Op zoek naar betaalbare groene waterstof

PhD-studente Nicoleta Cucu combineert economie en chemische technologie om de productie van groene waterstof rendabeler te maken. Het onderzoeksproject maakt deel uit van het M20-programma, een fonds voor interdisciplinaire PhD-projecten gericht op het oplossen van grote maatschappelijke problemen.

Tekst: Wiegert Kaal (student Science Communication aan de Rijksuniversiteit Groningen)

Waterstof wordt op verschillende manieren geproduceerd. Voor de 'grijze' variant zijn nog steeds fossiele brandstoffen nodig. Hoewel groene waterstof beter is voor het klimaat, kan de prijs van groene waterstof (nog) niet concurreren met zijn grijze tegenhanger. Om de ontwikkeling van de groene waterstofmarkt te stimuleren, is Cucu vastbesloten om tijdens haar promotietraject economisch haalbare productiemethoden voor waterstof te onderzoeken.

Groene waterstof wordt gemaakt met elektrolyse, het splitsen van water met elektriciteit. De huidige groene centrales in Europa produceren samen drie tot vier gigawatt (GW), maar er zijn plannen om in 2030 centrales van vijf tot tien gigawatt in gebruik te nemen, zegt Cucu. Hierdoor zal naar verwachting de wereldwijde capaciteit van deze elektrolysefabrieken exponentieel toenemen—een ongelooflijke ontwikkeling, volgens de promovendus.

Als groene waterstof in prijs wil concurreren met fossiele brandstoffen, is onderzoek als dat van Cucu nodig om elektrolysesystemen economisch meer rendabel te maken. Ze legt uit welke uitdagingen dat oplevert: 'Als je de twee prijzen naast elkaar legt, is grijze waterstof uit steenkool ongeveer twee tot drie euro, terwijl waterstof uit elektrolyse tussen de vijf en tien euro kost. De huidige elektrolysecentrales draaien op verschillende subsidies en beurzen. Het is daarom zaak om voortdurend verbeteringen aan te brengen in dit type reactoren.’

Elektrolyse verbeteren

Er zijn significante kansen om elektrolyse, waarmee waterstof wordt geproduceerd, te verbeteren, weet Cucu. Een gangbare methode om een chemisch proces efficiënter te maken is het gebruik van een katalysator, een stof die de vereiste energie voor het starten van de chemische reactie verlaagt, maar zelf niet wordt verbruikt tijdens het proces.

Volgens de promovenda biedt dit mogelijkheden om de energie-efficiëntie te verbeteren. Tijdens waterelektrolyse zijn er twee hoofdreacties: bij de kathode (negatieve pool) ontstaat waterstof, bij de anode (positieve pool) zuurstof. ‘De reactie bij de anode vergt meer energie terwijl er alleen zuurstof wordt geproduceerd, een product met een lage economische waarde. Daarom is het van belang om reacties te vinden die minder energie vergen en leiden tot producten met een hogere waarde dan zuurstof.’

In de komende jaren wil Cucu reactorsystemen voor elektrolyse op drie manieren optimaliseren. Ze hoopt allereerst de efficiëntie te verbeteren door de benodigde energie voor de chemische reacties te verlagen. Een ander deel van Cucu's onderzoeksproject is gericht op het verkrijgen van producten met een hogere waarde dan zuurstof bij de anode, zoals waterstofperoxide, een molecuul dat wordt gebruikt in ontsmettingsmiddelen en als raketbrandstof. Tot slot zal ze een systematische vergelijking maken tussen mogelijke reacties die producten met een hogere waarde kunnen opleveren, en evalueren welke reacties het meest rendabel zijn.

Aan de hand van bestaande theorieën kan Cucu elektrolyse-experimenten uitvoeren. Ze kan verschillende aspecten van de productie aanpassen en testen, zoals het type chemische reacties, het reactorontwerp, de katalysator en de stroomsnelheden. Alle variaties worden bovendien getest met behulp van simulaties die de verwachte opbrengst van de productiemethode op industriële schaal berekenen.

Multidisciplinaire ondersteuning

Een deel van de weg naar meer effectieve elektrolyse is al geplaveid. 'Ik hoef niet meer vanaf nul te beginnen.' Cucu legt uit dat de onderzoeksgroep van het Engineering and Technology Institute Groningen (ENTEG) een sterke achtergrond heeft op dit gebied. Zo is Prof. Paolo Pescarmona, een van Cucu's begeleiders en voorzitter van het ENTEG-bestuur, een expert op het gebied van groene waterstofproductie met elektrokatalyse. De promovendus heeft daarnaast nog twee begeleiders: Dr. Dulce Morales Hernández, van de Faculty of Science and Engineering (FSE), en Dr. Stuart Xiang Zhu, van de Faculty of Economics and Business (FEB). Beiden maken ook deel uit van het ENTEG-instituut.

Het PhD project maakt deel uit van het M20 programma, een initiatief van het Ubbo Emmius Fonds (UEF) dat promovendi de kans biedt om een multidisciplinair onderzoek te doen. Cucu denkt dat zo'n multidisciplinair project op de lange termijn veel mogelijkheden biedt voor zowel persoonlijke als wetenschappelijke groei. Samen met haar collega-promovendi richt ze zich op verschillende delen van de industrie en verlaten ze de 'bubbel' van hun eigen expertise. 'Het is belangrijk om het grotere plaatje te zien en kennis vanuit verschillende achtergronden toe te passen. Als je in zo'n multidisciplinaire omgeving werkt, leer je verbanden te leggen tussen verschillende aspecten van de industrie. Dankzij het M20-programma kun je deze vaardigheden ontwikkelen.’