Het zal ongeveer 40 jaar geleden zijn dat ik regelmatig een bezoek bracht aan de Kleefse Waard in Arnhem. Daar was toen een typische onwelriekende Rayon fabriek gevestigd waar al sinds 1950 cellulose met koolstofdisulfide en loog werd omgezet tot viscose dat vervolgens tot rayongarens werd gesponnen. Het garen werd gebruikt in autobanden, voor zemenlappen en sponzen en natuurlijk ook als kunstzijde. Het afvalwater van het bedrijf werd toen nog gewoon geloosd in de Rijn, maar met de nieuwe wet op de waterverontreiniging van 1970 moest dat eerst worden gezuiverd. Dat afvalwater bevatte echter diverse chemische stoffen die normaliter niet in een biologische waterzuiveringsinstallatie voor huishoudelijk afvalwater voorkomen en het vergde enig onderzoek om te zien hoe dit water dan wel gezuiverd kon worden. Ik stond aan de wieg van dit onderzoek en de speciale biologische zuiveringsinstallatie die daarvoor ontworpen en gebouwd is.
Veertig jaar later bracht ik weer een bezoek aan De Kleefse Waard. De Rayonfabriek was inmiddels al lang verdwenen. Tot m’n vreugde bleek de zuiveringsinstallatie nog steeds te werken, maar op het Industrie Park Kleefse Waard (IPKW) bevinden zich tegenwoordig een stuk of twintig bedrijven die als pioniers op het gebied van energie en duurzaamheid baanbrekend ontwikkelingswerk doen. Ik mocht een bezoek brengen aan Nedstack, waar men werkt aan de productie van brandstofcellen.
De brandstofcel is een apparaat waarbij waterstof met zuurstof reageert tot water en waarbij de chemische energie die bij de reactie vrijkomt voor ongeveer 60 % wordt omgezet in elektrische stroom.
De kern van het apparaat is een zgn Nafion membraan. Deze is al in 1960 is ontwikkeld door DuPont de Nemours op basis van een gesulfoneerd tetrafluoroethylene polymeer. De unieke eigenschappen van dit membraan worden gebruikt voor proton uitwisseling (Proton Exchange Membrane PEM) waarbij waterstof en zuurstof onder invloed van Platina als katalysator met elkaar reageren tot water.
Om deze reactie netjes te laten verlopen moet een stroom van waterstofgas en een stroom van schone lucht zorgvuldig verdeeld aan weerszijden over het oppervlak van het membraan dicht bij elkaar gebracht worden. Daartoe wordt het membraan ingepakt tussen een anode en een kathode. Aan de anode reageert waterstof tot H+ (proton) dat via het membraan naar de kathode migreert en daar reageert met zuurstof tot water.
De anode en kathode bestaan uit koolstof (grafietpoeder) dat met een polymeer is samengeperst tot een vlakke gasdichte plaat waar hele dunne kanaaltjes in zijn geperst zodat het gas een zo lang mogelijk traject langs het membraan aflegt.
Bij Nedstack worden tot 96 van dergelijke cellen met elk een oppervlak van ongeveer 200 cm2 onder hoge druk op elkaar geperst zodat een gestapelde unit (stack) van ongeveer 60 cm ontstaat die een elektrisch vermogen tot 13 KW kan leveren.
Stapelen
Om voldoende vermogen te leveren voor bijvoorbeeld een elektromotor in een personen auto zou je dan een stuk of twee tot vier van die gestapelde units nodig hebben. Bij schepen hebben we al gauw 60 of meer stacks nodig.
Het bedrijf is al 25 jaar geleden begonnen maar staat toch nog in de kinderschoenen. De ‘kleine schaal’ fabriek op het IPKW levert met een productie nu nog 1 à 5 MW per jaar vermogen aan brandstofcellen maar streeft binnen enkele jaren op te schalen naar 1 GW per jaar. Het heeft daartoe recent een belangrijke financiële steun van een dikke € 26 miljoen gekregen in het kader van een Europees programma voor stimulering van de waterstof technologie (Important Projects of Common European Interest (IPCEI).
Daarmee is het een bedrijf voor de toekomst en loopt het voorop in de wereldwijde overgang naar waterstoftechnologie. Die waterstof moet dan wel “groen” geproduceerd worden met elektrolysers die gevoed worden met stroom uit wind- en/of zonneparken. Dat is nog wel even een dingetje. Alles bij elkaar worden daar in de hele wereld duizenden miljarden in geïnvesteerd. De brandstofcel komt aan het eind van de keten om van die waterstof weer stroom te maken.
Het principe van de brandstofcel lijkt heel eenvoudig. Er zijn geen bewegende onderdelen die kunnen slijten, maar er komt toch nogal wat bij kijken om alles goed te laten functioneren.
Allereerst is de fabricage van de anode en kathode platen precisie werk evenals het stapelen van de cellen met pakkingen zodat er geen lekkage optreedt.
Vervolgens moet de aangevoerde lucht stofvrij gemaakt worden en niet te koud, niet te warm en vochtig genoeg zijn (maar ook niet te vochtig). Als er koolmonoxide in de lucht zit, zoals in veel industriële gebieden het geval is, moet die eerst via een katalysator (Rhutenium) verwijderd worden. Ook moet de waterdamp, dat ontstaat in de cel, afgevoerd worden zodat er geen verstopping optreedt van de uiterst dunne kanaaltjes.
Om alles goed te laten verlopen, worden zowel anode als kathode voorzien van een overmaat van gas, bij de anode wordt het uitstromende waterstof gerecirculeerd naar de ingang,
Het gebruik van Platina als katalysator is natuurlijk een belangrijke kostenpost. In een vroegere versie was dit een losse laag, maar in de nieuwste versie zit het platina op het membraan en daardoor is de benodigde hoeveelheid sterk verminderd. Het is nu niet meer dan in de gemiddelde katalysator van een uitlaat van een autoverbrandingsmotor, met hetzelfde vermogen. Daarnaast is het Platina goed recyclebaar.
Het grote werk
Bij Nedstack denkt men niet in eerste instantie aan personenauto’s als toepassing, maar aan grotere units die min of meer constant kunnen werken. Omdat er toch nog een aanzienlijk deel van de energie als warmte vrijkomt is een toepassing waarbij je die warmte kunt benutten te verkiezen. Het elektrisch rendement is momenteel circa 55%. Een klein deel (ca. 5%) van de warmte en elektrische energie wordt intern gebruikt voor alle pompen, afsluiters, ventilators en regelingen. Dus 40 % van de energie uit waterstof zou nog voor externe warmte benut kunnen worden. Dit kan bijvoorbeeld een woonwijk zijn waarbij de warmte door middel van warmtepompen en een warmtenet kan worden benut. Toch zal ook bij grootschalige toepassingen de gevraagde hoeveelheid stroom niet altijd constant zijn. Om snel optredende fluctuaties te kunnen opvangen is er dan eigenlijk ook nog een accupakket nodig.
Ik had het voorrecht een compleet geïntegreerd systeem met alle toeters en bellen te mogen bekijken. Het geheel zat in een 20 voets container voor de productie van 500 KW vermogen. Daarmee zou een wijk met honderd huizen van stroom en warmte kunnen worden voorzien. De hoeveelheid leidingen, pompen, kleppen, regelaars en dergelijke was indrukwekkend. Daarmee was het voor mij gelijk duidelijk dat dit voor een personenauto veel te ingewikkeld zou worden en nooit zou kunnen gaan concurreren met de steeds beter wordende accu’s.
Andere toepassingen waar Nedstack zich dan ook op richt zijn binnenscheepvaart, datacenters, lokale stroom opwekking op afgelegen plekken of noodstroomvoorzieningen. Maar ook zonneparken en windparken waarbij via waterstof de hoeveelheid opgewekte energie gebufferd kan worden. In dat geval is er natuurlijk ook nog een elektrolyser nodig om het waterstof te maken en een opslagtank voor waterstof
De waterstoftechnologie is weliswaar booming, maar voorlopig vooral een eldorado voor slimme ingenieurs die graag aan een betere toekomst werken en daarbij de enorme technische uitdagingen niet schuwen. Ze nemen een aanloop voor een sprong in de toekomst en voelen de hete adem van de klimaatverandering in hun nek.
Han Blok
