Groene waterstof lijkt een van de kanshebbers om een duurzame-energiedrager te worden. Zo zouden we er prima zon- en windenergie mee kunnen opslaan op de pieken, en weer gebruiken wanneer ze zon niet schijnt en het windstil is. Daarvoor zijn er wel elektrolyzers nodiger, die efficiënt en flexibel kunnen omgaan met de fluctuaties in stroomaanbod.
De elektrolyzers die dat al kunnen, gebruiken echter kostbare en zeldzame grondstoffen voor hun electroden zoals bijvoorbeeld platina en iridiumoxide, terwijl de betaalbaardere alkaline elektrolyzer niet flexibel kan werken. Hier lijkt een team TU/e-onderzoekers onder leiding van Thijs de Groot (Chemical Engineering & Chemistry) nu wat op gevonden te hebben.
De Groot: “Alkaline elektrolyzers kun je maken met relatief goedkope grondstoffen, wat ze heel geschikt maakt als duurzame keuze. Daarom wilde ik juist daar onderzoek naar doen. Om te bekijken of we die geschikt kunnen maken voor flexibele energieopslag.”
- Groene waterstof vereist efficiënte elektrolyzers om schommelingen in stroomaanbod op te vangen;
- Huidige betaalbare alkaline elektrolyzers kunnen moeilijk flexibel omgaan met elektriciteitsaanbod en gebruiken kostbare materialen voor hun elektroden;
- De TU/e hebben onderzoekers een oplossing gevonden door de afstand tussen het membraan en de kathode (‘gap’) te optimaliseren.
De uitdaging: het waterstof-lek
Wat is nou het lastigste aan die alkaline elektrolyzers? Daarvoor moeten we terug naar de basis van wat er in een elektrolyzer gebeurt. In een zoutoplossing plaats je een kathode en een anode met daar tussenin een membraan. Als je daar voldoende spanning op zet, gaat er stroom lopen en vormt zich bij de kathode waterstof (H2) en aan de anode zuurstof (O2).
Het membraan moet ervoor zorgen dat de waterstof en de zuurstof niet bij elkaar komen. Geen enkel membraan is echter in staat om zuurstof en waterstof perfect uit elkaar te houden, en dat kan mogelijk voor gevaarlijke situaties zorgen.
Het basisprincipe van een elektrolyzer
Door een spanning te zetten op de elektrodes (met links de anode en rechts de kathode) bewegen negatieve ionen uit de elektrolytoplossing naar de kathode, en positieve ionen naar de anode. Aan de kathode vindt een chemische reactie plaats waar waterstof ontstaat, aan de anode resulteert de reactie in zuurstof.
Explosief mengsel
Het gevaar zit hem erin dat het waterstof door het membraan heen lekt en aan de zuurstofkant terechtkomt (ook wel hydrogen cross-over genaamd). Als de hoeveelheid waterstof in de zuurstof groter wordt dan vier procent, ontstaat een explosief mengsel.
Het lekken van waterstof vindt altijd wel een beetje plaats, maar is vooral een gevaar wanneer de elektrolyzer niet op volle kracht draait. In dat geval wordt er minder zuurstof gemaakt, waardoor de waterstof die door het membraan heen lekt, minder goed verdunt. En dan komt de concentratie sneller in de buurt van de explosiegrens.
Om dat gevaar te beteugelen, draaien alkaline elektrolyzers nu bij voorkeur op volle kracht. Ze kunnen wel een beetje harder of zachter gezet worden, maar ze kunnen niet omgaan met plotselinge, grote verschillen. Daardoor is het lastiger om ze direct aan een zonne- of windpark te koppelen. Ook is het lastig om de elektrolyzers met waterstof op hele hoge druk te laten werken, omdat er ook dan meer waterstof door het membraan heen lekt. Maar daar komt dus nu misschien verandering is.
De oplossing: beheers de ‘gap’
Om alkaline elektrolyzers flexibeler te maken, en te zorgen dat ze veilig kunnen meebewegen met een variabele stroom door de elektrodes, willen we dus het waterstof-lek beheersen. De afstand tussen het membraan en de kathode is daarbij heel belangrijk, de zogenaamde ‘gap’.
In het verleden is al onderzoek gedaan naar deze gaps bij de elektroden. Die onderzoeken richtten zich voornamelijk op de efficiëntie van de elektrolyse. En die efficiëntie is het grootst bij een zero-gap aan de kathode.
Flexibeler en zonder ontploffingsgevaar
Maar als er geen gap is, heb je juist te maken met veel gas dat zich door het membraan beweegt. Dit heeft te maken met een hoge oververzadiging van waterstof dichtbij het membraan. Oververzadiging is het fenomeen dat je ook ziet in bier en koolzuurhoudende frisdrank als je de fles openmaakt. Die oververzadiging moet dus omlaag, als je wilt zorgen dat je elektrolyzer flexibeler wordt, zonder explosiegevaar.
De Groot: “Daarom heeft Rodrigo Lira Garcia Barros, promovendus en eerste auteur van het artikel, tijdens zijn promotieonderzoek systematisch onderzoek gedaan naar het effect van de grootte van de gap. En dan met name naar het effect op de hoeveelheid waterstof dat zich door het membraan beweegt, als ook de prestaties van de elektrolyzer. En dan blijkt dat juist met een kleine, maar meetbare gap aan de kathode we het lekken van waterstof door het membraan enorm kunnen verlagen. En dat met een acceptabel verlies in prestaties! Zodat je uiteindelijk onder de streep een functionelere en vooral flexibelere elektrolyzer overhoudt.”
Bewijs
“Dat is de conclusie van onze wetenschappelijke analyse, dus nu is het tijd voor de volgende stap: het bouwen van een proof-of-concept. Dat gaan we dus ook doen in ons lab. Daarmee kunnen we naar verwachting bewijzen dat een flexibele elektrolyzer schaalbaar is naar de industrie.”
Een schaalbare elektrolyzer kun je vervolgens ook in verschillende groottes maken. Denk aan hele grote als je inzet op centrale energieopslag, zoals nu ook energiecentrales centraal functioneren op ons net. Of juist kleiner als je de pieken in stroomopwekking op wijk- of windmolenparkniveau wilt opvangen.
Een volgende stap: hogedruk elektrolyse
De Groot vertelt enthousiast verder over een nieuw Europees project dat ook aan de TU/e van start gaat: hogedruk elektrolyse. “De waterstof die vrijkomt bij elektrolyse, is een gas. Maar gas is pas efficiënt te gebruiken, op te slaan en vervoeren als het onder voldoende hoge druk wordt opgeslagen.”
“Nu hebben we daar nog een compressor voor nodig naast de elektrolyzer. Dat zijn dure, luidruchtige en onbetrouwbare apparaten. Dus, wat als we een elektrolyzer zouden kunnen maken die de waterstof meteen op hoge druk levert? Ik dacht een paar jaar terug dat dat niet zou kunnen, net zoals ik dacht dat we geen superflexibele alkaline elektrolyzer zouden kunnen maken. Dat laatste is ons ook gelukt, dus ik heb heel veel zin om weer met promovendi en studenten aan deze nieuwe uitdaging te gaan werken.”
De originele versie van dit artikel werd gepubliceerd op de website van de TU/e.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
