Waterstofelektrolyse

Op dit moment is elektrolyse de meest commercieel ontwikkelde technologie voor de productie van waterstof. Elektrolyse is een optimistische werkwijze voor koolstofvrije waterstofproductie uit hernieuwbare en nucleaire bronnen. Waterelektrolyse is de ontleding van water (H2O) in zijn basiscomponenten, waterstof (H2) en zuurstof (O2), door middel van 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. Bij dit proces wordt elektrische energie gebruikt 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 elektrolytische systemen werken door het transport van hydroxide-ionen (OH-) door de elektrolyt van de kathode naar de anode, waarbij waterstof wordt gegenereerd aan de kathodezijde. Elektrolytische cellen werken bij 100°-150°C en gebruiken een vloeibare alkalische oplossing van natrium- of kaliumhydroxide (KOH) als elektrolyt. In dit proces worden de anode en de kathode van elkaar gescheiden door middel van een membraan dat vermenging voorkomt. Aan de kathode wordt water gesplitst tot H2 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 betrekkelijk laag en is de stabiliteit lang gewaarborgd. Er is echter een overslag van gassen waardoor de zuiverheidsgraad in het gedrang 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 elektrolysers met een lage temperatuur (LTE). Elektrolysers op basis van vaste oxiden (SOE) worden echter elektrolysers op hoge temperatuur (HTE) genoemd. Deze technologie bevindt zich nog in een ontwikkelingsstadium. In SOE wordt vast keramisch materiaal gebruikt als elektrolyt dat bij hoge temperaturen negatief geladen zuurstofionen (O2-) geleidt, waardoor op een iets andere manier waterstof wordt gegenereerd. Bij een temperatuur van ongeveer 700°-800°C combineert stoom aan de kathode met elektronen uit het externe circuit om waterstofgas en negatief geladen zuurstofionen te vormen. De zuurstofionen passeren het vaste keramische membraan en reageren aan de anode om zuurstofgas te vormen en elektronen te genereren voor het externe circuit. Voordelen van deze technologie zijn dat ze een hoge warmte- en energie-efficiëntie combineert met lage emissies tegen een relatief lage kostprijs. Door de hoge warmte- en energiebehoefte duurt de opstarttijd 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.