Electrolyzers kun je straks net als wasmachines produceren

Electrolyzers kunnen duurzaam opgewerkte elektriciteit omzetten in waterstof, dat dienstdoet als energiedrager en als grondstof voor de chemie. Tot nu toe werden elektrolyzers enkel kleinschalig toegepast, maar dat gaat veranderen. Alleen al in Nederland zijn er zeker twaalf consortia met plannen voor de bouw van elektrolyzers van 50 tot 250 megawatt. Moeten de bedrijven niet wachten totdat de elektrolysecellen in de laboratoria van universiteiten sterk verbeterd zijn?

 

Opschalen van electrolyzers

Veel bedrijven verwachten in 2021 en 2022 te beslissen over forse investeringen in de duurzame productie van waterstof in het kader van de klimaatdoelstellingen. Zij hopen dat de overheid daar in de periode 2021-2028 financieel flink aan zal bijdragen. In juli telde Nederland al twaalf consortia met plannen voor de bouw van electrolyzers met een vermogen variërend van 50 tot 250 megawatt. Dat zal een flinke zet geven aan de innovatie op het gebied van electrolyzers.

“Veel van hun projecten verkeren in de pilotfase. Bedrijven willen nu met installaties op wat grotere schaal ervaring opdoen”, zegt John van der Schaaf, hoogleraar geïntensiveerde chemische reactoren aan de Technische Universiteit in Eindhoven. “Experimenten in het laboratorium met bekerglazen zijn niet voldoende. Ze zijn vooral ook geïnteresseerd in het opvoeren van de prestaties van de electrolyzers, en het verlagen van de kapitaal- en operationele kosten.”

Het gaat ook om het oplossen van praktische problemen. Door diffusie kan er bijvoorbeeld zuurstof aan de waterstofzijde van de electrolyzer terechtkomen. Die zuurstof zou zich plaatselijk kunnen gaan ophopen en zo explosiegevaar opleveren, vooral bij het vloeibaar maken van waterstof. Daarom moet de zuurstof voor de liquefactie verwijderd worden. Hier wordt op toegezien, opdat dit geen groot risico oplevert. Ook de stabiliteit van de membranen is van belang, want als die stuk gaan, kan dat snel tot explosies leiden. De nieuwe electrolyzers moeten bij voorkeur een dynamisch aanbod van elektriciteit aankunnen en bijvoorbeeld onder een belasting van 1 tot 10 megawatt goed kunnen functioneren.

Kosten verlagen en prestaties verhogen

De universiteiten, fabrikanten en toeleveranciers uit de maakindustrie staan samen voor de uitdaging om de kosten van electrolyzers drastisch omlaag te brengen en de prestaties ervan flink te verhogen, zodat zowel de vaste als variabele kosten van de duurzame waterstofproductie flink omlaag gaan.

De TU Eindhoven wil samen met VDL en andere partijen komen tot een kant-en-klaar product met state-of-the-arttechnologie dat in series kan worden geproduceerd. Van der Schaaf: “Ik noem dat het wasmachinemodel. Een wasmachine is relatief goedkoop, omdat er zoveel van gemaakt worden. Dat geldt straks ook voor electrolyzers. Die moet je niet al te groot maken, want dan kun je ze gemakkelijk produceren, inzetten en telkens van de jongste innovaties voorzien. Dat is veel beter dan een grote electrolyzer van 1 gigawatt bouwen, waarmee je dertig jaar moet doen en innoveren risicovol is.” Een electrolyzer bestaat gewoonlijk uit een stack, waarin een aantal elektrolysecellen zijn gestapeld. Met meerdere stacks valt gemakkelijk een gewenste capaciteit te bereiken. Tien stuks van 10 megawatt bijvoorbeeld zijn goed voor een vermogen van 100 megawatt.

De maakindustrie is met oppervlaktebehandelingen, depositie van metalen, robotica en dergelijke ingesteld op het fabriceren van niet al te grote machines. Om grote oppervlakken van bijvoorbeeld tien bij tien meter te kunnen behandelen, zouden ze fors moeten investeren en dat ligt voorlopig niet voor de hand.

“Opschalen betekent in dit geval dat je met veel kleine stacks grote electrolyzers kunt bouwen. Het doel is uiteindelijk om waterstof voor 1 euro of minder per kilogram te produceren”

“Opschalen betekent in dit geval dat je met veel kleine stacks grote electrolyzers kunt bouwen. Daarom kun je beter spreken van een economy of numbers dan een economy of scale. Het doel is uiteindelijk om waterstof voor 1 euro of minder per kilogram te produceren. In de woestijn kost stroom nu 1,6 eurocent per kilowattuur. Een electrolyzer heeft ca. 55 kilowattuur nodig om een kilogram waterstof te produceren, waardoor de productie van waterstof uitkomt op 88 cent per kilogram. Daar komen de kosten bij van het vloeibaar maken van waterstof van 4,50 euro per kg plus de distributiekosten van 7 euro per kg, waardoor de totale kosten uitkomen op 12,40 euro per kg. Hiermee haal je met een waterstofauto 100 kilometer. Bij een benzine-auto kost dat gemiddeld 7 liter benzine à 1,60 euro is 11,20 euro. “Duidelijk is, dat waterstof nog duurder is, maar ook dat de totale kosten van waterstof niet alleen van de electrolyzers afhangen”, aldus Van der Schaaf.

Voorbeelden van electrolyzers

Alkaline electrolyzer

Alkaline electrolyzers bestaan al meer dan honderd jaar. De ontwikkeling ervan heeft lange tijd stil gelegen als gevolg van de sterke opkomst van relatief goedkope fossiele olie en gas in de vorige eeuw. Maar nu staan ze weer volop in de belangstelling.

Zo werkt onder andere de Technische Universiteit Eindhoven aan beter ontwerp van de alkaline electrolyzer.

Bij een klassieke alkaline electrolyzer zitten de elektroden als het ware geplakt aan weerszijden van een separator, een Zirfon membraan, dat de elektrolysecel in twee compartimenten verdeelt.

Wanneer er een elektrische spanning over de elektroden wordt gezet, vormt zich aan de kathode waterstof en aan de anode zuurstof, terwijl hydroxide-ionen zich door de separator van de kathodezijde naar de anode zijde verplaatsen (zie schema) en watermoleculen in omgekeerde richting.

Kathode: 4 H₂O + 4e^- → 4OH^- + 2H₂
Anode: 4 OH^- → 2H₂O + O₂ + 4e^-

Hoe korter de afstand tussen de elektroden, hoe geringer de weerstand van de separator en des te efficiënter de cel. Een separator van een paar micron dik zou ideaal zijn, maar zal zonder ondersteuning van een spacer onder mechanische belasting gemakkelijk kunnen bezwijken. Daar komt bij, dat naarmate de separator dunner is, het risico van kortsluiting toeneemt. Doordat de productie van waterstof en zuurstof gelijktijdig plaatsvindt, kunnen er problemen ontstaan als zuurstof via de separator naar de kathode-kant migreert door diffusie of convectief transport en waterstof naar de anode-kant. Bij een stabiele hoge stroomtoevoer en dus hoge productiviteit gebeurt dit niet, verhoudingsgewijs is de migratie dan laag. Echter bij een lage productie bij lage spanning, bijvoorbeeld bij een gering aanbod van duurzame stroom, is het niet uitgesloten dat zich een explosief mengsel vormt.

 

Elektrolyse in twee stappen

Om dit te ondervangen kwamen onderzoekers van het Israëlisch Instituut voor Technologie in Haifa twee jaar geleden op het idee om de elektrolyse in twee stappen uit te voeren. Aan de kathode ontstaat tijdens de eerste stap waterstof. De hydroxide-ionen die hierbij ontstaan, oxideren de nikkelhydroxide anode tot nikkeloxide-hydroxide (NiOOH). Bij de tweede stap, die op een later tijdstip plaatsvindt, reageert de NiOOH anode bij een hogere temperatuur met water, waarbij de zuurstof vrijkomt en de anode weer gereduceerd wordt tot nikkelhydroxide. De eerste stap vindt plaats bij ongeveer 25 °C, de tweede bij 95 °C. Dit proces kan met soort semi-continu installatie uitgevoerd worden en leent zich volgens de onderzoekers voor efficiënte productie van waterstof bij lage voltages.

Nederlandse experts plaatsen daar kanttekeningen bij. Zo geldt voor iedere soort elektrolyse, dat de efficiëntie bij een lage stroomsterkte hoog is. Maar de uitdaging is juist om bij hoge stroomsterktes, dus bij een hoge productie, een hoge mate van efficiëntie te bereiken. Nadeel van het tweestappen proces is ook, dat het systeem inclusief de elektroden continu opgewarmd en afgekoeld moet worden, zodat warmteverliezen optreden. Tussendoor wordt de waterstof en zuurstof met een wasvloeistof naar de respectievelijke opvangtanks gedreven, waarbij onderweg mogelijk explosieve gasmengsels kunnen ontstaan. Dat doet de vraag rijzen of dit proces wel zoveel efficiënter is, dan een proces dat bij een contante temperatuur van 95 °C plaatsvindt. Wellicht is het mogelijk om de anode met nikkeloxide-hydroxide tijdelijk uit de cel te verwijderen en elders met bijvoorbeeld inductie op te warmen, zodat de zuurstof daar kan ontwijken, maar dat maakt het proces er niet simpeler op. Het belangrijkste voordeel van dit proces is, dat het zonder separator of membraan kan werken.

Battolyzer

Het Israëlische proces doet denken aan de Battolyzer van de Technische Universiteit Delft, waarbij de kathode bestaat uit ijzerhydroxide en de anode uit nikkelhydroxide. Bij het opladen gaat de ijzerhydroxide over in ijzer en hydroxide-ionen. Deze ionen verplaatsen zich naar de anode van nikkelhydroxide en reageren hiermee tot nikkeloxide-hydroxide (NiOOH). Dat gebeurt met een efficiëntie van 90%. Zodra de Battolyzer voor 100% is opgeladen, verandert hij in een conventionele electrolyzer, waarbij zich waterstof aan de kathode vormt en zuurstof aan de anode. Dat proces is echter beduidend minder efficiënt dan het opladen. Het idee is om de batterijfunctie van de Battolyzer te gebruiken voor de dagelijkse opslag van elektriciteit en de productie van waterstof voor seizoensopslag van elektriciteit.

PEM-electrolyzer

In de afgelopen jaren is naast de alkaline electrolyzer de PEM-electrolyzer sterk opgekomen, waarbij PEM staat voor het polymer electrolyte membrane, dat de cel in twee compartimenten scheidt. Deze betrekkelijk compacte electrolyzer laat een hoge stroomdichtheid toe. Nadeel is dat de elektroden onder andere het zeer zeldzame overgangsmetaal iridium dienen te bevatten. Naarmate de schaarste van die edelmetalen toeneemt, zullen de prijzen van de PEM-electrolyzers omhoog stuwen. De elektroden van alkaline electrolyzers bevatten nikkel en kobalt, die veel ruimer beschikbaar zijn. Ook werkt de PEM-el bij een lage zuurgraad, wat de materialen in de cel sneller aantast. Verder moet het water in een PEM-el zeer zuiver moet zijn, omdat anders de poriën van het membraan vervuild of verstopt raken met verontreinigingen, zoals magnesiumzouten. Hierdoor neemt de weerstand van het membraan toe en verminder het vermogen navenant. Ultra puur water is echter tamelijk duur, omdat de productie ervan relatief veel energie kost. PEM-membranen zijn proton-exchange membranen: ze laten de waterstofprotonen selectief door. Ze geleiden de protonen sneller, waardoor de weerstand lager is dan bij een separator in een alkalinecel die hydroxide-ionen doorlaat, wat de stroomdichtheid ten goed komt. Het spanningsverschil blijft zoals bij alkaline 1,2 à 1,3 volt, want dat is thermodynamisch bepaald. Uiteindelijk verschillen de alkaline en PEM-electrolyzers niet veel in prestaties. PEM-membranen zijn vaak gemaakt van Nafion. Het eerste werkt met een potentiaal verschil en bestaat gesulfoneerd fluorpolymeer-copolymeer gebaseerd op tetrafluoretheen afkomstig van Dupont, dat nu door Chemours wordt aangeboden.

 

SOEC-electrolyzer

Een andere loot aan de stam van elektrolyzers is de solid oxide electrolyzer cell (SOEC). Dat keramische membraan van zirkoondioxide, dat gestabiliseerd is met yttrium, geleidt alleen zuurstofionen en wel bij temperaturen tussen de 500 en 850 °C. De voordelen zijn een hogere efficiëntie en lagere materiaalkosten.

Hierbij vinden de volgende reacties plaats:

Kathode: 2H₂O + 4e^- → 2H₂ + 2O₂^-
Anode: 2O₂^- → O₂ + 4e^-
Netto reactie: 2H₂O → 2H₂ + O₂

De uitdagingen zijn om de benodigde warmte op een slimme manier toe te voeren, bijvoorbeeld met elektrische verwarmingselementen en de snelle aantasting van materialen bij die hoge temperaturen tegen te gaan. Verder is gebleken, dat de efficiëntie na 2.000 ‘draaiuren’ met 2,1% afneemt en na nog eens 2.000 uur opnieuw met 2,1% door de toenemende weerstand tegen het transport van zuurstofionen. De Estlandse firma Elcogen is momenteel de belangrijkste producent van SOEC-stacks in de wereld.

Manieren om de kosten van electrolyzers te verlagen

Nouryon liet tijdens een presentatie voor het Institute for Sustainable Process Technology in april 2020 zien, dat de productiekosten van waterstof aanzienlijk verlaagd kunnen worden door een aantal verbeteringen van de alkaline electrolyzers.

De stroomdichtheid bij de huidige alkaline electrolyzers varieert van 2 tot 9 kilo ampère per m². Momenteel bedragen de materiaal- en fabricagekosten voor stacks met een lage stroomdichtheid zo’n 260 euro per m², dat komt neer op 70 euro per kilowatt. Van oorsprong was dat 660 euro per m². Er is dus al een flinke vooruitgang geboekt.

Nouryon geeft aan dat de kosten van de stack langs verschillende wegen verder verlaagd kunnen worden. Opschalen van de productie kan de fabricagekosten binnen vijf jaar met 15% à 50% verminderen. Nieuwe elektrodematerialen en membranen evenals hogere temperaturen zullen hogere stroomdichtheden mogelijk maken. Nieuwe celontwerpen zullen na 2025 een verdere verbetering opleveren. Hierdoor zal de productiviteit met gemiddeld 50% tot 75% per stack stijgen en de investeringskosten met nog eens 50% tot 75% dalen. Verder kan een verhoging van het celoppervlak van 2,5 tot 5 à 10 m² na 2030 nog een extra kostenverlaging van 10 procent opleveren, maar dat vereist forse investeringen van de toeleveranciers.

Het bedrijf somt de voordelen op van de toekomstige alkaline electrolyzer. De alkalische condities maken het bijvoorbeeld mogelijk om elektroden met katalysatoren zonder edele metalen te gebruiken. Ook zijn er geen pompen nodig, omdat er aan de anodezijde onder atmosferische druk gewerkt kan worden. Bovendien zal er bij een lagere kalium hydroxide concentratie minder corrosie optreden, wat weer hogere bedrijfstemperaturen mogelijk maakt. Verder zal het Anion Exchange Membraan de diffusie van zuurstof richting kathode en waterstof richting anode vrijwel onmogelijk maken en intussen hydroxide-ionen en watermoleculen goed geleiden. Hierdoor kan er bij de anode en kathode ook met verschillende drukken worden gewerkt.

Door de kathode nat te houden en te bedekken met membraanmateriaal dat hydroxide-ionen transporteert, kan de kathode als gasdiffusie elektrode functioneren. Hierbij passeert het water het membraan en bereikt eventueel via de gasfase de kathode en vormt daar

OH^-–ionen en waterstof. De waterstof komt nagenoeg onmiddellijk in de gasfase terecht, terwijl de OH^-–ionen door het anion exchange membrane zeer snel afgevoerd kunnen worden naar het anode-compartiment.