Sleutelen aan elektrolyse

Voor het opbouwen van een duurzame economie gebaseerd op waterstof zijn elektrolyse-apparaten essentieel. En veel ook. Helemaal uitontwikkeld is de techniek nog niet. Verschillende onderzoeksgroepen werken aan betere elektrolysers.

Die aloude scheikundeproef op iedere middelbare school heeft iets magisch. In een bekerglas vol water hangen twee elektroden die via stroomdraden zijn verbonden met een batterij. Ineens ontstaan belletjes aan allebei de elektroden. Zuurstof aan de ene, waterstof aan de andere elektrode.

Het overbekende proefje demonstreert de werking van elektrolyse: het ontleden van water met elektriciteit. Het proces is al een paar eeuwen bekend. Pas sinds een paar jaar is ook duidelijk dat het produceren van waterstof met duurzaam opgewekte elektriciteit een belangrijke rol gaat spelen in de energietransitie. Waterstof is een goede tijdelijke drager van energie die op dat moment zelf nog even niet nodig is. Bijvoorbeeld wanneer de opbrengst aan groene stroom piekt en de zonneweiden en windparken hun opgewekte elektriciteit niet kwijt kunnen op het net.

Promovendus Rodrigo Lira Garcia barros van de TU Eindhoven bij een elektrolyse-proefopstelling. Foto Bart van Overbeeke / TUe

Bedrijven kondigen dan ook de bouw van grote fabrieken aan, vol met elektrolyse-apparaten. Daar staan geen lange rijen bekerglazen, maar hightech elektrolysers, die zijn geoptimaliseerd om veilig en efficiënt zo veel mogelijk waterstof te produceren. Niets meer aan doen.

Of toch wel? Een rondgang van De Ingenieur langs universiteiten en instituten in Nederland laat zien dat er nog genoeg te verbeteren valt aan het elektrolyseproces. Ingenieurs en onderzoekers werken aan manieren om elektrolysers nog efficiënter of goedkoper te maken, het liefst allebei. Met slimme trucs of aanpassingen aan het ontwerp willen ze de stacks – de lange rijen elektrolysecellen op of achter elkaar – verbeteren.

De alkaline-elektrolyser

Er bestaan verschillende typen elektrolyse-apparaten. Veruit de bekendste zijn de alkaline-variant en de PEM-elektrolyser (proton exchange membrane). Het alkalineprincipe is al bijna een eeuw in gebruik en heeft zich uit en te na bewezen wat betreft betrouwbaarheid. Anode en kathode hangen in een basische oplossing, van elkaar gescheiden door een membraan dat voorkomt dat de gemaakte waterstof en zuurstof bij elkaar komen. ‘Dit soort elektrolysers wordt al heel lang gebruikt om waterstof te produceren bij waterkrachtcentrales over de hele wereld’, zegt Thijs de Groot, universitair hoofddocent elektrochemische
procestechnologie aan de TU Eindhoven. Waterstof is behalve energiedrager immers ook een grondstof voor de chemische industrie.

Er zitten geen dure katalysatormaterialen in de alkaline-elektrolyser, wat in de PEM-variant juist wél het geval is. Alkaline heeft echter één groot nadeel: dit type kan niet heel goed overweg met variabele bronnen van elektriciteit, zoals zon en wind. Een alkaline-elektrolyser werkt het liefste de hele tijd op één vermogen. Ook kan hij slecht op een laag vermogen draaien. Bij 10 of 20 procent van zijn maximale vermogen wordt er weinig zuurstof gevormd en wordt het lekken van waterstof door het membraan ineens een probleem. De waterstof mengt zich dan met de zuurstof en vanaf 4 procent bijmenging wordt het mengsel waterstof-zuurstof explosief (zie de afbeelding rechts, bron TU/e). Om dit te voorkomen zijn er verschillende veiligheidssystemen, maar die beperken de flexibiliteit van de elektrolyser.

PEM

Bij de PEM-elektrolyser bevinden beide elektroden zich in water; ze zijn gescheiden door een membraan dat doorlaatbaar is voor protonen. Deze elektrolyser kan beter overweg met wisselingen in het elektrische vermogen en werkt over een veel breder bereik. Ook levert ‘PEM’ waterstof op van hogere zuiverheid. Deze technologie is wel duurder bij aanschaf: PEM-apparaten bevatten kostbare materialen, met name voor de katalysatoren die op de elektroden zitten. Dit zijn materialen zoals platina en iridium, waarvan bij de verwachte waterstofbehoefte zoveel nodig is dat er tekorten zullen ontstaan, berekende TNO in 2021.

‘De industrie blijkt erg te zijn gesteld op alkaline-elektrolyse’, zegt Akash Raman, onderzoeker aan de Universiteit Twente. ‘Voor bedrijven is het erg belangrijk dat een technologie tried and tested is.’ Lange tijd werd er nauwelijks onderzoek gedaan naar alkaline, merkt De Groot op, maar die trend is de laatste jaren gekeerd. ‘Alkaline staat weer meer in de aandacht. Eén van de dingen waaraan onderzoekers werken is het flexibeler maken van de alkaline-elektrolysers’, zegt De Groot.