Het ‘elektrolyzer-enigma’: hoe het oplossen ervan de energietransitie mogelijk maakt

1. Wat kun je met een elektrolyzer?

Zonder het te beseffen is de kans groot dat je zelf wel eens een elektrolyzer hebt gebouwd. Het is een typisch proefje op de middelbare school, waarbij je twee aan een batterij verbonden pennen in een bakje water zette. Daarna, inderdaad, ontstonden aan beide uiteindes hiervan kleine gasbelletjes.

Die gasbelletjes, waterstof en zuurstof om precies te zijn, zijn de producten van deze elektrolyse waarbij met elektriciteit watermoleculen worden gesplitst. In essentie doet een elektrolyzer dit ‘in het groot’ en produceert deze chemische fabriek tanks vol met waterstof.

Want die productie van waterstof is waar het om gaat. Waterstof kan volgens velen een game changer zijn in de transitie naar een CO2-neutrale energievoorziening. Het is op veel verschillende manieren inzetbaar.

Allereerst als energiedrager; waterstof is een aantrekkelijk gas om grootschalig en langdurig elektriciteit uit zon en wind mee op te slaan (via elektrolyse inderdaad). Belangrijk, om de fluctuaties tussen vraag en aanbod van elektriciteit op te kunnen vangen. Daarbij kan het bestaande gasnetwerk worden gebruikt om waterstof mee te transporteren. Waterstof kan ook direct gebruikt worden in brandstofcellen, bijvoorbeeld in vervoersmiddelen.

Tot slot is waterstof ook een belangrijke grondstof bij de productie van chemicaliën, samen met CO, dat wordt verkregen door CO2-elektrolyse. Bij chemische processen waarbij nu sprake is van veel CO2-uitstoot, zoals bij de productie van staal of kunstmest, kan waterstof een alternatieve CO2-vrije methode bieden. Door waterstof te gebruiken uit duurzame energiebronnen kan de chemische industrie, die vaak geassocieerd wordt met vervuiling en afval, dus aanzienlijk vergroenen.

En wat is één van de groenste manieren om waterstof te maken? Inderdaad, met een elektrolyzer.

2. Wat is het probleem van de huidige elektrolyzers?

De elektrolyzer bestaat al ruim honderd jaar en in essentie zien ze er nog steeds hetzelfde uit. Of, zoals TU/e-onderzoeker Thijs de Groot het verwoordt: “Mooie technologie, maar het is alsof we nog steeds in een T-Ford rondrijden.”

De Groot, binnen de TU/e ook wel gekscherend mister electrolyzer genoemd, werkt al zijn hele leven aan elektrolyse, zowel op industrieel als fundamenteel vlak. Ook nu nog combineert hij zijn werk aan de universiteit met een positie in de industrie, bij het bedrijf Nobian, de grootste speler in industriële elektrolyse in Nederland.

Aan de meest gebruikte elektrolyzer, de zogeheten alkaline-elektrolyzer die al op grote schaal ingezet wordt sinds 1930, is volgens De Groot “relatief weinig R&D” gedaan. “Het zijn nog steeds vrij lompe, dure apparaten die weinig waterstof maken.”

Om in de energietransitie een rol van betekenis te kunnen spelen hebben ze dus een upgrade nodig. “Om met elektrolyzers op grote schaal waterstof te kunnen produceren moeten ze goedkoper, efficiënter en flexibeler worden”, zegt De Groot.

Dat is dan ook het doel van het consortium Dutch Electrolyzer, een samenwerking van het energie-instituut EIRES van de TU/e met DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) en VDL Groep en opgezet dankzij subsidie van de provincie Noord-Brabant. Door enerzijds de technologie van de elektrolyse te verbeteren en tegelijkertijd inzicht te krijgen hoe het in de markt kan passen, willen de partijen komen tot een productielijn voor een type elektrolyzer waarmee je kleinschalig én grootschalig waterstof kunt produceren.

“Een grootschalige oplossing zal altijd uit meerdere identieke units bestaan”, zegt Marius Ponten, Director of Corporate Innovation bij VDL.  Een belangrijke vraag is dus wat de optimale module is mee op te kunnen schalen. Ponten: “Heel concreet gezegd: is het goedkoper om een gigawatt plant op te bouwen uit units van 500 kilowatt of 20 megawatt?”

3. Hoe vinden we die ideale elektrolyzer?

Dat is nog niet zo eenvoudig: ondanks dat ze al ruim honderd jaar in omloop zijn snappen we die elektrolyzers niet zo goed. “Als je kijkt naar de eigenschappen van de verschillende componenten, dan zou je veel betere prestaties verwachten dan nu het geval is”, zegt De Groot. “En we hebben geen duidelijke reden waarom dat zo tegenvalt.”

De aanpak aan de TU/e is om terug te gaan naar de basis. Op de campus zijn verschillende soorten en formaten elektrolyzers te vinden. Om zo elk onderdeel – elk ‘puzzelstukje’ – tot in detail bloot te leggen en te leren begrijpen. “Met 3D-geprinte elektrolyzers proberen we bijvoorbeeld andere vormen uit”, zegt De Groot. “Wat gebeurt er dan? Snappen we dat ook?”

Bijzonder aan het Dutch Elektrolyzer project is dat een groot aantal disciplines samenwerkt: van natuurkunde tot werktuigbouwkunde en electrical engineering tot scheikunde. Unieke expertises waarin TU/e voorop loopt komen hierbij samen, zoals de bouw van geschaalde elektrochemische reactors, synthese van dunne films voor het zeer precies vormgeven van materialen en kennis van elektrodes en elektrokatalyse.

De Groot: “We beginnen de puzzel steeds scherper in beeld te krijgen."

4. ZIJN de belletjes misschien HET PROBLEEM?

De belletjes? Inderdaad, misschien zijn ironisch genoeg de geproduceerde gasbelletjes zelf verdacht als het gaat om de tegenvallende stroomopbrengst.

“Het is bekend dat als er bellen in de elektrolytoplossing zitten de stroom er minder makkelijk doorheen kan”, zegt onderzoeker Bert Vreman, werkzaam bij Nobian en bij de TU/e, in de Power & Flow groep van Niels Deen, faculteit werktuigbouwkunde. Hij sluit niet uit dat je met kleine verbeteringen hieraan een significante verbetering aan de efficiëntie of capaciteit (stroomdichtheid) kunt maken.

Maar hoe stuur je die bellen ergens anders heen? Er zijn meerdere mogelijkheden volgens Vreman. “Voor de hand liggend is om de elektrolytoplossing sneller rond te pompen, maar je kunt ook denken aan een andere geometrie van de reactor, andere vorm elektrodes of een ander materiaal waar bellen sneller van loslaten. Maar niet duidelijk is hoeveel die dingen uitmaken.”

Wat de zaak bemoeilijkt is dat je in een werkende elektrolyzer zo weinig kunt zien. “Alles is wit, zoals bij een wilde rivier. Dus een camera erop zetten heeft geen zin.” Daarom kijken Vreman en zijn collega’s nu eerst naar een versimpelde situatie, waaraan ze gedetailleerde computersimulaties doen. 

Zo kijken ze hoe één elektrolytische bel groeit, waar al veel van te leren is. “Je hebt te maken met tweefasenstroming (gas en vloeistof), oppervlaktespanning, elektrochemische reactie, concentratiegradiënten, warmtetransport en een elektrische stroom rondom de bel”, somt Vreman op. “Al die miniprocessen willen we fundamenteel snappen.”

5. Kunnen we misschien iets doen aan de elektrodes?

Elektrodes zijn ook een voor de hand liggende kandidaat om nader te bekijken. Vaak worden hiervoor schaarse edelmetalen en verbindingen gebruikt, zoals platina en iridiumoxide. Iridium is één van de zeldzaamste materialen op aarde. Dat drijft de kosten van een elektrolyzer flink op.

Daarom kijken de teams van Adriana Creatore (faculteit Applied Physics) en Marta Costa Figueiredo (faculteit Chemical Engineering & Chemistry) naar alternatieven. “We zoeken naar beter beschikbare en kosteneffectieve materialen, zonder daarbij concessies te doen aan de efficiëntie en stabiliteit op lange termijn”, licht Creatore toe. Ze werken hierbij nauw samen met de groep van Mihalis Tsampas bij DIFFER.

Specifiek richten ze zich op de reactie aan de anode, waarbij zuurstof ontstaat, in vaktermen de oxygen reduction reaction (OER). Creatore: "Deze reactie begint heel langzaam en de benodigde elektrokatalysator moet over lange tijd operationeel stabiel zijn, gemaakt zijn van materialen die overvloedig aanwezig zijn in de aarde en moet goedkoop op grote schaal worden geproduceerd."

Het team van Creatore past momenteel atomic layer deposition (ALD) toe om controle te krijgen op de atomaire laag over de samenstelling van de elektrokatalysatoren. Kanshebbers die ze momenteel onderzoeken zijn verbindingen op basis van kobalt en nikkel. 

"We ‘benchmarken’ momenteel deze katalysatoren met veelgebruikte elektrokatalysatoren aan de hand van fundamentele en goed gedefinieerde opstellingen en omstandigheden", zegt Costa Figueiredo. "Met behulp van verschillende spectroscopische technieken zijn we van plan om het reactiemechanisme en veranderingen op de elektrode als gevolg van het gebruik te onderzoeken."

6. Wat maakt het Dutch Electrolyzer project zo bijzonder?

Vraag het de betrokkenen en je krijgt van iedereen hetzelfde antwoord: de combinatie van de betrokken partijen en expertises, zowel op het gebied van fundamenteel onderzoek als de industriële praktijk, creëert de ideale basis om elektrolyzertechnologie te ontwikkelen en commercialiseren.

Daarbij zijn er meerdere paarden om op te wedden dan de meest bekende variant met een alkaline als elektrolyt waar de TU/e zich met name op richt. In de laatste jaren zijn andere, veelbelovende elektrolyzertechnologieën boven komen drijven. Mihalis Tsampas richt daar met zijn onderzoeksgroep van energie-instituut DIFFER vooral de aandacht op.

Het gaat dan bijvoorbeeld om zogeheten polymer electrolyte membrane elektrolyse, kortweg PEM, waarbij men polymeer- of keramische ion-geleidende membranen gebruikt in plaats van een vloeibaar elektrolyt. "Dit biedt het grote voordeel van een kleine afstand tussen de elektroden in vergelijking met conventionele alkaline elektrolyse", licht Tsampas toe. "Dat kan leiden tot een lagere weerstand en een snellere reactie van het systeem."

Nog een stap verder is de zogenaamde AEM-elektrolyse, een veelbelovende, opkomende technologie die de voordelen van PEM- en alkaline elektrolyse combineert (zie afbeelding).

Bij solid oxide elektrolyse daarentegen wordt gewerkt bij hoge temperaturen en vervullen keramische metaaloxiden de rol van elektrolyt. "Door dit temperatuurbereik bieden dergelijke reactoren unieke mogelijkheden, niet alleen voor waterelektrolyse maar ook voor de productie van duurzame chemicaliën en brandstoffen", aldus Tsampas. 

Het feit dat er een directe link is tussen het onderzoek en de industrie maakt dat potentiële uitvindingen die men doet sneller hun weg vinden in uiteindelijke producten. Ponten van VDL: “De focus ligt aanvankelijk op ‘quick wins’ en het verbeteren van reeds volwassen technieken, en voor de langere termijn beoordelen we alternatieve, meer innovatieve processen om verder te ontwikkelen.”

Met alle relevante expertises bij elkaar kan een technologische roadmap voor de elektrolyzer worden gemaakt. En dat kan niet snel genoeg gaan. De verwachting is dat de Europese vraag naar waterstof in 2030 twintig keer groter zal zijn dan de huidige wereldwijde productiecapaciteit.

Kortom, de bubbel van deze innovatieve, duurzame technologie zal niet snel uiteenspatten!