Betaalbare en productieve electrolyse uit de 3D-printer

Elektrolyzers spelen in de toekomst waarschijnlijk een belangrijke rol bij de energietransitie. De apparaten splitsen met behulp van elektriciteit watermoleculen in waterstof en zuurstof. Maar in hoeverre olie en gas worden vervangen door waterstof, hangt wel af van de prestaties van elektrolyzers. Waterstof is in verhouding tot fossiele brandstoffen een stuk duurder. En alhoewel elektrolyzers al zo’n honderd jaar bestaan, is er in die tijd nog niet veel aan veranderd. “Je kunt niet in het apparaat zelf kijken, waardoor het lastig is om erachter te komen wat er binnenin gebeurt”, zegt Stephane Weusten.

Wetenschappelijke berekeningen en simulaties helpen om meer te weten te komen over het apparaat. Maar werkt de theorie ook in de praktijk? En hoe verbeter je de prestaties van elektrolyzers om ervoor te zorgen dat waterstof ook daadwerkelijk een geduchte concurrent wordt van olie en gas? Om daarachter te komen gebruikte Stephane Weusten een 3D-printer. “Normaal gesproken ben je zo’n 3000 euro kwijt om een beperkte set uit te proberen. Het testmateriaal is duur omdat het in een werkplaats op maat moet worden gemaakt. En het duurt ook lang.”

Rolletje plastic

Met de 3D-printer was dat verleden tijd. “Je koopt een rolletje plastic en met vijf euro ben je klaar en heb je een complete elektrolyzer.” Niet dat er in een keer een goedwerkend apparaat uit de printer kwam rollen. Hoeveel verschillende versies hij heeft gemaakt, weet de onderzoeker niet meer uit zijn hoofd. “Per verbetering waren we al snel zes versies verder. Op een gegeven moment raak je de tel kwijt.” Hij grinnikt. “Mijn vriendin werd er wel eens gek van als ik iets moest 3D-printen in onze slaapkamer want het maakt best kabaal.”

Hogere reactiesnelheid

“Het was elke dag keihard werken en ploeteren en stap voor stap de problemen elimineren.” Het lekdicht maken van de elektrolyzer was bijvoorbeeld ingewikkeld. “Soms viel het uit elkaar.” Maar stapje voor stapje wist Stephane Weusten wel de prestaties te verbeteren door de geometrie van de electrolyzer aan te passen. Zo veranderde de onderzoeker de vorm van de inlaat, zodat de moleculen sneller botsten en door de hogere reactiesnelheid er in kortere tijd meer waterstof ontstond. Ook paste hij de 3D-electroden aan. In totaal ontstond er door alle aanpassingen een zeven keer hogere reactiesnelheid.

Sneller testen

“Daar ben ik natuurlijk wel blij mee, maar de winst zit ‘m vooral in het 3D-printen”, vindt de onderzoeker. “Eerder gebruikten we bijna geen 3D-printer voor het bouwen van elektrolyzers. Nu kunnen andere onderzoekers ook hiermee aan de slag en sneller hun theorieën testen. Daarmee breng je het onderzoek naar elektrolyzers en waterstof in een versnelling, en dat is pas echt de meerwaarde van mijn werk.”

Stephane Weusten promoveerde op 1 april op zijn proefschrift met als titel: demystifying mass transfer in electrolysis through 3D printed reactors. Begeleiders: prof.dr. F. Gallucci, prof.dr.ir. J. van der Schaaf en dr. M.T. de Groot