Hoe een kleine 'gap' opslag van groene energie door middel van elektrolyse dichterbij brengt

In de zoektocht naar werkbare oplossingen bij de energietransitie, wordt niet alleen gezocht naar duurzame energiebronnen. Juist oplossingen waarmee we efficiënt energie kunnen opslaan, moeten de pieken en dalen in vraag en aanbod van energie opvangen.

Een van de oplossingen waarnaar gekeken wordt, is waterstof. Dat is redelijk eenvoudig te maken uit water door middel van elektrolyse, waarna het kan worden opgeslagen of gebruikt als brandstof of grondstof voor de industrie.

Het zal dan ook niemand verbazen dat er veel onderzoek wordt gedaan naar elektrolyse, en dan vooral naar de manier waarop deze techniek betaalbaar, duurzaam en geschikt gemaakt kan worden om met een sterk wisselend aanbod van elektriciteit om te gaan. Ook aan de TU/e doen we hier veel onderzoek naar, zoals beschreven in een helder overzichtsartikel in 2021.

Lastig flexibel aanbod

Daar is te lezen dat juist de betaalbare en duurzame alkaline elektrolyzers het lastig vinden om te gaan met een flexibel aanbod van elektriciteit. Geen wonder dat Thijs de Groot, sinds kort volledig werkzaam bij de TU/e als universitair hoofddocent Sustainable Process Engineering, zijn aandacht met zijn team juist daarop heeft gericht.

“Alkaline elektrolyzers kun je maken met relatief goedkope grondstoffen, wat ze heel geschikt maakt als duurzame keuze. Daarom wilde ik juist daarnaar onderzoek doen. Om te bekijken of we die geschikt kunnen maken voor flexibele energieopslag.”

De uitdaging: het waterstof-lek

Wat is nou het lastigste aan die alkaline elektrolyzers? Daarvoor moeten we terug naar de basis van wat er in een elektrolyzer gebeurt. In een zoutoplossing plaats je een kathode en een anode met daar tussenin een membraan. Als je daar voldoende spanning op zet, gaat er stroom lopen en vormt zich bij de kathode waterstof (H₂) en aan de anode zuurstof (O₂).

Het membraan moet ervoor zorgen dat de waterstof en de zuurstof niet bij elkaar komen. Geen enkel membraan is echter in staat om zuurstof en waterstof perfect uit elkaar te houden, en dat kan mogelijk voor gevaarlijke situaties zorgen.

Explosief mengsel

Het gevaar zit hem erin dat het waterstof door het membraan heen lekt en aan de zuurstofkant terechtkomt (ook wel hydrogen cross-over genaamd). Als de hoeveelheid waterstof in de zuurstof groter wordt dan vier procent, ontstaat een explosief mengsel.

Het lekken van waterstof vindt altijd wel een beetje plaats, maar is vooral een gevaar wanneer de elektrolyzer niet op volle kracht draait. In dat geval wordt er minder zuurstof gemaakt, waardoor de waterstof die door het membraan heen lekt, minder goed verdunt. En dan komt de concentratie sneller in de buurt van de explosiegrens.

Om dat gevaar te beteugelen, draaien alkaline elektrolyzers nu bij voorkeur op volle kracht. Ze kunnen wel een beetje harder of zachter gezet worden, maar ze kunnen niet omgaan met plotselinge, grote verschillen. Daardoor is het lastiger om ze direct aan een zonne- of windpark te koppelen.

Ook is het lastig om de elektrolyzers met waterstof op hele hoge druk te laten werken, omdat er ook dan meer waterstof door het membraan heen lekt. Maar daar komt dus nu misschien verandering is.

De oplossing: beheers de ‘gap’

Om alkaline elektrolyzers flexibeler te maken, en te zorgen dat ze veilig kunnen meebewegen met een variabele stroom door de elektrodes, willen we dus het waterstof-lek beheersen. De afstand tussen het membraan en de kathode is daarbij heel belangrijk, de zogenaamde ‘gap’.

In het verleden is al onderzoek gedaan naar deze gaps bij de elektroden. Die onderzoeken richtten zich voornamelijk op de efficiëntie van de elektrolyse. En die efficiëntie is het grootst bij een zero-gap aan de kathode.

Flexibeler en zonder ontploffingsgevaar

Maar als er geen gap is, heb je juist te maken met veel gas dat zich door het membraan beweegt. Dit heeft te maken met een hoge oververzadiging van waterstof dichtbij het membraan. Oververzadiging is het fenomeen dat je ook ziet in bier en koolzuurhoudende frisdrank als je de fles openmaakt. Die oververzadiging moet dus omlaag, als je wilt zorgen dat je elektrolyzer flexibeler wordt, zonder explosiegevaar.

De Groot: “Daarom heeft Rodrigo Lira Garcia Barros, promovendus en eerste auteur van het artikel, tijdens zijn promotieonderzoek systematisch onderzoek gedaan naar het effect van de grootte van de gap. En dan met name naar het effect op de hoeveelheid waterstof dat zich door het membraan beweegt, als ook de prestaties van de elektrolyzer.”

Lira Garcia Barros werd geholpen door masterstudent Joost Kraakman, die een model ontwikkelde voor het lekken van het waterstof en ook de onderzoeksopstelling ontwierp. De meeste metingen zijn vervolgens uitgevoerd door bachelorstudent Carlijn Sebrechts.

“En dan blijkt dat juist met een kleine, maar meetbare gap aan de kathode we het lekken van waterstof door het membraan enorm kunnen verlagen. En dat met een acceptabel verlies in prestaties! Zodat je uiteindelijk onder de streep een functionelere en vooral flexibelere elektrolyzer overhoudt”, zegt de Groot.

Het moet mogelijk zijn om alkaline elektrolyzers te ontwerpen die een hogere belastingflexibiliteit hebben door gebruik te maken van bestaande commerciële elektrodes en membranen.

Rodrigo Lira Garcia Barros, promovendus aan de TU/e

Bewijs

“Dat is de conclusie van onze wetenschappelijke analyse, dus nu is het tijd voor de volgende stap: het bouwen van een proof-of-concept. Dat gaan we dus ook doen in ons lab. Daarmee kunnen we naar verwachting bewijzen dat een flexibele elektrolyzer schaalbaar is naar de industrie.”

Een schaalbare elektrolyzer kun je vervolgens ook in verschillende groottes maken. Denk aan hele grote als je inzet op centrale energieopslag, zoals nu ook energiecentrales centraal functioneren op ons net. Of juist kleiner als je de pieken in stroomopwekking op wijk- of windmolenparkniveau wilt opvangen.

“Het moet mogelijk zijn om alkaline elektrolyzers te ontwerpen die een hogere belastingflexibiliteit hebben door gebruik te maken van bestaande commerciële elektrodes en membranen”, besluit Lira Garcia Barros.

Ik dacht een paar jaar geleden dat we geen superflexibele alkaline elektrolyzer zouden kunnen maken, maar dat is ons ook gelukt. Dan kunnen we deze uitdaging ook aan.

Thijs de Groot, universitair hoofddocent Sustainable Process Engineering

Een volgende stap: hogedruk elektrolyse

De Groot vertelt enthousiast verder over een nieuw Europees project dat ook aan de TU/e van start gaat: hogedruk elektrolyse. “De waterstof die vrijkomt bij elektrolyse, is een gas. Maar gas is pas efficiënt te gebruiken, op te slaan en vervoeren als het onder voldoende hoge druk wordt opgeslagen.”

“Nu hebben we daar nog een compressor voor nodig naast de elektrolyzer. Dat zijn dure, luidruchtige en onbetrouwbare apparaten. Dus, wat als we een elektrolyzer zouden kunnen maken die de waterstof meteen op hoge druk levert?”

“Ik dacht een paar jaar terug dat dat niet zou kunnen, net zoals ik dacht dat we geen superflexibele alkaline elektrolyzer zouden kunnen maken. Dat laatste is ons ook gelukt, dus ik heb heel veel zin om weer met promovendi en studenten aan deze nieuwe uitdaging te gaan werken.”

‘Impact of an electrode-diaphragm gap on diffusive hydrogen crossover in alkaline water electrolysis’ van Thijs de Groot et al verscheen op 25 oktober 2023 in het International Journal of Hydrogen Energy, (2023). (https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.09.280)