Waarom we over dit onderwerp schrijven:
De Russische oorlog tegen Oekraïne en de daaruit voortvloeiende geopolitieke situatie heeft de urgentie van hernieuwbare energiebronnen nog eens benadrukt. Een van de grote kanshebbers is waterstof, dat het vermogen heeft om elektriciteit op te slaan uit de hernieuwbare energiebronnen biomassa, wind en zon. Momenteel kan milieuvriendelijke waterstof echter alleen met dure procédés worden geproduceerd en is dus slechts in kleine hoeveelheden beschikbaar. Groene waterstof zou een zeer goede oplossing zijn voor onder meer de energie-intensieve industrie.
Om groene elektriciteit snel beschikbaar te maken, willen de Technische Universiteit van Graz en het Oostenrijkse Instituut voor Technologie AIT in Wenen de ontwikkeling van innovatieve en efficiënte technologieën voor de productie van groene waterstof versnellen. De onderzoeksinstellingen starten een gezamenlijk doctoraatsprogramma over waterstoftechnologieën in het zomersemester van 2023. De nadruk ligt op elektrolyse bij hoge temperatuur (HTE), ook bekend als SOEC’s (Solid Oxyde Electrolyzer Cell).
Het proces is nog betrekkelijk nieuw, maar veelbelovend. Zowel de materialen als de systeemstructuur van de HTE en de integratie ervan in industriële processen, moeten worden onderzocht. Prof. Dr. Christoph Hochenauer, die onderzoek doet aan het Instituut voor Thermische Technologie van de TU Graz, vertelt erover in een interview met Innovation Origins.
Waarom is het nog niet mogelijk om groene waterstof in grote hoeveelheden te produceren?
“Milieuvriendelijke elektriciteit is elektriciteit uit hernieuwbare bronnen zoals biomassa, zonne-energie of windenergie, waarvan er in Midden-Europa nog veel te weinig is. We kunnen geen groene waterstof produceren met niet-bestaande hernieuwbare energie. Tot zover het economisch perspectief.”
Wat is het probleem met groene waterstof ?
“De huidige elektrolysers hebben nog steeds een vrij laag rendement van 50 tot 60 procent. Dat geldt zowel voor alkalische elektrolyse als voor PEM-elektrolyse, dat met membranen werkt. Dit betekent dat van 100 procent elektrische energie uiteindelijk slechts 50 tot 60 procent chemische energie kan worden verkregen in de vorm van groene waterstof. De rest is warmteverlies, dat niet of nauwelijks gebruikt kan worden. Door de huidige lage efficiëntie van elektrolyse is het nog niet erg aantrekkelijk om groene waterstof te produceren – en zeker niet als we te weinig hernieuwbare elektriciteit hebben.”
Is daar iets aan te doen?
“Ons onderzoeksdoel is de efficiëntie van elektrolyse enorm te verhogen. Wij concentreren ons op hogetemperatuur-elektrolysers, waar wij in het instituut al lang onderzoek naar doen. Bij elektrolyse bij hoge temperatuur wordt waterdamp gesplitst in de componenten waterstof en zuurstof bij temperaturen tussen 750 en 850 graden Celsius. Als hiervoor elektriciteit uit hernieuwbare bronnen wordt gebruikt, wordt groene waterstof geproduceerd met een rendement tot 85 procent. Met deze waarden is het aanzienlijk beter dan alles wat tot nu toe in de elektrolysesector is gedaan. Wij willen hier aanzienlijke verbeteringen blijven realiseren.”
Welke uitdagingen moet u overwinnen?
“We begonnen ons onderzoek tien jaar geleden op het niveau van één cel. Toen vielen de cellen al na korte tijd uiteen in afzonderlijke delen. Vijf jaar geleden bereikten we het punt waarop de cellen permanent meegingen. We hadden echter nog steeds grote problemen met lekkage en met de verbinding van de cellen en de behuizing. Het systeem werkt bij een temperatuur van 850 graden, wat gloeiend hete behuizingen betekent die niet zo gemakkelijk af te dichten zijn. Ook dit probleem hebben we opgelost. Drie jaar geleden zijn we afgestapt van losse cellen en hebben we celstapels gebouwd. Deze stacks draaien momenteel redelijk met een rendement van 80 tot 85 procent. Maar ze lijden nog steeds aan te veel degradatie. Een van de huidige uitdagingen is de degradatie te verminderen en zo de duurzaamheid te verbeteren.”
Dat gaat over materiaalonderzoek?
“Precies. De cellen degraderen met verschillende degradatie-effecten, zoals afzetting, delaminatie, korrelvergroting en dergelijke. Dit vermindert de efficiëntie van deze elektrolysers na verloop van tijd. Dat wil zeggen, dit wordt erger en erger met de tijd. Dit is geen showstopper voor deze technologie, maar wel iets om in de gaten te houden.”
Hoe gaat het onderzoek nu verder?
“Ook de bedrijfsstrategie van de hogetemperatuurelektrolyser is nog min of meer onontgonnen terrein. Hernieuwbare energie is variabel. Daarom moeten de elektrolysers van de toekomst kunnen werken met variabele belastingen. Wij gaan onderzoeken hoe wij kunnen afstappen van permanente vollast en kunnen overstappen op belastingsvariaties.
We moeten het bestaande wind- en zonneprofiel in het elektriciteitsnet kunnen gebruiken met onze hogetemperatuurelektrolysers; en dus werken met een variabele belasting. Wanneer wij erin geslaagd zijn deze technologie duurzaam stabiel te maken, d.w.z. de degradatie in te dammen en de werking variabel te maken, dan liggen er gigantische mogelijkheden in het verschiet. Dan zullen wij in staat zijn elektrolysers aan te bieden tegen onvergelijkbaar lage kosten. Dat komt omdat wij in onze elektrolyse alleen goedkope materialen gebruiken, zoals keramische materialen en nikkel als katalysator. De materiaalkosten van alle onderdelen en componenten van zo’n HTE zijn zeer laag.”
Betekent dit ook onderzoek naar nieuwe materialen?
“Voor de elektrolyten zullen we voortbouwen op bestaande materialen. Ook voor de brandstofelektrode zullen we ook vasthouden aan het gewone nikkel. Maar in het geval van de zuurstofelektrode worden momenteel vele materialen besproken. Het is nog niet helemaal duidelijk welke materialen op lange termijn de overhand zullen krijgen. Daarom zullen we in dit project het materiaal van de zuurstofelektrode nader bekijken.”
Hoe kan op deze manier opgewekte groene stroom in de industrie worden gebruikt?
“Waar nu al waterstof nodig is, zal in de toekomst groene waterstof uit zonne- en windenergie mogelijk zijn door middel van elektrolyse bij hoge temperatuur. Voorbeelden hiervan zijn de chemische industrie en de petrochemische industrie. En als er in de toekomst meer hernieuwbare elektriciteit beschikbaar is, kunnen we ook verder denken en deze elektrolysers gebruiken om deze elektriciteit op te slaan. Het systeem kan worden geïntegreerd in bestaande industriële installaties en kan, afgezien van de elektrolyse bij hoge temperatuur, gewoon met op de markt verkrijgbare onderdelen worden gebouwd.”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
