De energietransitie vereist dat we vooral vooruit kijken, naar de toekomst. Hoe kan het anders, beter? Soms kan het helpen juist een blik te werpen op de geschiedenis. Deze zomer duikt Energeia in de historie en diept enkele geschiedenissen op met een verrassend actueel tintje. Vandaag in deze zomerserie: de industriële elektrolyser.
De mega- en gigawatts vliegen je de laatste tijd om de oren, als het gaat om plannen voor de productie van groene waterstof, zowel in Nederland als daarbuiten. Het ene theoretische record is nog niet gevestigd, of een andere ontwikkelaar belooft een nog groter project. De huidige koploper is Hydrogen City. Een project van 60 GW in -hoe kan het ook anders- Texas. Daar is immers everything bigger. In theorie dan, want er is nog niks definitief en zelfs de relatief bescheiden eerste fase van de fabriek (2 GW) staat er sowieso niet voor 2026.
Waterelektrolyse en chloor-alkali
Elektrolyse wordt niet alleen gebruikt voor de productie van groene waterstof. Chemiebedrijven gebruiken het ook bijvoorbeeld voor de productie van chloor uit zout.
In het eerste geval spreek je over waterelektrolyse. Heel simpel gezegd jaag je een elektrische stroom door een bak met zoet water, waardoor waterstof en zuurstof ontstaat. In het tweede geval doe je hetzelfde met een bak zout water, en ontstaat naast waterstof en zuurstof ook chloor en natronloog. Dat proces heet chloor-alkali.
Voor de laatste toepassingen zijn de bestaande elektrolysers (vooralsnog) groter dan voor waterelektrolyse. In Nederland heeft chemiebedrijf Nobian bijvoorbeeld een chloor-alkali-elektrolyser van 200 MW in de Botlek. Ter vergelijking: de grootste waterelektrolyser is nu nog een pilotproject van Alliander en GroenLeven in Oosterwolde (1,4 MW).
De plannen staan in contrast tot de grootte van de huidige elektrolysers voor groene waterstof. In februari opende de Ningxia Boafeng Energy Group uit China er een van 150 MW, waarmee het de titel “grootste ter wereld” overnam van de waterstoffabriek van Air Liquide (20 MW) in Canada.
Wat niet iedereen weet, is dat het wereldrecord nog altijd in handen is van de Egyptenaren. Bij de Aswandam startten zij in 1959 de bouw van 203 MW aan elektrolysecapaciteit, om waterstof te produceren voor kunstmestfabriek Kima. Twee decennia later kreeg de productiefaciliteit nieuwe modules, waarmee het totale vermogen afnam tot (nog altijd) 144 MW. De fabriek hield het tot in deze eeuw uit, tot bevolkingsgroei de Egyptische overheid dwong de elektriciteit uit de waterkrachtcentrale een andere bestemming te geven.
De Aswan-fabriek is niet uniek. De afgelopen eeuw ontstond een klein aantal van dit soort waterstoffabrieken op verschillende plekken in de wereld, van Zimbabwe (95 MW) tot Peru (23 MW) en van India (136 MW) tot Canada (78 MW). In alle gevallen ging het om elektrolysers die aangesloten waren op waterkrachtcentrales. Ze produceerden waterstof voor vaste afnemers in de kunstmest- en chemische industrie, en in sommige gevallen ook zwaar water voor de nucleaire industrie. Geen van hen hield het vol, omdat waterstofproductie op basis van aardgas nu eenmaal goedkoper was.
De Noren waren de eerste die op grote schaal te werk gingen. Al in 1928 plaatste Norsk Hydro een elektrolyser van 165 MW bij de waterkrachtcentrale in Rjukan, voor de productie van kunstmest. Twintig jaar later deden ze het kunstje nog eens dunnetjes over in Glomfjord (160 MW). Norsk Hydro is de voorloper van kunstmestbedrijf Yara, dat ook een grote vestiging heeft in Sluiskil. De centrales bleven in bedrijf tot respectievelijk de jaren tachtig en negentig.
Ontwikkeling pas net begonnen
Opvallend is dat grote technische verbeteringen de afgelopen eeuw uitbleven voor elektrolysers op industriële schaal, zegt Thijs de Groot. Hij is technology developer bij groenewaterstofbedrijf HyCC en associate professor aan de TU Eindhoven, gespecialiseerd in elektrochemische technologie.
Het gevolg is dat sommige waterelektrolysers die vandaag gebouwd worden nog altijd gebaseerd zijn op modellen uit de tijd van de T-Ford, zegt hij. Ook de productiemethoden zijn nauwelijks veranderd. “Elektrolysers worden nog altijd grotendeels handmatig gebouwd. Elke cel wordt handmatig op de volgende geplaatst.”
De reden hiervoor is dat het goedkoper was om waterstof te maken met aardgas dan met elektrolyse, zegt de onderzoeker. “Er was gewoon geen markt voor waterelektrolyse, dus bedrijven investeerden weinig in R&D”, zegt hij. “Dat begint pas recent op gang te komen.”
De ontwikkeling van de waterelektrolyser pruttelde dus honderd jaar lang voort, afgezien van een korte fase in de jaren zeventig en tachtig, toen de belofte van bijna gratis energie uit kerncentrales leidde tot een opleving in het onderzoek. Rond deze ook tijd werd de PEM-techniek ontwikkeld, naast de bestaande alkaline technologie. PEM staat voor polymer electrolyte membrane, en werd mogelijk gemaakt door de uitvinding van het membraan door de Nasa, die het gebruikte om elektriciteit te maken middels brandstofcellen in ruimtevaartuigen.
“Sommige elektrolysers die vandaag gebouwd worden, zijn nog altijd gebaseerd op modellen uit de tijd van de T-Ford”
Thijs de Groot, technology developer bij HyCC.
De ramp in Tsjernobyl betekende een abrupt einde van het optimisme, waarna de ontwikkeling van de elektrolyser wederom op de pruttelstand ging. De laatste opleving is pas van het tweede decennium van deze eeuw, toen groene waterstof kwam bovendrijven als middel om klimaatverandering tegen te gaan, en bovendien zonne-en windenergie steeds goedkoper werden. Voor het eerst worden er ook elektrolysers machinaal in elkaar gezet. “We zien eindelijk de eerste stappen op het gebied van standaardisering en automatisering”, aldus De Groot.
Incrementele verbeteringen
Is er dan verder helemaal niks veranderd sinds de tijd van de T-Ford? Dat ook weer niet. Een belangrijke reden daarvoor waren de chloor-alkali-elektrolysers (zie eerste kader) voor de productie van onder meer chloor, waarvoor wel een markt was. Verbeteringen in dit type elektrolyser, konden deels ‘vertaald’ worden naar waterelektrolyse.
De Groot: “Het is een soort constante incrementele ontwikkeling geweest. Elk onderdeel van de elektrolyser is met kleine stapjes verbeterd, van de kathode via het membraan tot het celontwerp. Dat heeft geleid tot een drie à vier keer hogere stroomdichtheid en 20% meer efficiëntie.” In de praktijk betekent een hogere stroomdichtheid dat je met één elektrolyser meer waterstof kan produceren, een hogere efficiëntie betekent minder elektriciteit per ton geproduceerde waterstof.
De markt voor chloorproductie is aanzienlijk minder groot dat de toekomstige markt voor groene waterstof, is de verwachting. Wereldwijd staat er opgeteld voor zo’n 20 GW aan chloor-alkali-elektrolysers opgesteld, goed voor 70.000.000 ton chloor op jaarbasis. Dat vermogen is een derde van wat Hydrogen City van plan is in één waterstofproject in Texas.
Een grotere markt betekent: schaalvoordelen die voorheen niet haalbaar waren. Die gelden niet zozeer voor de elektrolyser zelf, als hart van de groenewaterstoffabriek, maar wel voor andere onderdelen zoals gasvloeistofafscheiders, compressoren en koelinstallaties.
De Groot voorspelt dat de ontwikkeling van waterelektrolyse in de toekomst veel sneller zal gaan, met name in de EU. “De EU heeft de meest ambitieuze klimaatdoelen en vertaalt die in een politiek om elektrolysers te ontwikkelen. Daarvoor is veel funding beschikbaar.”
In stapjes ontwikkelen
Hij benadrukt dat het niet slim zou zijn om op korte termijn al fabrieken op gigawatt-schaal te bouwen in een poging die schaalvoordelen te benutten. Zelf richt HyCC zich in eerste instantie op het project Djewels in Delfzijl, met aanvankelijk een elektrolyser van 20 MW en “vrij snel daarna” een tweede elektrolyser van 40 MW. Daarna liggen er al plannen voor waterstoffabrieken van 100 MW, 250 MW en 500 MW.
“Zo behoudt je de mogelijkheid om te optimaliseren. We denken dat we wel ongeveer weten welke materialen we moeten gebruiken, maar er valt echt nog wel het nodige te verbeteren om tot goedkopere en betrouwbaardere fabrieken te komen. Bijvoorbeeld bij het design van de fabriek en de manier hoe we de fabriek moeten opereren. Wat meespeelt is dat de toeleverende industrie zo de kans krijgt om stapsgewijs mee te groeien. Een compressorbouwer heeft ook de tijd nodig om uit te vinden hoe hij het beste kan opschalen.”
Waarop inzetten?
De afgelopen jaren zijn er verschillende elektrolysetechnieken ontwikkeld. Naast alkaline en PEM, zijn dat solid oxide en AEM (anion exchange membranes), een soort combinatie van alkaline en PEM. Het is te vroeg om te zeggen welke techniek de waterstofmarkt in de toekomst gaat domineren, zegt De Groot. Zelf acht hij het goed mogelijk dat de gebruikte techniek af gaat hangen van de omstandigheden.
Alkaline zou het werkpaard kunnen worden in grootschalige opwekinstalaties waar ruimte geen gebrek is, zoals in de woestijn. Deze techniek is namelijk niet zo compact en kan moeilijker omgaan met flexibele stroomtoevoer. PEM, en zijn jongere zusje AEM, zijn flexibeler en compacter en lijken daarom beter toegerust voor bijvoorbeeld offshore-windinstallaties. Solid oxide lijkt dan weer het meest geschikt om de chemie van een basislast te voorzien, aangezien deze techniek het voordeel heeft van een optimale warmte-integratie.
Met name PEM en solid oxide zijn dan weer afhankelijk van de (beperkte) beschikbaarheid van respectievelijk iridium en zeldzame aardmetalen. En voor AEM en solid oxide geldt dat de technieken alleen nog maar bewezen zijn in kleinschalige installaties.