Groene waterstof krijgt een belangrijke rol krijgt in ons toekomstige energiesysteem. Dat vraagt om veel meer elektrolyseapparaten die deze waterstof produceren. Hierdoor dreigen forse tekorten aan bepaalde essentiële materialen, waarschuwt TNO in een nieuw rapport.

Waterstof lijkt een centrale rol te gaan spelen in ons toekomstige, duurzame energiesysteem. Het gas laat zich transporteren door pijpleidingen, maar ook in vrachtwagens over de weg en in schepen over zee. En het is geschikt om elektriciteit in op te slaan op momenten dat daarvan te veel wordt geproduceerd. Op een later moment kunnen brandstofcellen uit de opgeslagen waterstof weer elektriciteit maken.

Voor de productie van waterstof uit duurzaam opgewekte stroom zijn grote elektrolyseapparaten nodig, die vloeibaar water omzetten in waterstof en zuurstof. Deze elektrolysers bestaan vaak uit een paar honderd membranen die de kathode van de anode scheiden.
 

Omzetting efficiënter laten verlopen

Op die elektroden, waar respectievelijk de waterstof en de zuurstof worden gevormd, zit een laagje katalysatormateriaal dat de omzetting naar beide gassen efficiënter laat verlopen. In de veel gebruikte PEM-elektrolysers bestaat dat laagje uit iridium (op de anode) en platina (op de kathode).

Dit zijn allebei materialen waaraan een tekort zal ontstaan als we - zoals wordt verwacht - het aantal elektrolyseapparaten flink gaan opvoeren, becijferden onderzoekers van TNO, die een ambitieus scenario aanhielden. Ze gingen uit van een Europese behoefte aan groene waterstof van 8100 petajoule in 2050.

Hoe een elektrolyser eruitziet, staat niet in steen gebeiteld.

Iridium en platina

In dit scenario zal de vraag naar iridium alleen voor elektrolysers in de EU al de huidige jaarlijkse productie van het materiaal flink overstijgen. Voor platina wordt de situatie minder nijpend, maar zullen elektrolysers nog steeds een kwart van de huidige jaarproductie opeisen.

Dit klinkt nu nog als een theoretisch probleem, maar het betekent dat er straks niet voldoende elektrolyseapparaten kunnen worden gebouwd, vanwege tekorten aan cruciale materialen.
 

Ontwerp verbeteren

Maar er is nog tijd om het probleem aan te pakken, meent Anastasia Gavrilova, energy transition consultant bij TNO en een van de auteurs van het nieuwe rapport (pdf-bestand). ‘Hoe een elektrolyser eruitziet, staat niet in steen gebeiteld.’

De apparaten zijn nog volop in ontwikkeling, en dit is een kans om het ontwerp van de waterstof producerende elektrolysers te verbeteren. ‘We moeten het ontwerp van de apparaten zo aanpassen dat de capaciteit zonder problemen op te schalen is.’

Concreet betekent dat: elektrolysers ontwerpen die met veel minder iridium, platina en andere metalen toch dezelfde hoeveelheid waterstof kunnen produceren.
 

15 tot 20 keer minder materiaal

Dat kan bijvoorbeeld door dunnere laagjes iridium en platina te gebruiken. Deze dunnere laagjes zijn te vervaardigen met een techniek die TNO op dit moment al op laboratoriumschaal toepast: Atomic Layer Deposition (ALD).

Hierbij wordt het materiaal in dampvorm in extreem dunne laagjes aangebracht. Deze techniek belooft een stevige materiaalbesparing van een factor 15 tot 20.
 

Onderzoek naar een PEM-elektrolyser in een laboratoriujm van TNO. Foto TNO / Eric de Vries

 

Oppervlak vergroten

Een andere aanpak, die hiermee hand in hand gaat, is om het oppervlak van de katalysatoren te vergroten, schrijft TNO in het paper. ‘Die katalysatormaterialen zitten nu op een vlakke plaat, maar je kunt ook denken aan kleine pilaartjes die je daarop aanbrengt.

Als je die ook nog eens poreus maakt, gaat het werkzame oppervlak enorm omhoog’, zegt Lennart van der Burg, program & business development manager renewable hydrogen bij TNO. ‘We hebben op labschaal al laten zien dat dit werkt.’
 

Recycling van materialen

Niet alleen het terugdringen van het materiaalgebruik is belangrijk. Ook zijn de verwachte materiaaltekorten deels op te lossen door elektrolysers zó te bouwen dat ze langer en intensiever kunnen worden gebruikt.

Ten slotte keek TNO ook naar recycling van de gewilde materialen aan het eind van de levensduur van de apparaten. Over een aantal jaren zal ook het terugwinnen van dezeo materialen uit oude elektrolysers van de grond moeten komen, zegt TNO. Op dat moment kun je de kostbare stoffen uit oude installaties halen.

Maar eerst zullen in het komende decennium veel extra elektrolyse-apparaten worden gebouwd. Daarvoor is verse aanvoer van de genoemde materialen nodig. Het is dus van cruciaal belang dat alles op alles wordt gezet om de benodigde hoeveelheden van onder andere iridium en platina te beperken.


Openingsfoto Opengewerkt deel van een PEM-elektrolyser. Foto TNO / Eric de Vries