Opslag groene energie via elektrolyse

Stapje dichterbij dankzij kleine kathodegap

Groene waterstof lijkt een van de kanshebbers om een duurzame-energiedrager te worden. Zo zouden we er prima zon- en windenergie mee kunnen opslaan op de pieken, en weer gebruiken wanneer ze zon niet schijnt en het windstil is.

Daarvoor zijn er wel elektrolyzers nodiger, die efficiënt en flexibel kunnen omgaan met de fluctuaties in stroomaanbod. De elektrolyzers die dat al kunnen, gebruiken echter kostbare en zeldzame grondstoffen voor hun elektroden zoals bijvoorbeeld platina en iridiumoxide, terwijl de betaalbaardere alkaline elektrolyzer niet flexibel kan werken.

Hier lijkt een team TU/e-onderzoekers onder leiding van Thijs de Groot (Chemical Engineering & Chemistry) nu wat op gevonden te hebben.

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.

Lastig flexibel aanbod

De betaalbare en duurzame alkaline elektrolyzers kunnen niet goed omgaan met een flexibel aanbod aan elektriciteit.

Thijs de Groot, universitair hoofddocent Sustainable Process Engineering bij TU/e: “Alkaline elektrolyzers kun je maken met relatief goedkope grondstoffen, wat deze heel geschikt maakt als een duurzame keuze. Daarom wilde ik bekijken of we deze geschikt kunnen maken voor flexibele energieopslag.”

Lees ook dit interview: 'HyCC wil groot worden in groene waterstofproductie'

Uitdaging: hydrogen crossover

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 daarop voldoende spanning zet, gaat er stroom lopen en vormt zich bij de kathode waterstof (H₂) en aan de anode zuurstof (O₂). De functie van het membraan is om de waterstof gescheiden te houden van de zuurstof.

Geen enkel membraan slaagt hierin perfect. 'Hydrogen cross-over' – het lekken van waterstof naar de zuurstofkant – vindt altijd wel wat plaats maar wordt gevaarlijk als de waterstof aan de zuurstofkant boven de vier procent uitstijgt, want dan ontstaat een explosief mengsel.

Het lekken van waterstof 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.

Oplossing: houd ‘gap’ onder controle

Om alkaline elektrolyzers flexibeler te maken en ervoor te zorgen dat ze veilig kunnen meebewegen met een variabele stroom door de elektrodes dient de hydrogen crossover onder controle te worden gehouden. 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 gapgrootte. 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 een functionelere en vooral flexibelere elektrolyzer overhoudt”, zegt de Groot.

Bewijs

“De volgende stap is het bouwen van een proof-of-concept in ons lab. Daarmee kunnen we hopelijk bewijzen dat een flexibele elektrolyzer schaalbaar is naar de industrie. 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.

Een volgende stap: hogedruk elektrolyse

De Groot vertelt enthousiast verder over een nieuw Europees project dat ook aan de TU/e van start gaat: hogedrukelektrolyse. “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.”

“Traditioneel vereist dit een compressor naast de elektrolyzer, maar dit zijn dure, luidruchtige en onbetrouwbare apparaten. Het doel is dus om een elektrolyzer te maken die de waterstof meteen op hoge druk levert.”

‘Impact of an elektrode-diaphragm gap on diffusive hydrogen crossover in alkaline water electrolysis’ van Thijs de Groot et al verschijnt in het International Journal of Hydrogen Energy, (2023).

Bron: TU/e