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

Carlijn Sebregts, Rodrigo Lira Garcia Barros en Thijs de Groot bekijken de opstelling van de alkaline elektrolyzer in het lab van de TU/e. Foto: Vincent van den Hoogen

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.

juist de betaalbare en duurzame alkaline elektrolyzers vinden het lastig 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.”

“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.

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.”