Industriële nanoprinter versnelt opschaling waterstofproductie
VSParticle koppelt kennis uit maakindustrie en procesindustrie
Het Delftse bedrijf VSParticle introduceerde een zogenoemde nanoprinter, waarmee onderzoekers elektrolysemembranen veel gemakkelijker kunnen voorzien van een katalytische coating opgebouwd uit nanodeeltjes. “De technische universiteiten in Nederland staan erom te springen, want met deze nanoprinter, de VSP-P1, kunnen onderzoekers veel sneller betere elektrolysemembranen ontwikkelen. Als we over enkele maanden klaar zijn met testen, kunnen we de nanoprinter leveren, ook aan onderzoekers elders in de wereld”, zegt Aaike van Vugt, ceo van VSParticle.
Alternatief éénstapsproces
Van Vugt voorziet dat de nanotechnologie waaraan het bedrijf inmiddels zeven jaar heeft gewerkt van grote betekenis zal zijn voor het opschalen van waterstofproductie in de wereld en ook een versnelling zal kunnen geven aan de ontwikkeling van de elektrolytische omzetting van CO2 in koolmonoxide of andere stoffen. Hij verwacht dat rond 2025 een nanoprinter voor de industrie beschikbaar zal komen. De nanoprinters bouwt het bedrijf samen met het Helmondse mechatronics bedrijf MTA group.
VSParticle richt zich op PEM-elektrolyse, dat wil zeggen op elektrolyse met behulp van een polymeer membraan. De PEM-technologie en alkalinetechnologie zijn samen de meest gangbare technologieën voor de splitsing van water in waterstof en zuurstof.
Bij PEM is de anodezijde van het membraan gecoat met iridium en de kathodezijde met platina. “Feit is dat de technologie werkt. Je kunt gewoon commerciële PEM-elektrolysers kopen. Maar het maken van die iridium- en platinakatalysatoren en het aanbrengen ervan op het membraan is een complex proces, deels met chemische stappen in een vloeistoffase, wat relatief veel afval oplevert. Mede hierdoor biedt dit proces in zeven stappen weinig mogelijkheden voor innovatie en is het lastig op te schalen. Wij bieden een alternatief proces van één stap zonder vloeistoffen en zonder afvalstromen”, zegt Van Vugt.
"Doordat we allerlei parameters kunnen controleren en aanpassen, kost het maken van de juiste nanodeeltjes geen maanden meer maar slechts een paar uur"
Bij dit proces wordt een staaf van bijvoorbeeld het overgangsmetaal iridium, een element behorend tot de platinagroep, met behulp van elektrische vonken bij plaatselijke temperaturen tot 20.00 °C verdampt. De vrijkomende losse metaalatomen worden in een gasstroom van bijvoorbeeld argon meegevoerd en klonteren onder invloed van vanderwaalskrachten samen tot aerosolen. Daarna worden de nanodeeltjes direct geprint op een substraat, bijvoorbeeld een polymeermembraan.
“Tijdens het transport in de gasstroom kunnen wij allerlei dingen met die deeltjes doen: we kunnen ze meten, filteren en gecontroleerd laten groeien. Doordat we allerlei parameters kunnen controleren en aanpassen, kunnen we ook de grootte van de iridiumdeeltjes, de laagdikte, evenals het patroon en de porositeit van de coating bepalen. Zodoende kost het maken van de juiste nanodeeltjes geen maanden meer, zoals bij de chemische route, maar slechts een paar uur”, legt Van Vugt uit. Het printproces lijkt op dat van een inkjetprinter. Alleen gaat het in dit geval om minuscule nanodeeltjes die een substraat bereiken en daarop een poreuze laag vormen.
Verschil met fabricage van chips
Bij de fabricage van chips gebruikten elektronicabedrijven vergelijkbare technologieën, maar dan om dunne solide lagen te maken, die uiteindelijk geëtst en gelithografeerd worden om er transistoren van te maken. Daarentegen is de technologie van VSParticle ontworpen om nanodeeltjes te maken en hiermee poreuze lagen op te bouwen.
“In ons proces heb je optimale controle over de groei van de deeltjes en over de patronen waarin je ze aanbrengt op een oppervlak. Bovendien kun je er snel prototypes van verschillende elektrolysemembranen mee maken en op basis van de testresultaten weer betere prototypes maken en zo itererend tot de beste oplossingen komen”, licht Van Vugt toe.
De transmission electron microscopy (TEM) en scanning electron microscopy (SEM) van respectievelijk de Delftse bedrijven DENS solutions en Delmic maken het mogelijk om processen op nanoschaal te volgen en zo vast te stellen welke nanodeeltjes katalytisch actief zijn en welke niet. “De combinatie van deze ontwikkelingen zal de komende jaren een enorme impuls geven aan het ontwikkelen van elektro-katalytische membranen en katalysatoren in het algemeen”, verwacht Van Vugt.
Daarnaast is het mogelijk om met behulp van een nanoprinter iridium met elk gewenst element te mengen door verschillende atomen binnen één deeltje samen te brengen of door nanodeeltjes van verschillende elementen samen te voegen. Dat opent de weg naar het ontwikkelen van membranen met coatings die veel minder van het schaarse iridium bevatten.
waarom met nanodeeltjes werken?
VSParticle werkt bewust met nanodeeltjes. De reden is dat de eigenschappen van nanodeeltjes afhangen van hun grootte, zeker als ze kleiner zijn dan 5 nanometer, wat weer met kwantummechanica valt te verklaren. “Als je deze size dependend quantum enhanced materials gecontroleerd kunt maken, ben je ook in staat geheel nieuwe materialen te ontwikkelen en te produceren. De materialen die wij dagelijks gebruiken, maken maar één procent uit van de materialen die je langs deze weg nog zou kunnen gaan maken”, stelt Van Vugt.
"Uitgaande van de huidige technologie zal er niet genoeg iridium zijn voor grootschalige toepassing van PEM-elektrolyse"
Voorlopig kan PEM-elektrolyse niet zonder iridium, omdat dit vrijwel het enige materiaal dat bestand is tegen hoge energiedichtheden. Iridium is echter zeer schaars. “Uitgaande van de huidige technologie zal er niet genoeg iridium zijn voor grootschalige toepassing van PEM-elektrolyse. Opschalen lukt alleen als we erin slagen elektrolysemembranen te ontwikkelen die minstens zo effectief en stabiel zijn als de huidige membranen, maar twintig tot veertig keer minder iridium bevatten”, aldus Van Vugt. “Er zijn bedrijven die zeggen dat je vanwege de iridiumschaarste beter voor alkalinetechnologie kunt kiezen, maar daarbij heb je veel meer massa en oppervlakte nodig om dezelfde hoeveelheid waterstof te produceren. Ook werk je hierbij met chemicaliën, terwijl je bij PEM met vrij schoon water werkt en praktisch alleen waterstof en zuurstof produceert”, stelt Van Vugt.
VSParticle richt zich voornamelijk op iridium coatings voor PEM-elektrolyse, maar de technologie leent zich ook voor het maken van membranen voor brandstofcellen en kan ook een rol spelen bij de elektrolyse van CO2 in koolmonoxide of andere stoffen. “De CO2-elektrolyse staat nog in de kinderschoenen en de innovatie loopt traag, omdat het met de oude methode ingewikkeld en tijdrovend is om de gewenste katalytische deeltjes voor de CO2-elektrolyse te produceren. Onze technologie kan die innovatie mogelijk ook helpen versnellen”, aldus Van Vugt.
VSParticle heeft met zijn nieuwe technologie al meer dan honderd membranen geproduceerd, waarmee geëxperimenteerd is bij het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) in Eindhoven en bij TNO in Petten. “Zo kunnen we aan de industrie laten zien, dat je met een vrij simpel productieproces een goed membraan kan maken”, aldus Van Vugt.
Met de MTA group in Helmond heeft het bedrijf inmiddels een eerste serie nanoprinters gebouwd, die na interne tests over enkele maanden uitgeleverd kunnen worden aan universiteiten en onderzoeksinstituten in Nederland en elders.
Industriële printer in ontwikkeling
Intussen is VSParticle bezig de printers op te schalen tot industriële schaal. “Wij schalen de printkop op van de eerste naar een tweede generatie die veel meer massa kan printen. Daarna gaan we meerdere van die printkoppen in een geautomatiseerde productielijn onderbrengen”, vertelt Van Vugt. De toekomstige PEM-elektrolysemembranen moet niet alleen veel minder iridium bevatten maar ook water kunnen splitsen met een efficiëntie van 75% in plaats van de huidige 65%. “Het gaat erom de optimale configuratie te vinden qua grootte van de iridiumdeeltjes, qua dikte van de iridiumhoudende laag en qua porositeit ervan. Om daar te komen moet je met alle parameters spelen. Ons proces komt daarbij goed van pas, omdat je er snel mee kunt itereren”, legt Van Vugt uit.
“Onze technologie helpt de innovatie op het gebied van elektrolyse te versnellen"
Dat sluit aan bij de bredere context van de energietransitie. “De Europese Unie wil wettelijk voorschrijven dat in 2030 55% van de industriële waterstof groen is, dus niet meer gebaseerd op fossiele aardgas. Daar komen de toepassingen van groene waterstof voor transport nog bij. Dat vergt een enorme opschaling van de waterstofproductie. Al met al vragen de Europese plannen om 40 gigawatt aan elektrolysecapaciteit in 2030, dat is 200 keer zoveel als de Holland Hydrogen 1 elektrolyser van 200 megawatt, die Shell in juli aankondigde en op het moment de grootste elektrolyser van Europa is. De hele aanbodketen staat in rep en roer. Allerlei bedrijven willen flink gaan investeren om de groene waterstofproductie op te schalen.”
Vier grote uitdagingen voor procesindustrie
De procesindustrie staat volgens Van Vugt voor vier grote uitdagingen. De eerste is de productiecapaciteit voor groene waterstof voor 2030 met bijna 200 keer te vergroten, de tweede om de efficiëntie van de elektrolyse met 10 procentpunt te verhogen, de derde om de kosten van de systemen te verminderen, zodat groene waterstof kan concurreren met waterstof uit aardgas en de vierde om het gebruik van iridium fors te reduceren.
Van Vugt: “Dat kan door een brug te slaan tussen de maakindustrie en procesindustrie, twee industriesectoren die tot nu toe nagenoeg gescheiden optrokken. Je hebt technologen uit de maakindustrie nodig om membranen van de juiste coating te voorzien en procestechnologen om te bepalen welke moleculen je met fijne structuren of gecoate membranen kunt omzetten in gewenste producten. Ook zou een bedrijf als AMSL ons kunnen helpen met de verdere ontwikkeling van de nanoprinters en zou een bedrijf als Shell een belangrijke klant kunnen worden.”
“Onze technologie helpt in elk geval de innovatie op het gebied van elektrolyse te versnellen. Daar ben ik van overtuigd”, zo besluit Van Vugt.
