De hele wereld duikt ineens in waterstof

De verwachtingen rond waterstof zijn torenhoog. Waterstof is een alleskunner: schone brandstof, grondstof voor chemische processen en energiedrager om wind- en zonne-energie in op te slaan. Dat laatste natuurlijk niet zo efficiënt, maar het is voor opslag geschikter dan batterijen. Coalitiepartijen D66 en VVD willen daarom dat er in 2030 maar liefst 8 gigawatt aan groenelysecapaciteit in Nederland is, volledige zij vorige week bekend. Dat is voor meer dan de 3 à 4 gigawatt die het vorige kabinet ten doel gesteld. En die ambitie was al een groot contrast met de enkele megawatt die er nu zijn.

Groene waterstof wordt gemaakt met elektrolyse. Watermoleculen splitsen daarbij in waterstof en zuurstof. De reactie wordt aangejaagd door stroom door water te leiden. Water komt langs de elektroden, en aan de ene elektrode vormen zich waterstofbellen, aan de andere elektrode zuurstofbellen. Scheid je die van het water, dan heb je waterstof en zuurstof in gasvorm.

Het proces is op zich niet mogelijk. Wie op school scheikunde heeft gehad, heeft de docent vast kunnen zien demonstreren in een eenvoudige proefopstelling. Maar het elektrolyseproces kan opbrengst. Doorgaans zetten elektrolysers slechts 70 tot 80 procent van de energie die er in de vorm van stroom doorheen gaat in waterstof.

Met de enorme waterstofambitie in het achterhoofd, is opkrikken van die verliezen en verlagen van de kosten. Op alle niveaus wordt ingezet. In laboratoria van universiteiten over de hele wereld worden uitvindingen gedaan. Talloze start-ups komen met nieuwe producten die claimen te zijn. Grote bedrijven werken samen met kennisinstituten aan proefinstallaties om grotere schaal zo efficiënt en betaalbaar te produceren met stroom uit windenergie.

De tien jaar gaan we heel veel leren over elektrolyse

Thijs de Groot TU Eindhoven

„De universitaire ontwikkeling van de elektrolyse over elektrolyse”, TU Eindhoven en innovatietecholoog bij waterstofbedrijf HyCC „Ik denk dat over tien jaar de kaarten wel zijn geschud. Een of enkele elektrolysetechnieken hebben zich dan bewezen. Dan kom je er met nieuwe technieken nog moeilijk tussen. Maar welke het zal zijn, durf ik nu echt niet te zeggen. Alles ligt nog open.”

Hoe staat het ervoor met de verschillende technieken? Welke vragen liggen nog open, en in welke richtingen zoeken naar antwoorden?

Twee typen elektrolysers worden veel gebruikt. De gangbaarste is de alkaline-elektrolyser. wordt alkalisch – basisch – water gebruikt, vandaar de naam. De andere, iets minder gangbaar, is de PEM-elektrolyser, die met zuiver water werkt. PEM staat voor protonenuitwisselingsmembraan, en het belangrijkste kenmerk is dan ook het membraan in het midden, dat selectief protonen doorlaat. Een derde variant, de SOEC (vaste oxide elektrolyser cel), werkt niet met vloeibaar water maar met stoom. Later wordt veel onderzoek gedaan en de efficiëntie haalt de honderd procent, maar hij werkt bij heel hoge temperaturen en de techniek is niet echt doorgedrongen naar de praktijk.

Edelmetalen

De PEM-elektrolyser heeft veel voordelen. Dankzij het membraan is er geen gevaar dat waterstof en zuurstof met elkaar aanraking komen, wat ontploffingen kan veroorzaken. De elektroden vormen de verschillende vormen ontstaan ​​ontstaan ​​op elkaar ontstaan. Dat probleem de weerstand en zorgt voor een snellere reactie. De elektrolyser is compact en efficiënt. Maar er zijn zwaarwegende nadelen: er worden edelmetalen gebruikt als katalysator op de elektroden en vooral iridium is schaars en duur.

„Als je zonder die edelmetalen kunt dan is PEM duidelijk de winnende techniek”, zegt De Groot. „Maar zonder gaat voorlopig niet gebeuren, dat blijft niet stabiel. Reduceren kan wel. Als je er een factor 100 af kunt halen, dan zou je met de wereldvoorraad iridium een ​​heel eind komen.”


Het verbeteren van de alkaline-elektrolyser is complexer. „De alkaline-elektrolyser is een honderd jaar oude techniek berekend niet meer zo heel veel veranderd is”, zegt De Groot. „Het is niet goedkoop, robuust en er zitten edelmetalen in. Maar de stroomdichtheid – de – is laag en daarom zijn het grote, logge machines.”

Ook hier wordt gezocht naar betere elektroden, zodat een hogere stroomdichtheid mogelijk wordt. De Groot: „Als je de literatuur openslaat, dan zou je denken, dat kan wel, met een nikkel-ijzercombinatie voor de anode en met bijbehorende metalen als kobalt of mangaan voor de kathode.” Maar of ze stabiel blijven moet nog worden bewezen. „Een andere truc is het materiaal poreus maken, zodat er veel oppervlak ontstaat dat de activiteit hoger is.”

Ook wordt winst gezocht in het verbeteren van het diafragma tussen de elektroden, zegt De Groot. Dat is „een doekje met gaatjes erin” dat tussen de twee elektroden geplaatst is en twee gassen uit elkaar te houden. „Ook aan die diafragma’s is lange tijd niks gebeurd. Maar hoe dunner het diafragma, hoe lager de weerstand, dus wordt nu geëxperimenteerd.” Oneindig dunner maken kan niet. Als het zo dun is ook waterstof- en zuurstof er makkelijk doorheen gaan, groeit het explosiegevaar weer.

Membranen

Mooiere zou zijn als er een technologie komt die de voordelen van PEM ontwikkeld met die van alkaline (goedkope materialen). Veel onderzoek wordt daarom gedaan aan een ontstaande membranen. „Een hoge doorlaatbaarheid voor de aan de ene kant wil je een hoge doorlaatbaarheid voor de buitenste moleculen. Aan de andere kant een lage doorlaatbaarheid voor al het andere. Het zoeken naar die balans is de kunst”, zegt Kitty Nijmeijer, hoogleraar membraantechnologie aan de TU Eindhoven. Het is kunst op moleculair niveau, waarbij wordt gespeeld met de chemische oriëntatie en samenstelling van het molecuul waarvan het membraan gemaakt is.

De moeilijkheid zit hem ook in de grootte. „Een membraan op kleine schaal in een lab is heel iets anders dan een vierkante meter membraan. In het klein heb je veel membraanmateriaal dat vastgeklemd zit en weinig vrij oppervlak. In het groot gaat zo’n membraan een beetje flubberen. Dat maakt de eerste stap naar opschaling heel eenvoudig.”

Kan het niet gewoon helemaal zonder? Willem Haverkort, universitair docent elektrochemische energiesystemen aan de TU Delft, werkt aan membraanloze elektrolysers. gescheiden hij waterstof- en zuurstofbelletjes van elkaar met behulp van de stroming van het water. „De hoop is dat het zorgt voor betere afscheiding én meer uitgaven. De stroom dichtheid van alkaline-elektrolys zou dan kunnen met een factor 3 tot 4 omhoog.”

Een nieuwe, maar belangrijke factor is een grillige aanbod van wind- en zonne-energie. Elektrolysers continu aan- en uitzetten zorgt voor problemen rond de diafragma’s (gas gaat van de ene naar de andere) en aan de elektroden.

Als we de klimaatdoelen willen halen hebben we geen tijd om te wachten

Thijs de Groot TU Eindhoven

Alle aandacht voor elektroden, diafragma’s en membranen. Maar in het ontwerp van de elektrolyser als geheel valt ook nog een wereld te winnen.

Vorige maand internationale onderzoekers van de universiteit van Wollongong, Australië bijvoorbeeld over een elektrolyser met een versimpeld ontwerp. Een poreus diafragma zuigt water op. Dankzij elektroden aan weerszijden splitst het water en zonder tussenkomst van belletjes kan het waterstof- en zuurstofgas worden afgezogen. Efficiëntie: maar liefst 98 procent. Het papier dankzij dat cijfer in combinatie met het elegante ontwerp met veel interesse ontvangen.

„Ze gebruikt bijna geen vloeistof. Alleen de spons tussen de twee elektroden moet gevuld zijn met water”, zegt Haverkort, die het onderzoek voor publicatie becommentarieerde. „Ook is er normaal gesproken bij elektrolyse veel koeling nodig, maar door hun hoge efficiënties dat nog amper. En wat ik als belletjeskundige het interessantst vind, ze gaan direct de gasfase in. Ze verliezen geen energie door in de weg zittende bellen.”

Conservatieve branche

De kans dat zo’n totaal ander ontwerp snel wordt overgenomen in de praktijk is niet groot. „Dit is een conservatieve branche”, zegt Haverkort. „Ter illustratie: een van oudsher groot elektrolysebedrijf uit Noorwegen, Nel, maakt ronde elektrolysers. Dat was honderd jaar geleden handig, zodat ze zware dingen makkelijk konden rollen. Dat nu niet meer zo’n belangrijke factor moet zijn voor het ontwerp, maar ze maken ze nog steeds zo.”

Die conservatieve inborst maakt dat ook onderzoek aan diafragma’s nuttig is, vindt De Groot. Diafragma’s kennen al, dus kunnen ze direct aan de slag, niet het hele ontwerp op de schop. „Als we de klimaatdoelen willen halen hebben we geen om te wachten tot uitvindingen uit het lab zijn opgeschaald, en bewezen dat ze het minimaal vijf jaar op het niveau blijven doen.”

Toch zien onderzoekers kansen voor meer dan één techniek. „De kans is groot dat je één dominante techniek krijgt, maar dat in niches andere technieken relevant zijn”, zegt De Groot. „Stel je hebt een ammoniakfabriek waar veel restwarmte voorhanden is, dan kan de V, maar hoge temperatuur vragende SOEC een heel fijne toepassing zijn.” Haverkort: „Er gaat ook altijd energie verloren bij het vervoeren van energie. Er is daarom een ​​hele beweging die graag elektrolysers ín windmolens wil zetten. is PEM geschikter dan alkalisch. Compactheid is dan ineens van belang.”

Leave a Reply

Your email address will not be published.