De elektrolyzer
Elektrolyse, de methode om watermoleculen te splitsen in zuurstof en waterstof, staat de laatste jaren weer volop in de belangstelling. Waterstof is anno 2022 een aantrekkelijk alternatief voor aardgas, één van de fossiele brandstoffen waar we in de toekomst niet meer van afhankelijk willen zijn. Maar echt vlotten wilde het afbouwen van ons gebruik nog niet. De kosten van elektrolyse waren het zand in de motor van die transitie, want ze maakten waterstof die er mee gewonnen wordt erg duur ten opzichte van fossiele brandstoffen. Maar in de laatste jaren werd aardgas duurder. In 2021 schoot de prijs al omhoog. En in 2022 kwam er een geopolitieke motivatie bij. Eén van de grootste leveranciers van aardgas, Rusland, viel Oekraïne binnen. Als deel van de sancties besloten verschillende landen om hun afhankelijkheid van aardgas verder en/of versneld af te bouwen. En een van de voordelen van waterstof is dat het in principe overal ter wereld kan worden gemaakt, zodat we niet meer afhankelijk zijn van een paar landen die aardgas kunnen leveren.
Niet doorontwikkeld
Thijs de Groot doet onderzoek naar manieren om de electrolyzer als systeem naar de 21e eeuw te brengen. Thijs: ““het is een prachtige technologie, die honderd jaar geleden al is ontwikkeld en toegepast op grote industriële schaal. Het probleem is: het voelt wel alsof we nog autorijden in een Model T Ford uit 1900, omdat er niet veel veranderd is aan de technologie sinds die tijd. Tot een jaar of tien geleden was er gewoon weinig incentive om de electrolyzer te moderniseren. Er werden namelijk bijna geen elektrolyzers gebouwd: als je elektriciteit opwekt uit gas is het niet logisch om gas te gaan maken uit elektriciteit. Maar dat is nu veranderd, want we willen nu echt meer groene brandstof en groene grondstoffen voor de chemische industrie. Met elektriciteit uit zon en wind kom je een heel eind in de energietransitie, maar met elektriciteit alleen kom je er niet. Er zal altijd een afhankelijkheid blijven van brandstoffen in gasvorm. Daarom willen wij de electrolyzer een serieuze update geven.”
Auto’s op waterstof zijn een nicheproduct
Meerdere autofabrikanten hebben al een model op waterstof gemaakt en een enkeling bracht het zelfs op de markt. Maar waterstof tanken is nog lang niet zo vanzelfsprekend als gewoon tanken of bijvoorbeeld snel-laden. Thijs ziet ook weinig heil in auto’s op waterstof: “De efficiency van een traditionele verbrandingsmotor is laag: rond de 30%. En als je in auto’s systemen bouwt die met waterstof elektriciteit opwekken, is die efficiëntie niet veel hoger; zo’n 40%. Terwijl bij een elektrische auto zoals we die nu kennen 90% van de energie wel direct naar de wielen gaat.”
Aardgas naar de achtergrond
Volgens Thijs kunnen we op termijn volledig zonder fossiel aardgas, maar voor het zover is, kunnen we het gebruik ervan verlagen met de hulp van waterstof. Voor veel bedrijven die afhankelijk zijn van gas, olie of kolen voor tijdens hun productie, is waterstof een uitstekend alternatief. Thijs: “De staalproductie bijvoorbeeld, of de kunstmestindustrie. Maar er zijn ook veel huizen in de binnenstad die niet of nauwelijks goed te isoleren zijn. Als je die van het aardgas af wilt krijgen, heb je in waterstof een prima alternatief. Onze gasleidingen zijn er in de basis geschikt voor. Al zullen we wel elementen, zoals de compressoren, moeten aanpassen.”
Het overbelaste netwerk
Ons grid zit tegen de randen van de capaciteit aan. Zonnepanelen zijn de norm, waardoor het aanbod stijgt, maar vooral op momenten waarop we het niet nodig hebben. Ook bedrijven leggen hun daken vol met zonnepanelen. Op zondagen is de prijs per kWh soms zelfs negatief. De zon schijnt alleen niet altijd op het moment dat er veel vraag is naar elektriciteit en andersom. Ons elektriciteitsnet heeft moeite met die mismatch en we zien nu dat die bedrijven er simpelweg niet meer bij kunnen.
We hebben behoefte aan opslag en daar zijn verschillende methoden. Rechtstreeks elektriciteit opslaan gaat steeds beter, maar batterijen lenen zich niet voor opslag op lange termijn. Thijs: “Waterstof sla je makkelijker op. In principe net als aardgas. En later gebruik je het om weer elektriciteit mee op te wekken. Regionaal of lokaal. Op die manier helpt waterstof ons om slimmer om te gaan met energie en de distributie ervan. “
Simpel en toch complex
In essentie splitst een electrolyzer watermoleculen. Die omschrijving en de basale werking klinken simpel genoeg: dompel twee geleidende metalen strips in een (alkalische) vloeistof en koppel daar een energiebron aan. Eén van de pinnen (de kathode) trekt positieve ionen aan. De ander (de anode) doet hetzelfde met de negatieve ionen. Bij de kathode vormt zich waterstof, bij de anode zuurstof. Vang de belletjes met waterstof op en laat de zuurstof gaan. Of vang die ook op en gebruik het in processen of producten waarin het een essentiële component is.
Maar de grootste uitdaging voor Thijs en zijn team licht hij zelf toe: “We weten dat het werkt, maar begrijpen nog niet goed hoe. Daardoor is het lastig om manieren te vinden waarmee je de efficiency kunt verhogen.” Daarom besteedt het team veel tijd aan het testen van elektrolyzers en de componenten die erin zitten. In hun werkruimte staan meerdere maten en types electrolyzers. Thijs: “We zien het als een puzzel en we proberen elk deel te begrijpen. Het is experimenteren, de resultaten bekijken en onszelf de vraag stellen: ‘Begrijpen we nu wat er gebeurde?’ ”. We hebben op de TU/e een groot voordeel: een electrolyzer is een systeem waarbij veel expertises samenkomen. En op onze campus vind je veel, zo niet alle, van die expertises.
Theorieën
Theorieën over wat een electrolyzer beter zou moeten maken, zijn er wel. Zo bestaat het vermoeden dat de gasbelletjes die in het proces ontstaan, datzelfde proces juist in de wielen rijden. Thijs: “Maar het probleem daarbij is dat je nauwelijks iets ziet van het ontstaan van de belletjes. Het lijkt meer op een woeste rivier. Daar zie je ook alleen maar heel veel wit.”
Er lijkt ook winst te behalen bij met name de elektroden. Kathodes en anodes in een electrolyzer zijn vaak gemaakt van zeldzame metalen. En dat is één van de redenen dat elektrolyzers duur zijn. De focus ligt nu op het vinden van een efficiënte anode waarin geen zeldzame metalen zitten. Thijs: “Met verschillende spectroscopische technieken vergelijken we nu nieuwe materialen.”
HyScaling: Een bijzonder project
Thijs neemt deel aan het Nederlandse HyScaling project. HyScaling is wereldwijd één van de vele projecten rond het moderniseren van de electrolyzer. Maar dit project is uniek door de combinatie van de betrokken partijen: het is een bijzondere mix van expertises, zowel uit het veld van fundamenteel onderzoek als de industriële praktijk. Thijs: “En dat zorgt voor een ideale basis om de techniek verder te ontwikkelen en er een gezond commercieel fundament onder te bouwen.”.