Eindhovense vinding brengt opslag van zonne-energie via elektrolyse dichterbij

Groene waterstof is een van de kanshebbers om een duurzame-energiedrager te worden om bijvoorbeeld wind- en zonne-energie op te slaan tijdens piekproductie en weer te gebruiken wanneer de zon niet schijnt en het windstil is.

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

Onderzoek onder leiding van Thijs de Groot van de TU/e lijkt daar nu verandering in te brengen. ‘Alkaline elektrolyzers kun je maken met relatief goedkope grondstoffen, wat ze heel geschikt maakt als duurzame keuze’, vertelt de universitair hoofddocent Sustainable Process Engineering. ‘Daarom wilde ik juist daar onderzoek naar doen. Om te bekijken of we die geschikt kunnen maken voor flexibele energieopslag.’

Waterstoflek
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 elektrolyzer worden een kathode en een anode in een zoutoplossing geplaatst met daartussenin een membraan. Als men 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 door een waterstoflek.

Explosief mengsel
Het gevaar zit erin dat de waterstof door het membraan heen lekt en aan de zuurstofkant terechtkomt, ook wel hydrogen cross-over genoemd. Als de hoeveelheid waterstof in de zuurstof groter wordt dan 4 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.

Op volle kracht
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 heel hoge druk te laten werken, omdat er ook dan meer waterstof door het membraan heen lekt. Maar daar komt dus nu misschien verandering in.

De Groot: ‘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 waterstoflek 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.’

Zonder ontploffingsgevaar
Maar als er geen gap is, heeft men juist te maken met veel gas dat zich door het membraan beweegt. Dit heeft te maken met een hoge oververzadiging van waterstof dicht bij het membraan. Oververzadiging is het fenomeen dat ook te zien is in bier en koolzuurhoudende frisdrank als de fles opengemaakt wordt. Die oververzadiging moet dus omlaag om de elektrolyser zonder explosiegevaar flexibeler te maken.

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 die zich door het membraan beweegt, alsook de prestaties van de elektrolyzer.’

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

De Groot: ‘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.’

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’, vervolgt De Groot. ‘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 kan vervolgens ook in verschillende groottes gemaakt worden. Een heel grote als ingezet wordt op centrale energieopslag of juist kleiner als de pieken in stroomopwekking op wijk- of windmolenparkniveau opgevangen moeten worden. ‘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.