Waterstofelektrolyse

Momenteel is de meest commercieel ontwikkelde technologie om waterstof te produceren de elektrolyse. Elektrolyse is een optimistische koers voor koolstofvrije waterstofproductie uit hernieuwbare en nucleaire bronnen. Waterelektrolyse is de ontbinding van water (H2O) in zijn basiscomponenten, waterstof (H2) en zuurstof (O2), door het passeren van elektrische stroom. Water is een volledige bron voor de productie van waterstof en het enige bijproduct dat tijdens het proces vrijkomt is zuurstof. Dit proces gebruikt elektrische energie die vervolgens kan worden opgeslagen als chemische energie in de vorm van waterstof.

Wat is het proces?

Om waterstof te produceren, zet elektrolyse elektrische energie om in chemische energie door elektronen op te slaan in stabiele chemische bindingen. Net als brandstofcellen bestaan elektrolytische cellen uit een anode en een kathode die van elkaar gescheiden zijn door een waterig elektrolyt, afhankelijk van het soort elektrolyt dat wordt gebruikt en de ionische stoffen die het geleidt. De elektrolyt is een verplicht onderdeel, aangezien zuiver water niet voldoende lading kan geleiden omdat het geen ionen bevat. Aan de anode wordt water geoxideerd tot zuurstofgas en waterstofionen. Aan de kathode wordt water gereduceerd tot waterstofgas en hydroxide-ionen. Momenteel zijn er drie belangrijke elektrolysetechnologieën.

Alkalische elektrolyseapparaten (AEL)

Deze technologie wordt al meer dan 100 jaar op industriële schaal toegepast. Alkalische elektrolysers werken via het transport van hydroxide-ionen (OH-) door de elektrolyt van de kathode naar de anode, waarbij waterstof aan de kathodezijde wordt gegenereerd. Bij 100°-150°C gebruiken elektrolysers een vloeibare alkalische oplossing van natrium- of kaliumhydroxide (KOH) als elektrolyt. In dit proces worden de anode en de kathode gescheiden door een membraan dat vermenging voorkomt. Aan de kathode wordt water gesplitst totH2 en komen hydroxide-anionen vrij die door het diafragma gaan om te recombineren aan de anode waar zuurstof wordt geproduceerd. Aangezien dit een gevestigde technologie is, zijn de productiekosten relatief laag en is de stabiliteit langdurig. Er is echter een cross-over van gassen, waardoor de zuiverheidsgraad in gevaar kan komen, en er moet een corrosieve vloeibare elektrolyt worden gebruikt.

Polymeer-elektrolytmembraanelektrolyse (PEM)

Het polymeer-elektrolytmembraan is de nieuwste technologie die commercieel wordt gebruikt om waterstof te produceren. In een PEM-elektrolyser is de elektrolyt een vaste speciale kunststof. PEM-elektrolysers werken bij 70°-90°C. In dit proces reageert het water aan de anode tot zuurstof en positief geladen waterstofionen (protonen). De elektronen stromen door een extern circuit en de waterstofionen bewegen selectief over de PEM naar de kathode. Aan de kathode combineren de waterstofionen zich met elektronen uit het externe circuit tot waterstofgas. In vergelijking met AEL zijn er verschillende voordelen: de zuiverheid van het productgas is hoog bij een gedeeltelijke belasting, het systeemontwerp is compact en het systeem reageert snel. De kosten van de onderdelen zijn echter hoog en de duurzaamheid is gering.

Vaste oxide elektrolytische cellen (SOE)

AEL- en PEM-elektrolysers staan bekend als Lage Temperatuur Elektrolysers (LTE). Elektrolyser met vaste oxide (SOE) staat echter bekend als Elektrolyser bij hoge temperatuur (HTE). Deze technologie is nog in ontwikkeling. In SOE wordt vast keramisch materiaal gebruikt als elektrolyt, dat negatief geladen zuurstofionen (O2-) bij hoge temperaturen geleidt en op een iets andere manier waterstof genereert. Bij een temperatuur van ongeveer 700°-800°C combineert stoom aan de kathode met elektronen uit het externe circuit tot waterstofgas en negatief geladen zuurstofionen. De zuurstofionen passeren het vaste keramische membraan en reageren aan de anode tot zuurstofgas en genereren elektronen voor het externe circuit. Het voordeel van deze technologie is dat zij een hoge warmte- en energie-efficiëntie combineert met lage emissies tegen relatief lage kosten. Door de hoge warmte- en energiebehoefte duurt het opstarten echter langer.

Waarom wordt waterstof beschouwd als een alternatieve brandstof?

Waterstof wordt beschouwd als een alternatieve brandstof onder de Energy Policy Act van 1992. Waterstof die via elektrolyse wordt geproduceerd kan, afhankelijk van de bron van de gebruikte elektriciteit, broeikasgasemissies van nul opleveren. Deze technologie wordt nagestreefd om samen te werken met hernieuwbare (wind, zon, waterkracht, geothermische) en kernenergie-opties, zodat de uitstoot van broeikasgassen en andere verontreinigende stoffen vrijwel nihil is. De kosten van dit type productie zullen echter aanzienlijk moeten worden verlaagd om te kunnen concurreren met meer volwassen koolstofgebaseerde procédés zoals aardgasreforming. Er is potentieel voor synergie met de opwekking van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen. De productie van waterstofbrandstof en elektriciteit kan worden gedistribueerd en bij windmolenparken worden ondergebracht, zodat de productie flexibel kan worden verschoven om de beschikbaarheid van hulpbronnen zo goed mogelijk af te stemmen op de operationele behoeften van het systeem en op marktfactoren.