Groene waterstof goedkoper maken

De techniek om op een duurzame manier waterstof uit water te winnen bestaat al ongeveer een eeuw: elektrolyse. Maar het is vooralsnog veel goedkoper om waterstof uit aardgas te maken. Daarom werken wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen aan technieken om groene waterstof efficiënt, betaalbaar en schaalbaar te produceren.

FSE Science Newsroom | Tekst Charlotte Vlek | Beeld Leoni von Ristok

In een laboratorium in de kelder van het oude natuur-/scheikundegebouw van de Rijksuniversiteit Groningen staat een indrukwekkend apparaat dat op hoge temperaturen waterstof produceert. De waterstof zelf is hier niet het doel; het gaat er scheikundig technoloog Vassilis Kyriakou vooral om te meten hoeveel waterstof het apparaat kan leveren tegen de hoeveelheid energie die erin gaat.

Dit is van een heel ander kaliber dan de klassieke elektrolyse zoals we die op school geleerd hebben: een stroompje gaat door een bak water, en splitst het in waterstof en zuurstof. In de opstelling van Kyriakou wordt water verhit, en vervolgens als waterdamp door een ‘sandwich’ van vaste materialen geleid, bij een temperatuur van ruim vierhonderd graden Celcius. Daar wordt het gesplitst in waterstof en zuurstof.

De ‘broodjes’ van de sandwich zijn de elektroden die gassen (zoals waterdamp, waterstof en zuurstof) kunnen doorlaten, en daar tussenin zit een materiaal met een speciale samenstelling dat de zuurstof die vrijkomt als het ware naar de andere kant ‘trekt’. Het resultaat is waterstof aan de ene kant van de sandwich, en zuurstof aan de andere.

De perfecte sandwich

‘Water in de vorm van waterdamp laat zich een stuk makkelijker splitsen,’ vertelt Kyriakou, ‘ook als je de energie meerekent die nodig is om het geheel te verhitten, kan het alsnog efficiënter zijn, vooral als je het koppelt aan andere industriële processen op die temperatuur.’ Bovendien kan deze reactie ook weer omgekeerd worden, en is de geproduceerde waterstof te gebruiken om weer elektriciteit te produceren. Op die manier kan deze vorm van elektrolyse als er even weinig wind of zon is zelf de reactie op gang houden.

Het apparaat dat Kyriakou in zijn lab heeft staan maakt het mogelijk om verschillende materialen uit te proberen om de perfecte ‘sandwich’ te maken. ‘We sleutelen aan de materialen die nodig zijn voor de elektroden, en bouwen er elektrolysers van om de efficiëntie te testen. De uitdaging is vooral om materialen te vinden die bestand zijn tegen de extreme omstandigheden, zoals de hoge temperaturen van dit type elektrolyse.’

Wie het kleine niet eert

Het contrast met de opstelling van elektrochemicus Dulce M. Morales kan haast niet groter: zij werkt met twee kleine bekertjes, verbonden via een doorgang waar ze een membraan in kan schuiven. In de bekertjes zit water met een toegevoegde component – zo'n toevoeging zou ervoor moeten zorgen dat de elektrolyse ook op lage temperaturen goedkoper en efficiënter wordt.

Ook Paolo Pescarmona, hoogleraar Katalyse en Duurzaamheid, werkt aan de efficiëntie van elektrolyse op lage temperaturen. ‘Dit doen we in het lab, maar we denken ook na over hoe we dit kunnen opschalen.’ Dat doet Pescarmona bij de HydroHub, een testcentrum dat is opgezet met de Hanzehogeschool Groningen en een aantal industriële partners, waar verschillende technieken voor elektrolyse op grotere schaal kunnen worden uitgetest.

Zuur maakt duur

De meest efficiënte vorm van elektrolyse die momenteel commercieel beschikbaar is, gebruikt water gemengd met sterke zuren. Omdat de gebruikte materialen bestand moeten tegen dat zuur zijn ze erg duur. Door met basen in plaats van zuren te werken, kunnen goedkopere materialen gebruikt worden, maar dan is de efficiëntie weer lager. Het werk van Morales en Pescarmona richt zich op elektrolyse in een basische omgeving.

Ze kijken bijvoorbeeld naar katalysatoren die zorgen dat er minder energie nodig is, om zo de opbrengst van de reactie te verhogen. Zo’n katalysator kan dan bijvoorbeeld als coating worden aangebracht op de elektroden. ‘We zoeken daarom naar stoffen die de efficiëntie verhogen, goed de stroom blijven geleiden, maar ook stabiel en betaalbaar zijn,’ legt Pescarmona uit.

Morales kijkt ook holistischer, naar het hele systeem van vloeistof, elektroden en waar die met elkaar in aanraking komen. Door niet alleen te kijken naar de productie van waterstof, maar ook naar eventuele bijproducten en zelfs andere eindproducten, zou de efficiëntie ook wel eens omhoog kunnen gaan.

Je moet er hoe dan ook energie in stoppen als je water wilt splitsen in waterstof en zuurstof. ‘Wij proberen stoffen toe te voegen die ervoor zorgen dat er minder energie nodig is om dat proces te laten verlopen,’ vertelt Pescarmona. ‘Ik denk dat ik met mijn team nu een heel geschikte methode heb gevonden, waarvoor we onlangs een patent hebben aangevraagd. Dit kan echt een gamechanger zijn.’

Welk paard zal het worden?

Pescarmona, Morales en Kyriakou werken alle drie aan efficiëntere vormen van elektrolyse. Dat doen ze elk met een eigen benadering, want welke benadering het beste zal zijn, dat is nu nog moeilijk te zeggen.  Pescarmona licht toe: ‘We zijn nu nog niet op een punt dat we kunnen zeggen: dit wordt het winnende paard. En misschien komen er wel meerdere winnaars uit de bus.’

Noord-Nederland is  Hydrogen Valley Campus Europe  : dé plek in Europa waar groene energie aan land komt (van windmolenparken op de Noordzee), waar jarenlange ervaring is met gas, en waar universiteiten en hogescholen en MBO’s de komende tijd gaan werken aan nieuw onderzoek én het opleiden van de volgende generatie technici voor de waterstofeconomie van de toekomst.  Dit is aflevering 1 van een reeks over waterstof-onderzoek aan de Faculty of Science and Engineering van de Rijksuniversiteit Groningen.

Lees meer: