HyCC wil groot worden in groene waterstofproductie 

 

In maart 2022 richtten chemiebedrijf Nobian en de Green Investment Group van het Australische Macquarie de joint venture HyCC op, die van plan is de komende jaren groene waterstof te gaan produceren met steeds grotere elektrolysers, eerst in Nederland en later ook elders. Thijs de Groot, technology developer bij HyCC vertelt over de uitdagingen waarvoor het bedrijf staat bij de opschaling van de groene waterstofproductie en over de kansen om de productiekosten te reduceren.

"Een groene waterstoffabriek bouw je niet zomaar. De uitdagingen bij het opschalen hebben te maken met de veiligheid, flexibiliteit, levensduur en betrouwbaarheid van de elektrolysers. Om deze uitdagingen te adresseren, kunnen we gelukkig gebruikmaken van de jarenlange ervaring van Nobian op het gebied van chlooralkali, waar vergelijkbare uitdagingen moesten worden opgelost", verklaart De Groot, die ook in deeltijd werkt als universitair hoofddocent aan de Technische Universiteit Eindhoven.

"Hoe meer zekerheid er is over de betrouwbaarheid, hoe makkelijker de waterstofproductie te financieren zal zijn"

Veiligheid

"In een fabriek voor groene waterstof maak je zowel waterstof als zuurstof. Die moet je goed uit elkaar houden, want samen zijn ze hoogst explosief", aldus De Groot. In een elektrolyser worden waterstof en zuurstof in afzonderlijke gasvloeistofscheiders opgevangen en afgevoerd. "Er zijn scenario's denkbaar, hoe uitzonderlijk ook, waarbij een grote hoeveelheid waterstof in de zuurstofafscheider kan komen en andersom, bijvoorbeeld als er een grote scheur in het membraan van de elektrolysecel ontstaat of als door een mankement de druk aan de waterstofkant toeneemt, waardoor waterstof via het membraan naar de zuurstofkant stroomt. Dat moet je te allen tijde voorkomen, want de ontstekingsenergie van waterstof en zuurstof ligt heel laag. Daar heb je niet eens een vonkje voor nodig", verklaart De Groot.

De veiligheidsstandaarden die werden gebruikt voor elektrolysefabrieken in de twintigste eeuw zijn anno 2022 niet meer voldoende. "In 1975, toen de veiligheidseisen minder strikt waren, is bijvoorbeeld in het Verenigd Koninkrijk een elektrolyser geëxplodeerd, waarbij een operator omkwam. Scenario's waarbij het fout gaat, zijn dus niet alleen theoretisch. Bijgevolg moet je heel voorzichtig zijn. Daarom hanteren wij ook de Nobian-veiligheidsstandaarden, die bekendstaan als de gouden standaard in de industrie", aldus De Groot.

HyCC werkt op het gebied van veiligheid samen met Shell, kunstmestproducent Yara en energiebedrijf Ørsted om nog een beter begrip te krijgen van de veiligheidsaspecten in elektrolyse.

 

Flexibiliteit

In de 20e eeuw draaiden elektrolysers continu op elektriciteit van waterkrachtcentrales, zowel bij normale druk als bij een druk van 30 bar. "Dat kun je zo kopiëren en verder verbeteren, was onze eerste gedachte. Maar al snel beseften we dat we in de 21e eeuw anders moeten gaan opereren. We willen elektrolysers laten draaien op stroom van windturbines en zonnepanelen, maar de zon schijnt niet altijd en soms waait het niet", licht De Groot toe.

Bij gebrek aan zon en wind zou het voor de hand liggen een elektrolyser tijdelijk uit te zetten, maar dat uit- en aanzetten brengt net als bij andere chemische fabrieken problemen met zich mee. "Uit- en aanzetten doe je liever niet. Onze ervaring uit chloorelektrolyse leert dat de elektrodes dan schade kunnen oplopen en daardoor minder lang meegaan. De vraag is nu of dit ook het geval is bij waterelektrolyse met alkaline-elektrolysers. Kunnen we die 200 keer per jaar aan- en uitzetten, en zo ja, tegen welke prijs?"

Een elektrolyser kan wel op een lagere last worden bedreven, maar die moet minstens 10% à 20% van de nominale capaciteit zijn. Omdat er onafhankelijk van de last altijd een klein beetje waterstof door het membraan naar de zuurstofkant stroomt, kan de concentratie waterstof bij te lage productie van waterstof en zuurstof aan de zuurstofkant te hoog oplopen. "De explosiegrens ligt bij 4%. Daarom houden we veiligheidshalve 2% als strikte limiet aan", verklaart De Groot.

 

Levensduur en bedrijfszekerheid

De Groot: "We werken in een spanningsveld. Aan de ene kant willen we innoveren en zo komen tot betere en goedkopere oplossingen om waterstof goedkoper te kunnen maken. Aan de andere kant willen we betrouwbaar groene waterstof kunnen leveren aan onze klanten. Maar op het moment weten we door gebrek aan ervaring nog niet wat de exacte efficiëntie is van een nieuwe innovatieve elektrolyser na twee, vijf of tien jaar operatie. Dat is lastig. Het is daarom cruciaal dat nieuwe technologie snel wordt bewezen binnen demonstratieprojecten. Ons Djewels-project met de nieuwe leverancier McPhy is daarvan een mooi voorbeeld."

Elektroden en membranen zijn belangrijke componenten van een elektrolyser die normaal gesproken beschadigd kunnen raken. "Van anodes die zuurstof maken weten we nog relatief weinig, maar van kathoden aan de waterstofkant gelukkig al veel op grond van onze ervaringen in de chlooralkaliproductie."

 

Daarnaast kan er corrosie optreden, waardoor pijpen en pakkingen af en toe vervangen zullen moeten worden, maar hierbij kan HyCC terugvallen op de jarenlange ervaring die hiermee in de chlooralkali-industrie is opgedaan.
"Uiteindelijk moet de groene waterstofproductie betaalbaar zijn en kunnen renderen, zodat bijvoorbeeld ook pensioenfondsen bereid zijn erin te investeren. Dat kan alleen als we zeker weten dat het goed werkt. Hoe meer zekerheid er is over de betrouwbaarheid van de waterstofproductie, hoe makkelijker die te financieren zal zijn. Onze joint venture heeft immers geen oneindig diepe zakken. Willen we onze projecten kunnen realiseren, dan moeten we daarvoor nog honderden miljoenen euro's uit de kapitaalmarkt kunnen aantrekken", aldus De Groot.

"De productiekosten zullen bij het opschalen van de groene waterstofproductie fors gaan dalen"

De bedrijfszekerheid van een fabriek kan worden opgevoerd door extra pompen en een compressor als reserve te plaatsen, maar daardoor nemen de investeringskosten toe. "Beter is om met behulp van sensoren en data-analyse te bepalen wanneer een pomp of compressor toe is aan vervanging. Hierbij kunnen we inspelen op de nieuwste ontwikkelingen op dit gebied in de procesindustrie."

 

 

Inzichten uit de chloor-alkali-productie
Waterstofproducent HyCC kan gebruik maken van de ervaring van Nobian met de elektrolyse van pekel, wat chloor, natronloog en waterstof oplevert:
• De kathode-reactie, waar waterstof ontstaat, en de bijbehorende procescondities zijn nagenoeg hetzelfde in beide processen. Hierdoor kunnen dezelfde elektrodematerialen worden gebruikt en is er een goed beeld van de te verwachten levensduur en robuustheid. Het Duitse bedrijf thyssenkrupp nucera past dit al toe.
• Ook is bekend wat er nodig is om elektrolysers flexibel en veilig te laten opereren.
• Verder is bekend welke materialen zich het beste lenen voor installatie-delen die bloot staan aan het elektroliet, een oplossing van kaliloog.

Vragen die overblijven zijn:
• Wat is er nodig om een fabriek vaak uit en aan te zetten en is het ook mogelijk om die op een hele lage last te bedrijven?
• Wat is de beste anode qua efficiëntie en levensduur voor de reactie waar zuurstof bij ontstaat?
• Wat kan er aan het diafragma worden verbeterd?

Bij dit alles gaat het niet alleen over kosten, maar zeker ook over betrouwbaarheid. Ook zijn de kosten van de rest van de fabriek van belang. Daar valt eveneens veel te winnen. Zie eventueel ook het GigaWatt-project van ISPT, waaraan Thijs de Groot en Paola Granados Mendoza van de Technische Universiteit Eindhoven aan bij hebben gedragen.

Kostenreductie

De Groot voorziet dat de productiekosten bij het opschalen van de groene waterstofproductie fors zullen gaan dalen. "Dat heeft niet zozeer met de elektrolysers te maken, waarbij opschalen een kwestie is van het optellen van stacks met elektrolysecellen, als wel met kosten van de overige onderdelen van een waterstoffabriek, zoals een koelwaterinstallatie, het besturingssysteem en het gebouw. Daarbij kun je uitgaan van het gegeven in de chemische industrie dat een tien keer zo grote fabriek maar vijf keer zo duur is. Dit betekent, dat waterstof in grote fabrieken beduidend goedkoper geproduceerd zal kunnen worden."

De kosten zullen verder dalen als elektrolysers in een toenemend aantal worden gebouwd, want de leveranciers van onderdelen zullen er door innovatie en automatisering in slagen die steeds efficiënter en goedkoper te fabriceren.
Bij het Hydrohub Gigawatt Scale Elektrolyser-project van ISPT is uitgerekend dat een waterelektrolysefabriek van 1 gigawatt op basis van zowel alkaline- als PEM-technologie zodoende in 2030 de helft goedkoper zal zijn dan in 2020 (zie NPT maart 2022). Hierin is de huidige inflatie overigens niet meegenomen.
Verder neemt de intensiteit van de elektrolysers toe. "We zien nu al dat moderne elektrolysers vijf tot tien keer zoveel waterstof kunnen produceren als oude electrolysers van vergelijkbare grootte", aldus De Groot.

 

Rol van HyCC in de keten
HyCC wil eigenaar en operator van fabrieken voor groene waterstof zijn en schakelt hiervoor ingenieursbureaus in die deze fabrieken op basis van de wensen van het bedrijf turnkey kunnen leveren. Deze bureaus doen zaken met OEM'ers (original equipment manufacturers) die elektrolysers bouwen, zoals het Duitse Siemens en ThyssenKrupp, het Noorse Nel Hydrogen en het Frans-Duitse McPhy. De OEM'ers kopen weer elektroden en membranen bij andere firma's in. Als de elektrolysers operationeel zijn, koopt HyCC groene elektriciteit bij energiebedrijven in en levert groene waterstof aan verschillende afnemers, continu of flexibel, zo is de bedoeling.

Samenwerking

De Groot is ervan overtuigd, dat de innovatie in waterstoftechnologie floreert bij samenwerking tussen bedrijven, onderzoeksinstituten en universiteiten. HyCC heeft geen eigen laboratorium, maar neemt bijvoorbeeld wel deel aan HyScaling, een consortium van bedrijven dat een productieketen voor elektrolysers in Nederland wil opzetten.
Ook test HyCC technologie op schaal van 100 kilowatt bij het Hydrohub MegaWatt Test Center, het testcentrum voor waterelektrolyse bij de Hanzehogeschool in Groningen.

"Door samen te werken in de keten kunnen we de ontwikkeling van groene waterstoftechnologie aanzienlijk versnellen en zo helpen de doelen op het klimaatgebied binnen bereik te brengen", aldus De Groot.

 

Projecten van HyCC
Het eerste project, Djewels 1 in Delfzijl, gaat HyCC samen met Gasunie uitvoeren. In de loop van dit jaar verwachten zij een definitieve beslissing te nemen over de bouw van een waterstoffabriek in Delfzijl met een elektrolyser van 20 megawatt. In 2018 gaven Gasunie en chemiebedrijf Nouryon hiertoe de aanzet. Begin 2021 doopte Nouryon zijn dochterbedrijf Industrial Chemicals om in Nobian, dat onder andere chloor met behulp van elektrolyse in Rotterdam maakt en dus deelneemt in HyCC.
HyCC studeert ook op drie vervolgprojecten met steeds grotere elektrolysers. Bij Djewels 2, een vervolg op Djewels 1, gaat het om een elektrolyser van 40 à 50 megawatt, bij H2ermes bij Tata Steel in IJmuiden om een van 100 megawatt en bij H2Fifty in Rotterdam om een van 250 megawatt.
Voor het eerste project Djewels 1 heeft HyCC een elektrolyser op basis van alkalinetechnologie op het oog van de Frans-Duitse McPhy. De technologie voor latere projecten is nog niet bepaald.