijn gestapeld: twee elektroden — een anode en een kathode — met daartussen een elektrolyt. Een elektrolyt is een materiaal dat geladen deeltjes doorlaat, maar geen vrije elektronen. Bij de meeste batterijen en brandstofcellen is dat een vloeistof of een zachte membraan, maar bij de vaste-oxidecel is het letterlijk een vaste, keramische plaat, meestal gemaakt van zirkoniumoxide dat is verstevigd met yttriumoxide (afgekort YSZ). Vandaar de naam “vaste oxide”.
Wat deze keramiek bijzonder maakt, is dat het bij hoge temperatuur zuurstofionen (elektrisch geladen zuurstofatomen, aangeduid als O²⁻) doorlaat. Aan de kathodekant wordt zuurstof uit de lucht opgenomen en omgezet in zuurstofionen, die vervolgens dwars door de keramische plaat naar de anode wandelen. Daar reageren ze met de brandstof — bijvoorbeeld waterstofgas — waarbij water en, heel belangrijk, vrije elektronen ontstaan. Die elektronen kunnen niet dwars door de elektrolyt heen, dus ze worden gedwongen om via een externe elektrische draad te reizen. Die stroom van elektronen is de elektriciteit die je eruit kunt halen.
Omdat de cel op zo'n hoge temperatuur draait, is hij minder kieskeurig over zijn brandstof dan bijvoorbeeld de brandstofcellen in waterstofauto's, die bij kamertemperatuur werken en vrijwel zuivere waterstof nodig hebben. Een vaste-oxidecel kan ook aardgas, biogas of zogeheten syngas (een mengsel van waterstof en koolmonoxide) direct verwerken, omdat de hitte in de cel zelf al een deel van het “kraken” van die brandstoffen voor zijn rekening neemt, een proces dat interne reforming heet.
In de omgekeerde stand, dan spreekt men van een SOEC (solid oxide electrolysis cell), wordt er juist elektriciteit toegevoerd. Waterdamp wordt bij de kathode gesplitst in waterstofgas en zuurstofionen; die ionen wandelen weer door de keramiek en komen er aan de andere kant als zuurstofgas uit. Sommige systemen kunnen zelfs CO&sub2; mee-elektrolyseren tot koolmonoxide, waarmee je samen met waterstof een basisgrondstof voor synthetische brandstoffen maakt. Een cel die probleemloos tussen beide standen kan schakelen, heet een reversibele vaste-oxidecel (rSOC).
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van de vaste-oxidecel is rendement. Omdat er geen verbrandingsmotor of turbine met bewegende onderdelen aan te pas komt, en omdat elektrochemische omzetting minder energie verspilt als warmte, halen vaste-oxide brandstofcellen elektrische rendementen van 50 tot 65 procent — aanzienlijk hoger dan een gasgestookte motor of zelfs een moderne gasturbine. Wordt de resterende warmte ook nog benut, bijvoorbeeld om gebouwen te verwarmen, dan kan het totale rendement richting de 90 procent lopen. Dat principe, waarbij stroom én warmte tegelijk nuttig worden gebruikt, heet warmtekrachtkoppeling.
In de elektrolyse-richting is het doel vooral efficiënte groene waterstofproductie. Omdat SOEC-cellen op hoge temperatuur werken, hebben ze voor het splitsen van water minder elektriciteit nodig dan de gangbare alkalische of PEM-elektrolysers die bij kamertemperatuur draaien: een deel van de benodigde energie kan als warmte worden toegevoerd in plaats van als dure elektriciteit. Dat is vooral aantrekkelijk in combinatie met industriële processen die toch al restwarmte overhebben, of met warmtebronnen zoals kerncentrales.
Daarnaast hoopt men vaste-oxidecellen in te zetten voor het balanceren van het elektriciteitsnet. Bij een overschot aan zon- of windstroom kan een reversibele cel waterstof produceren en opslaan; is er juist een tekort, dan zet dezelfde cel die waterstof weer om in stroom. Zo fungeert de technologie in theorie als een soort seizoensbatterij voor duurzame energie, al is dat idee tot nu toe vooral op kleine schaal gedemonstreerd.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Amerikaanse bedrijf Bloom Energy is wereldwijd de bekendste speler in stationaire vaste-oxide brandstofcellen. Sinds de introductie van de zogeheten Bloom Box, rond 2010, heeft het bedrijf duizenden systemen geplaatst bij datacenters, ziekenhuizen en bedrijfscampussen in de Verenigde Staten en Azië, waarmee ter plekke elektriciteit wordt opgewekt zonder dat er een lange kabel naar een centrale nodig is.
In Duitsland werkt fabrikant Sunfire samen met staalproducent Salzgitter Flachstahl aan het SALCOS-project, waarbij met SOEC-elektrolyse geproduceerde waterstof wordt gebruikt om staal te maken zonder kolen als reductiemiddel. Een pilotinstallatie hiervoor is de afgelopen jaren in bedrijf genomen als opstap naar grootschalige, koolstofarme staalproductie.
Het Deense bedrijf Topsoe, van oudsher bekend van katalysatoren voor de chemische industrie, heeft in Herning een productiefaciliteit gebouwd die specifiek gericht is op de fabricage van SOEC-elektrolysers op industriële schaal, met als doel de kostprijs van groene waterstof omlaag te brengen door in plaats van kleine pilots in serie te gaan produceren.
In het Verenigd Koninkrijk ontwikkelt Ceres Power geen eigen eindproducten, maar licentieert het zijn vaste-oxide-technologie aan grotere industriële partners. Zo heeft de Duitse toeleverancier Bosch de technologie in licentie genomen om er stationaire brandstofcelsystemen mee te bouwen, en werkt ook het Zuid-Koreaanse Doosan met Ceres-technologie voor eigen brandstofcelsystemen.
In de Verenigde Staten test het Idaho National Laboratory, een onderzoekscentrum van het Amerikaanse ministerie van Energie, de koppeling van SOEC-elektrolyse aan een kerncentrale: de restwarmte en een deel van de elektriciteit van de centrale worden gebruikt om via hoge-temperatuurelektrolyse waterstof te produceren, als demonstratie van hoe bestaande energiecentrales een tweede rol als waterstofproducent kunnen krijgen.
Hoe ver is de techniek?
De brandstofcelkant van de technologie (SOFC) is het verst ontwikkeld en wordt al commercieel verkocht, vooral voor stationaire toepassingen zoals noodstroom en warmtekrachtkoppeling bij bedrijven en datacenters. Voor voertuigen is de vaste-oxidecel minder geschikt: het duurt uren voordat de cel is opgewarmd tot zijn werktemperatuur, waardoor hij zich niet leent voor snel starten en stoppen zoals in een auto. Daarom wordt in personenwagens vrijwel altijd de laagtemperatuur-PEM-brandstofcel gebruikt, terwijl de vaste-oxidecel zijn plek vindt in toepassingen die continu of langdurig draaien.
De elektrolyserichting (SOEC) staat minder ver: hier gaat het voorbij de kleine pilotschaal en naar de eerste installaties op enkele tientallen megawatts, maar echt grootschalige, jarenlange bedrijfservaring zoals bij alkalische elektrolysers ontbreekt nog. Het belangrijkste technische obstakel is duurzaamheid: de hoge temperatuur en herhaaldelijk op- en afschakelen zorgen voor thermische spanning in de keramische lagen, wat scheurtjes en degradatie van de elektroden kan veroorzaken. Ook het luchtdicht afdichten van de stapels (stacks) bij zulke hoge temperaturen, en het beheersbaar houden van de productiekosten van de keramische onderdelen, blijven aandachtspunten. Fabrikanten werken aan goedkopere materialen, betere afdichtingen en cellen die de opwarm- en afkoelcycli beter doorstaan, maar een doorbraak die de kosten drastisch verlaagt, moet nog komen.
Wie werken eraan?
Naast de eerdergenoemde Bloom Energy, Sunfire, Topsoe en Ceres Power zijn onder meer het Japanse Mitsubishi Power, dat vaste-oxidecellen combineert met gasturbines voor extra hoog rendement, en de kleinere gespecialiseerde stackbouwers Convion (Finland) en Elcogen (Estland/Finland) actief in dit veld. In de Verenigde Staten doet ook FuelCell Energy onderzoek naar vaste-oxidesystemen, naast zijn bekendere smeltcarbonaat-brandstofcellen.
Op onderzoeksgebied geldt het Duitse Forschungszentrum Jülich al decennia als een van de belangrijkste centra voor materiaalonderzoek naar vaste-oxidecellen, van elektrolytsamenstelling tot degradatiemechanismen. In de Verenigde Staten doen nationale laboratoria van het ministerie van Energie, waaronder het genoemde Idaho National Laboratory en het National Energy Technology Laboratory, uitgebreid onderzoek naar integratie met kerncentrales en industriële processen. In Nederland houden onderzoeksinstellingen als TNO zich bezig met brandstofcel- en elektrolysetechnologie, al ligt de Nederlandse nadruk vooralsnog meer op laagtemperatuur-elektrolyse dan op vaste-oxidesystemen.
Op beleidsniveau steunt de Europese Unie de opschaling van SOEC-technologie onder meer via de zogeheten IPCEI-programma's (belangrijke projecten van gemeenschappelijk Europees belang) voor waterstof, waarmee lidstaten gezamenlijk fabrieken en pilotprojecten subsidiëren. Duitsland, Denemarken, het Verenigd Koninkrijk, de Verenigde Staten, Japan en Zuid-Korea gelden op dit moment als de landen waar de meeste bedrijvigheid rond vaste-oxidecellen te vinden is.