Elektrolyse: van schoolproefje naar massaproductie

Onderzoek naar elektrolyse, het splitsen van water met elektriciteit in waterstof en zuurstof, staat weer op de kaart. Natuurkundige dr.ir. Willem Haverkort begon er zes jaar geleden aan als tenure tracker bij de afdeling process & energy van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE). Hij zag de belangstelling voor elektrolyse toenemen naarmate vaker de term ‘groene waterstof’ langskwam.

‘Groene waterstof’ is waterstof die met duurzaam opgewekte stroom opgewekt is. Momenteel maakt die nog geen procent uit van de totale markt.

Niettemin speelt groene waterstof een sleutelrol in veel duurzame energiescenario’s. De overheid ziet waterstof als een universele grondstof voor de industrie, en een toekomstige brandstof voor huishoudens en auto’s. Het Klimaatakkoord noemt waterstof als een geschikt medium om overtollige zon- en windenergie op te slaan in zoutcavernes of lege gasvelden als wintervoorraad.

Groene waterstof een rol van betekenis geven, vraagt om technische verbeteringen en een ongekende uitbreiding van de elektrolysecapaciteit. Vanaf 1-10 megawatt nu wil het Klimaatakkoord naar 500 megawatt in 2025 en naar 3-4 gigawatt in 2030. TNO schrijft over ‘een factor duizend’ in zeven jaar tijd.

^{Kleinschalig materiaalonderzoek ten behoeve van efficiëntere elektrolyse in het process & energy lab.}

Verdomhoekje
Michael Faraday ontdekte de elektrolyse zo’n tweehonderd jaar geleden, maar de laatste eeuw is er aan de industriële toepassing (voor metaalwinning of chloorproductie) weinig veranderd. Pas sinds een jaar of wat verschijnen er weer publicaties over nieuwe methoden en materialen om stroom efficiënter in waterstof om te zetten, ziet Haverkort. ‘Na jaren in het wetenschappelijke verdomhoekje, wordt het opeens weer onderzocht in chemische laboratoria’, constateerde het NRC onlangs.

Dat viel ook de redactie van het populairwetenschappelijke weekblad KIJK op: ‘De reden dat wij dit idee (onderzoek Haverkort, red) in de longlist hebben gezet, is omdat waterstof een grote rol moet gaan spelen in de energietransitie. We hebben dan ook een aantal artikelen geschreven over dit veelbelovende gas.’

Juryleden, die de beste ideeën uit de longlist selecteerden en rangschikten, schreven: ‘Mooi werk en zeer relevant’ (Jim Heirbaut, redacteur De Ingenieur) en ‘Als het lukt is de impact gigantisch gezien de hoge energiekosten/efficiency loss van huidige productiemethodes. Ook is er een zeer grote markt voor een dergelijke oplossing.’ (Jacqueline van den Ende, medeoprichter Carbon Equity).

^{Het principe van elektrolyse is eenvoudig en al twee eeuwen bekend. (Animatie: Jos Wassink)}

Schoolproefje
Het principe van elektrolyse is eenvoudig en goed zichtbaar te maken in een populair proefje voor middelbare schoolklassen. De leraar maakt water geleidend door er wat bakpoeder of kaliloog aan toe te voegen en steekt er twee elektroden in, verbonden met een gelijkspanningsbron. Aan de negatieve pool (kathode) ontstaat een wolk van waterstofgas (2H₂O + 2e -> H₂ + 2OH^–) en aan de positieve pool (anode) borrelt zuurstof (O₂) omhoog. Een reageerbuisje waterstof geeft, als je je vinger ervan afhaalt bij een Bunsenbrander, een korte fluittoon. Maar het mengsel van waterstof en zuurstof vormt ‘knalgas’ dat, zoals de naam suggereert, gemakkelijk explodeert. Dat moet voorkomen worden.

Een scheiding tussen de elektrodes voorkomt dat waterstof en zuurstof zich met elkaar mengen. Maar zo’n membraan of separator heeft een hoge elektrische weerstand, legt Haverkort uit, en dat leidt tot verliezen in de omzetting van elektriciteit naar waterstofgas.

^{Onderzoeker Willem Haverkort ontwikkelt elektrolyse zonder scheidingsmembraan.}

Kan het ook anders?
Het even radicale als simpele idee van Haverkort is dat hij stromend water gebruikt om gasbelletjes die ontstaan van de elektroden weg te voeren. Dat maakt een membraan overbodig. Water stroomt van binnen naar buiten door de poreuze elektroden heen en neemt gasbelletjes mee.

Het afvoeren van de gasbelletjes en het wegnemen van een tussenscheiding helpen om de elektrische weerstand te verkleinen. Wat ook helpt is de afstand tussen de elektroden te verkleinen. “Dat is vooral van belang als je gebruik wilt maken van afvalwater om groene waterstof mee op te wekken”, zegt Haverkort. Zijn onderzoeksgroep maakt deel uit van een Europees consortium dat in de komende vier jaar de technologie wil ontwikkelen om groene waterstof op te wekken uit duurzaam opgewekte stroom en afvalwater.

Haverkort denkt dat microfluïde systemen (een soort chips met een fijn netwerk aan vloeistofbanen) kunnen helpen om de afstand tussen de elektroden zo klein mogelijk te maken. Daarnaast heeft hij nog een troef in handen: door de elektrolyse onder hoge druk plaats te laten vinden (in de orde van 10 bar) blijft het gas in oplossing. Pas wanneer de druk vermindert, komt het vrij, net als wanneer je een fles frisdrank opendraait.

Gasfabriek
Grote schaal, microstructuren en hoge druk. Hoe gaat een moderne elektrolyser eruitzien? Haverkort denkt aan een grote hoeveelheid identieke opstellingen waar water onder hoge druk door duizenden microfluïde systemen stroomt. Door de eindeloze repetitie van deze hightech-opstellingen zal een toekomstige moderne waterstoffabriek veel weghebben van een datacentrum, vermoedt hij. “Over vier jaar is dat het doel.”

‘Hoe gaan we goedkoop en veilig opschalen?’

Het Europese Pathfinder-project, waar Haverkort en zijn team deel van uitmaken, is een poging om de achterstand op China in te lopen. Begin dit jaar verraste Baofeng Energy de energiewereld met een installatie die 150 megawatt aan zonnestroom omzet in groene waterstof. Een half jaar later kondigde het Chinese olieconcern Sinopec een dubbel zo grote installatie aan voor midden volgend jaar.

Nederland kijkt volgens TNO aan tegen een opschaling met een factor duizend tot 2030. In zijn plan Hydrogen Europe analyseert de Delftse energieprofessor Ad van Wijk (eveneens werkzaam bij de faculteit 3mE) de Europese situatie. Hij komt voor 2030 op een elektrolysebehoefte van 40 duizend megawatt in Europa en nog eens 40 gigawatt daarbuiten. Dat is ruim 500 keer China’s grootste fabriek tot nu toe. In slechts zeven jaar.

Het middelbare school proefje staat dus onder druk om snel uit te groeien tot een efficiënte massatechnologie. De contouren daarvan beginnen zich af te tekenen: microfluïde reactoren, grote schaal, goedkope materialen, stromend (afval)water en hoge druk. En wie weet wat er verder nog ontdekt wordt. “De kern van de zaak is: hoe gaan we dat goedkoop en veilig opschalen?”, aldus Haverkort.

Verder lezen:

• Haverkort doet doorlopend verslag van zijn onderzoek in een weblog
• Groene waterstof brengt elektriciteit en gas samen (Delft Integraal, december 2020)
• Klimaatakkoord over waterstof (download) (28 juni 2019)
• Productie waterstof optimaliseren met elektrolyse (TNO)
• Rapport Hydrogen Europe (download) (Prof.dr. Ad van Wijk, Jorgo Chatzimarkakis, 2020)
• Innovaties van eigen bodem in de spotlights, KIJK, 12/2022