Elektrolyse wacht op opschaling
Elektrolyse van water is als methode om waterstof te maken meer dan twee eeuwen oud. Nu waterstof in beeld is als opslagmedium voor duurzame energie, zijn gigantische installaties nodig. Dat vraagt om een efficiëntieslag.
Waterstof is vooral nodig voor de productie van kunstmest en explosieven. Voor de productie ervan waren in de vorige eeuw elektrolyse-installaties van meer dan 100 MegaWatt gangbaar. Op een gegeven moment werd het echter goedkoper om waterstof uit aardgas te maken. De laatste 100+ MW elektrolyse-installatie sloot in 1992.
Nu energie uit wind en zon een hoge vlucht neemt, met het bijbehorende piekaanbod, is er vraag naar opslagmethoden. Batterijen liggen voor de hand, maar hebben nadelen. Waterstof is een goed alternatief: chemisch stabiel en makkelijk te transporteren. Het maken uit aardgas zorgt voor CO2-uitstoot, dus komt elektrolyse weer in beeld. Heel groot in beeld zelfs.
China wil binnen vier jaar een capaciteit hebben van 5500 MW. Nederland mikt op 4000 MW in 2030, aldus de Kabinetsvisie Waterstof, in april verzonden aan de Tweede Kamer. De visie stelt dat de opschaling gepaard moet gaan met een kostenreductie van 50 à 60 procent. Een hogere efficiëntie van de elektrolyse is daarvoor essentieel. Daar wordt onder andere aan de TU Delft onderzoek naar gedaan. Bekend is de battolyser, een innovatieve combinatie van batterij en elektrolyser (zie Delft Integraal, december 2018), maar er loopt ook meer fundamenteel onderzoek.
Explosief
Bij elektrolyse wordt elektrische spanning op een zoutoplossing gezet. Aan de kathode komt dan waterstof vrij, aan de anode zuurstof. Die gasbellen belemmeren contact tussen de elektroden en de oplossing, dus moeten snel afgevoerd worden. Ook reizen ionen door de oplossing tussen de twee elektroden. Het proces verloopt efficiënter als de elektroden dichter bij elkaar staan, maar dan komen de gasbellen ook dichter bij elkaar en die vormen samen een explosief mengsel. Het is dus puzzelen met de juiste afmetingen, materialen, druk, spanning, temperatuur, enzovoort.
“Een typische alkaline elektrolyser van 2 MW is een buis van bijna twee meter doorsnee en tien meter lang”, vertelt dr.ir. Willem Haverkort, die zich bij 3mE bezig houdt met de optimalisatie van elektrochemische energiesystemen. “Daarin zitten platen die dienen als elektroden, gescheiden door separatoren die voorkomen dat de twee gassen met elkaar in aanraking komen. Die separatoren belemmeren echter ook het transport van de ionen en vormen dus een rem op het tempo waarin het apparaat waterstof produceert.”
Elektrolyse is een oud veld, maar er valt nog veel aan te onderzoeken
Haverkort: “Een van de oplossingen waar we naar kijken is het vervangen van de separator door stroming om de gasbellen naar de buitenkant te drijven. Dan kan het transport van de ionen mogelijk efficiënter zonder het risico van gasmenging.”
Samen met student Pim van der Stigchel bedacht Haverkort ook een innovatieve elektrode: niet een vlakke plaat, maar een zigzag. Zo krijg je in hetzelfde volume meer elektrode-oppervlak. Er moet nog veel onderzoek aan verricht worden, maar het patent is alvast binnen.
Oud veld
“Elektrolyse is een oud veld, maar er valt nog veel aan te onderzoeken”, zegt Haverkort. “Er zit vermoedelijk nog kennis bij het bedrijfsleven, maar die kennis heeft de academie nooit bereikt. In de jaren zestig van de vorige eeuw werd de separator bijvoorbeeld vaak direct aan de elektroden vastgemaakt. Als we dat nu proberen, gaat het eventjes goed, maar een heel kleine afstand blijkt toch beter te werken. Oude patentaanvragen suggereren dat men dit wist, maar welke kennis daaronder ligt, is onbekend, in elk geval voor ons aan de universiteit.”
Wat ze indertijd in elk geval niet hadden waren de uitgebreide computermodellen waar Haverkort over beschikt. Die maken het zoeken naar kansrijke oplossingen stukken makkelijker. Maar of die vijftig procent van het kabinet haalbaar is, valt momenteel niet met zekerheid te zeggen.