Bouwen aan basis onder groene waterstofeconomie

Groene waterstof als basis voor de transitie naar een duurzame energievoorziening en chemische industrie. Dat is de visie die het Nationaal Groeifonds-programma Groenvermogen NL nastreeft. Onlangs is hierbinnen het HyPRO-project van start gegaan, dat zich richt op de productie van groene waterstof. De TU/e gaat als één van de 58 partners in dit project op vier terreinen nieuwe kennis ontwikkelen.

Bron: EIRES / Sonja Knols

Waterstof wordt gezien als een belangrijke component in de energie- en grondstoffentransitie: het lichte gas kan gebruikt worden om duurzaam opgewekte energie tijdelijk in op te slaan en als bouwstof voor een chemische industrie die niet gebaseerd is op fossiele grondstoffen.

Groenvermogen NL, een innovatieprogramma dat 838 miljoen euro ontvangt vanuit het Nationaal Groeifonds, wil een nationaal ecosysteem opzetten voor groene waterstof en groene chemie in Nederland. Het totale programma omvat zeven werkpakketten, die onder andere gaan over het transport, de opslag en het gebruik van waterstof.

Waterstof maken

“Maar het begint allemaal met het maken van waterstof”, zegt Niels Deen, hoogleraar Multiphase and Reactive Flows aan de faculteit Mechanical Engineering. Deen was samen met enkele andere TU/e-collega’s aanwezig bij de zogeheten sandpit, een meerdaagse bijeenkomst waarin universiteiten, kennisinstellingen, overheid en bedrijven samen het HyPRO-project hebben vormgegeven.

Van water naar waterstof

Het ontleden van water in waterstof en zuurstof met behulp van met zonnepanelen en windmolens opgewekte elektriciteit is een logische route als je denkt aan waterstofproductie, zegt Thijs de Groot, universitair hoofddocent in de elektrochemische procestechnologie aan de faculteit Chemical Engineering and Chemistry.

“Electrolysers voor het ontleden van water bestaan allang op grote schaal. Alleen worden deze nu nog aangedreven door een continue stroombron, zoals een waterkrachtcentrale. Als we het hebben over groene waterstof moeten we overstappen op elektriciteit uit zon en wind. Deze stroombronnen zijn grillig: je hebt de ene keer een grote aanvoer van elektriciteit, en de andere keer wellicht helemaal niets.”

“In het HyPRO-project kijken we dan ook onder andere wat deze hortende stroomaanvoer doet met de werking van de electrolyser. Welke processen zorgen voor de degradatie die we in de praktijk zien als we een electrolyser vaak aan- en uitschakelen? En hoe kunnen we de opbrengst van het ontleedproces verbeteren?”

Electrolyzer at Eindhoven University of Technology, Photo © Bart van Overbeeke

Open oproep

Het HyPRO-project is op een unieke manier tot stand gekomen, vertelt Deen. “In dit geval is er een open oproep geweest aan iedereen die denkt iets aan dit onderwerp te kunnen bijdragen. We zijn letterlijk een paar dagen met zestig mensen samen op de hei gaan zitten om het programma op hoofdlijnen vorm te geven.”

Gezamenlijk is besloten dat de 17 onderzoeksinstellingen en 41 bedrijven gaan samenwerken binnen vijf programmalijnen. Hiervan gaan er vier in op verschillende technologieën om waterstof te maken, en de vijfde lijn behandelt de vraag hoe waterstof kan worden ingepast in het energiesysteem en de chemische industrie van de toekomst.

Meerwaarde EIRES

Het feit dat de TU/e onderzoek op het gebied van de energietransitie heeft samengebald in EIRES heeft zeker geholpen om de Eindhovense universiteit bij de juiste onderwerpen aan tafel te krijgen, stelt Deen.

“Wij hadden van tevoren al een goed beeld van wie waaraan werkt binnen onze eigen universiteit. Het feit dat je als onderzoeker los kunt komen van je eigen kennis en bij zo’n bijeenkomst echt namens de hele universiteit kunt spreken, is voor mij een duidelijke meerwaarde van zo’n interdisciplinair instituut.”

De TU/e is binnen het vijftig miljoen euro tellende HyPRO-project betrokken bij het onderzoek naar drie verschillende manieren om waterstof te maken, en bij het systeemintegratie-aspect.

Wie doet wat

Deen: “Er is heel veel groene stroom nodig om groene waterstof te maken. Dat betekent dat je ergens een gigantische netbelasting gaat krijgen. Collega’s bij de faculteit Electrical Engineering, onder leiding van Koen Kok, gaan kijken wat de meest logische manier is om dit in te passen in het net, bijvoorbeeld door een waterstofproductielocatie te combineren met een offshore windpark.”

“Als het gaat om de gebruikte technologieën is er een project bij de faculteit Applied Physics and Science Education onder leiding van Adriana Creatore over nieuwe materialen voor katalysatoren die het productieproces efficiënter kunnen maken.”

“Bij de chemische faculteit gaat Thijs de Groot kijken naar alkaline electrolysers en Toni Forner-Cuenca naar poreuze elektrodes. En Maike Baltussen van de faculteit Chemical Engineering and Chemistry en Yali Tang van mijn eigen groep bij Mechanical Engineering gaan zich richten op het simuleren van electrolysers."

“In totaal zullen we binnen HyPRO twee promovendi en vier postdocs kunnen aannemen”, vat Deen samen.

Electrolysers optimaliseren

“Eén van de onderzoeksonderwerpen binnen HyPRO valt naadloos samen met het onderzoek binnen mijn groep”, zegt De Groot. “Wij bestuderen alkaline electrolysers om hun levensduur, waterstofopbrengst en flexibiliteit te vergroten.”

“Binnen HyPRO willen we onder andere toewerken naar een goed protocol om op een standaardmanier nieuwe ontwerpen, materialen en componenten voor electrolysers te testen. Zodat je snel uitspraken kunt doen over de te verwachten prestaties van een systeem op de lange termijn.”

De perfecte membraan

De Groot kijkt in zijn onderzoek ook naar de verschillende onderdelen waaruit de electrolyser bestaat, met het doel het systeem te optimaliseren. “We kijken bijvoorbeeld naar de membranen die de geproduceerde waterstof en zuurstof uit elkaar moeten houden.”

“Als zo’n membraan te dik is, is de elektrische weerstand in de electrolyser groter. Als gevolg hiervan wordt er minder waterstof geproduceerd. Maar is het te dun, dan laat het waterstofgas door, waardoor je een explosief mengsel kunt krijgen.”

“De uitdaging van electrolysers is dat alles met alles samenhangt; het ultieme optimum vinden is dan ook lastig. De eerste stap is dus uitzoeken aan welke knoppen we op welke manier moeten draaien om het proces geschikt te maken voor grootschalige en economisch rendabele productie van groene waterstof.”

Dat is ook het doel van het HyPRO-onderzoek dat uitgevoerd zal worden in de groep van Deen, vertelt hij. “In een electrolyser ontstaat waterstof in de vorm van belletjes. Maar die belletjes introduceren een extra elektrische weerstand. Met simulaties gaan we in kaart brengen hoe het ontwerp en gebruik van de electrolyser deze weerstand beïnvloedt, met als uiteindelijk doel om de efficiëntie van het proces te verhogen.”

Researcher Lira Garcia Barros. Photo © Bart van Overbeeke

Meest kansrijke technologie

Hoewel er meerdere manieren zijn om waterstof te maken, denkt De Groot dat alkaline elektrolyse de beste papieren heeft.

“Andere technologieën zijn afhankelijk van zeldzame materialen of zijn significant duurder. Daarom is de kans best groot dat de bulkproductie via alkaline water electrolysers zal zijn. Ik geloof in die technologie, anders zou ik er ook niet aan werken. Maar er valt nog een hoop aan te verbeteren. Groene waterstof is nu nog schreeuwend duur, dat helpt niet bij het grootschalig implementeren ervan.”

En die grootschaligheid is wel nodig, rekent De Groot snel voor. “Het begint natuurlijk met de vraag: ‘Hoe groot wordt groene waterstof?’. Dat gaan we niet in auto’s stoppen, maar vooral gebruiken voor de industrie, om bijvoorbeeld chemicaliën en groen staal te maken, feitelijk voor alles wat niet te elektrificeren valt.”

“Dan heb je veel waterstof nodig: we voorzien nu dat we terawatt aan electrolysers nodig hebben in 2050. We zitten nu op 1 tot 2 gigawatt capaciteit. Dat betekent dat we een factor duizend moeten opschalen.”

Snel netwerk bouwen

Om die ontwikkeling te versnellen, is het zaak om onderzoek en bedrijfsleven dicht bij elkaar te brengen, denken zowel Deen als De Groot. Een initiatief als Groenvermogen NL is daarvoor onontbeerlijk.

Deen: “Het goede aan het sandpit-proces was dat de wetenschap en het bedrijfsleven gedwongen werden om echt naar elkaar te luisteren en samen te ontdekken welke vragen er leven, en welke handvaten er zijn om deze te kunnen beantwoorden.”

“Doordat we met 58 partijen fysiek bij elkaar zijn gekomen, hebben we in hele korte tijd een netwerk opgebouwd. Het feit dat je meteen een gezicht hebt bij een bedrijf maakt het veel makkelijker om elkaar ook voor andere vragen op te zoeken.”

“Hoewel ik zelf uit het bedrijfsleven kom en al veel partijen ken, zijn er binnen HyPRO voor mij ook nieuwe partners betrokken, zoals Battolyser Systems en AVOXT”, voegt De Groot toe.

“Daarnaast is het consortium heel breed: er zitten leveranciers van complete electrolysers bij, maar ook partijen die membranen leveren en die stacks bouwen. Dat heb je ook nodig als je een technologie wilt ontwikkelen die snel in de markt terecht kan komen en een echt verschil kan maken.”

Waterstof als regionale competentie

Als onderdeel van Groenvermogen NL komt er ook een programma dat investeert in Human Capital op het terrein van de waterstofeconomie, kondigt De Groot aan.

“In dit kader komt er drie miljoen euro naar de Brainportregio. Bij HyPRO zijn al negen bedrijven uit de regio betrokken, die met name in de maakindustrie actief zijn. In het Human Capital-programma hopen we uiteindelijk een waterstof competence center van de grond te krijgen in Eindhoven. Het zou niet meer dan logisch zijn om daarin ook de regionale bedrijven te betrekken waarmee we samenwerken binnen HyPRO.”