Minder schaarse grondstoffen nodig voor groene waterstofproductie dankzij technologie van TNO bij Holst Centre

By Elcke Vels

Waarom we over dit onderwerp schrijven:

Elektrolyzers zijn onmisbaar in een overgang naar een duurzame toekomst, maar maken gebruik van schaarse metalen. De doorbraak zorgt ervoor dat er minder van deze metalen nodig zijn.

Groene waterstof, geproduceerd door de splitsing van water met behulp van hernieuwbare energie zoals zonne- en windenergie, speelt een belangrijke rol in de overgang naar een duurzame toekomst. De vraag naar elektrolyzers die de productie van waterstof mogelijk maken neemt toe. De meest geschikte technologie om groene waterstof te produceren is momenteel proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE), maar daarvoor is het schaarse materiaal iridium nodig. “We hebben extreme controle over hoeveel iridium we gebruiken met onze technologie”, aldus Dr. Mahmoud Ameen, programmamanager Thin Films for Energy bij TNO bij Holst Centre.

Groen waterstofgas wordt geproduceerd door water te splitsen met behulp van hernieuwbare energiebronnen. Dit gas is van belang voor de overgang naar een duurzame toekomst omdat het als brandstof, maar ook als grondstof kan dienen. PEMWE is de meest geschikte technologie om groene waterstof te produceren omdat het de wisselvalligheid van hernieuwbare energie aankan. De technologie maakt echter gebruik van iridium, een van de meest schaarse elementen op aarde. De wereldwijde iridiumproductie per jaar is niet voldoende om op grote schaal waterstof te produceren met de beschikbare PEMWE-apparaten. Om de klimaatdoelstellingen te bereiken moet het gebruik van iridium in PEMWE daarom aanzienlijk worden verminderd.

Elektrolyse bij hoge temperatuur moet efficiëntie groene waterstof enorm vergroten

De Russische oorlog tegen Oekraïne en de daaruit voortvloeiende geopolitieke situatie heeft de urgentie van hernieuwbare energiebronnen nog eens benadrukt.

Een doorbraak

Onderzoekers van TNO hebben nu een doorbraak bereikt om de beperkingen van iridium voor grootschalige groene waterstofproductie te overwinnen: Ze hebben een PEMWE ontwikkeld die werkt met 200 keer minder iridium. Het apparaat kan momenteel een prestatie bereiken van 25 tot 46 procent in vergelijking met de huidige generatie elektrolyzers. De sleutel tot de vermindering van het gebruik van iridium is de nauwkeurige afstemming van de fabricage met behulp van Spatial Atomic Layer Deposition (sALD)-technologie. 

TNO bij Holst Centre speelde een sleutelrol bij het ontwerp en de ontwikkeling van het sALD-productieproces. Holst Centre en de onderzoekers van de in elektrolyse gespecialiseerde unit Energy Transition van TNO hebben de afgelopen jaren gewerkt aan de inzet van sALD in elektrolyzers, waarbij extreem dunne laagjes materiaal worden afgezet op grote oppervlakken. “Dankzij sALD kunnen we op een snelle en kosteneffectieve manier iridiumlagen van hoge kwaliteit afzetten, evenals andere metalen. Daarbij kunnen we de laagdikte controleren tot op de schaal van een miljoenste millimeter”, legt Ameen uit.

Stabiliteit

De afgelopen twee jaar hebben TNO bij Holst Centre en partners experimenten uitgevoerd met sALD in elektrolyzers. De onderzoekers brachten een ultradunne laag iridium als katalysatormateriaal aan op een poreuze titanium drager, de zogenaamde transportlaag. De werking en stabiliteit van de innovatieve methode is nu succesvol gebleken na verschillende tests in het lab. Na de stresstests trad weinig tot geen degradatie op. Daarnaast zijn in de nieuwe PEMWE componenten als iridium en platina metaal gescheiden van de organische componenten (polymeer elektrolyt) en dat maakt het gemakkelijker om de materialen te recyclen.

Grootschalige productie

“We hebben ruimte ervaring in materiaalstructurering, coatingtechnologieën, en de integratie van processen van een grote verscheidenheid aan filmproductietechnologieën. We gaan nu werken aan de volgende generatie hightech elektrolyzers en maken ze betaalbaar en geschikt voor massaproductie”, vervolgt Ameen.

Door de doorbraak kunnen landen in Europa plannen maken rond het opschalen van elektrolyzers. En de ontdekking levert meer voordelen op. “Vanuit geopolitiek perspectief zijn we ook beter af met deze technologie. We hebben er namelijk vertrouwen in dat we in Europa genoeg iridium hebben om de groene transitie te realiseren, zonder afhankelijk te zijn van landen waar we niet afhankelijk van willen zijn.”

Vele toepassingen

Naast elektrolyzers kan sALD op nog meer manieren worden toegepast. In combinatie met andere technologieën kan het als innovatieve productietechnologie de high-tech industrie vooruit te helpen. Aanvankelijk werd sALD ontwikkeld voor integratie in een nieuwe generatie beeldschermen voor tv’s, tablets en smartphones. De technologie wordt ook wereldwijd gebruikt in de automobielindustrie en door fabrikanten van zonnepanelen en batterijen. En met betrekking tot waterstof kan de technologie ook worden ingezet elektriciteit te maken uit opgeslagen waterstof.

Vervolgstappen

Holst Centre gaat nu vervolgstappen zetten in twee richtingen. Ten eerste zullen ze helpen de technologie toepasbaar te maken voor grootschalige productie in samenwerking met Nederlandse sALD-startups, zoals SparkNano die sALD apparatuur voor energie, OLED en daaraan gerelateerde toepassingen ontwikkelen en leveren. Ameen: “Er moeten nog een aantal details worden uitgewerkt, waaronder het vinden van meer geschikte en betaalbare precursoren voor het sALD-proces en het bedenken van strategieën om het morsen van grondstoffen tijdens de productie te minimaliseren.” 

Ten tweede gaat Holst Centre zich bezighouden met de verdere integratie van de volledige breedte van dunne film productietechnologieën – waaronder sputteren, fotolithografie en de achtergrond van de ontwikkeling van dunne film elektronica op folie. Auke Kronemeijer, onderzoeksmanager van de afdeling Thin Film Electronics bij Holst Centre concludeert: “Uiteindelijk zal de volledige waardeketen van de hightech maakindustrie een belangrijke rol moeten spelen om grootschalige productie van elektrolyzers met hogere prestaties mogelijk te maken, om de energietransitie te realiseren. Samen zullen we ervoor zorgen dat de landen in Europa in de toekomst op grote schaal groene waterstof kunnen toepassen.”

Groningse boeren gaan hun eigen groene waterstof produceren 

Zonne- en windenergie horen bij een duurzaam energiesysteem. Tegelijkertijd hebben we te maken met een overvol elektriciteitsnet, waardoor deze duurzame bronnen niet altijd efficiënt worden benut.