Groene waterstof wordt wel als de Heilige Graal van de energietransitie beschouwd. Elektrolysers, gevoed door duurzame stroom uit windparken en zonnevelden, zetten dan water in zuurstof en waterstof om. Cruciale componenten in elektrolysers zijn echter zeldzame edelmetalen als platina en, vooral, iridium. Onderzoekers van Universiteit Twente hebben nu een duurzaam composiet zonder zeldzame metalen ontwikkeld dat factoren beter presteert dan de afzonderlijke verbindingen. Daarover publiceerden ze in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano.
De transitie naar een emissieloze samenleving kan niet zonder opslag. Het stijgende aanbod aan duurzame wind- en zonnestroom is, per definitie, nogal grillig en zorgt voor steeds meer overschotten en tekorten. Opslag van duurzame energie, zowel thermisch als elektrisch, is essentieel om die fluctuaties te minimaliseren of, in elk geval, binnen de perken te houden. Batterijen, mobiel en stationair, doen dat slechts voor korte tijd. Anders wordt het met groene waterstof. Onder hoge druk kan je dat opslaan in bestaande zoutcavernes of lege gasvelden wanneer er weinig aanbod van wind- en zonnestroom is. Invoeding in het aardgasnetwerk is een andere optie. Ook kan je waterstof, op termijn, gebruiken voor decarbonisatie van de zware industrie die veelal op hoge temperaturen werkt (> 800 °C) en waar directe elektrificatie niet tot de mogelijkheden behoort.
Twee sporen
Aan opwek van groene waterstof kleven wel enkele bezwaren. Zoiets valt alleen te doen met elektrolysers. Op dit moment is het totale vermogen van elektrolysers slechts klein, zo’n 200 MW wereldwijd, maar de EU wil in 2030 al 40 GW installeren, een groeispurt van vele duizenden procenten. De meest efficiënte elektrolysers van vandaag, gebaseerd op zogenaamde PEM-technologie, maken echter gebruik van zeldzame en dure materialen (CRM’s), waardoor deze opschaling wordt belemmerd. Sara Wieclawska, onderzoeker bij TNO, vergeleek het eens met een wandeltocht door de Serengeti vlakte (huidige acties) naar de Kilimanjaro (beschikbaarheid): ‘een cruciale grondstof in het actieve deel van de PEM elektrolyser is iridium. We merken het nog niet omdat de vraag slechts langzaam stijgt maar na verloop van tijd zijn we bij de Kilimanjaro aangekomen, en schiet de vraag de lucht in.’ Prohibitief hoge kosten zorgen er vervolgens voor dat productie van elektrolysers stilvalt en de energietransitie hapert.
Om die komende grondstoffencrisis te overwinnen, staan er, in essentie, twee sporen open: het volume CRM’s in PEM-elektrolysers verminderen en hun efficiëntie nog verder opkrikken of andere materialen ontwikkelen die geen gebruik maken van CRM’s (zoals platina en, vooral, iridium). Op dit moment zijn zulke materialen alleen mogelijk in alkalische elektrolysers. Die zijn bij industriële toepassingen meer ingeburgerd maar iets minder efficiënt dan PEM-elektrolysers.
TNO volgt het eerste spoor. De onderzoeksinstelling is al meer dan twee jaar bezig met het zogenaamde sALD (spatial Atomic Layer Deposition), een nieuwe technologie waarbij ze extreem dunne laagjes platina en iridium door middel van verdamping aanbrengen op een poreuze laag van titanium dat beter de elektronen geleid. Volgens de onderzoeksinstelling is daarvoor tweehonderd keer minder iridium als grondstof nodig terwijl de performance, vergeleken met de huidige elektrolysers, tussen de 25% en 46% ligt.
Het andere spoor wordt gevolgd door een internationaal consortium vanuit Universiteit Twente dat onder meer samenwerkt met het KIT (Karlsruhe Institut für Technologie) en het Berkeley National Laboratory (Californië). Het onderzoeksteam ontwikkelde een composietmateriaal op basis van lanthaan, zuurstof en vijf componenten die ruimschoots in de aardkorst voorkomen: nikkel, ijzer, mangaan, chroom en kobalt. Hoewel lanthaan in historisch opzicht een CRM wordt genoemd, komt het maar liefst drie keer zoveel als lood in de aarde voor (CRM slaat op dit moment vooral op het ingewikkelde, langdurige en kostbare winningsproces). In legeringen kan lanthaan grote hoeveelheden waterstof opslaan, tot wel vijfhonderd keer van zijn eigen volume.
Rechts: Gemeten activiteit voor de watersplitsingsreactie voor het nieuwe materiaal met hoge entropie en de moederverbindingen.
Verrassing
Op dit moment zijn er vier soorten elektrolysers in ontwikkeling of op de markt: SOEC (vast oxide), AEM (anion exchange membrane), PEM (Proton Exchange Membrane) en Alkaline. Elk van deze elektrolysers heeft zijn eigen karakteristieken. SOEC, met een keramiek als elektrolyt, opereert bij hoge temperaturen (tussen 800 °C en 1100 °C), maar zit momenteel vooral in de ontwikkelingsfase. AEM heeft als grote hobbel de beperkte levensduur van het membraan. PEM en Alkaline elektrolysers lopen gelijk op qua ontwikkeling en marktintroductie: PEM elektrolysers zijn weliswaar vrij compact maar hebben altijd CRM’s voor cruciale componenten nodig. Bij Alkaline, de meest ontwikkelde maar minder efficiënte elektrolyser, is dat niet het geval. De onderzoekers van Universiteit Twente richtten zich daarom op dat laatste.
‘In tegenstelling tot de huidige technologieën maken wij gebruik van hoge entropie materialen met aanvullende elementen’, licht universitair docent en assistent professor dr. Christoph Baeumer toe. Vanuit de vakgroep IMS (Inorganic Materials Science) van de UT leidde hij het onderzoek naar katalysatoren die uit vijf verschillende metaaloxideverbindingen zijn opgebouwd. ‘Wij passen die daarna in bestaande alkaline systemen toe. Materialen met een hoge entropie staan al jaren in de belangstelling van onderzoekers in de wereld van de nanotechnologie. Een combinatie van diverse overgangsmetalen in één materiaal zou kunnen leiden tot betere prestaties en verbeterde stabiliteit voor een breed scala aan toepassingen. We hadden het nieuwe idee om deze ook te testen op hun katalytische eigenschappen, wat nu ook wordt nagestreefd door onderzoekers over de hele wereld. ‘
De uitkomsten van de eerste testen voor katalytische activiteit was een verrassing voor de onderzoekers. ‘Wij verwachtten matige activiteit voor deze nieuwe materiaalklasse’, zegt de teamleider, ‘en testten het, samen met onze partners van KIT, vooral uit wetenschappelijke nieuwsgierigheid. Daaruit kwam naar voren dat die activiteit aanmerkelijk hoger was. Terwijl traditionele composieten het verwachte gedrag vertoonden, presteerde de combinatie aanzienlijk beter dan haar moederverbindingen: de activiteit bleek maar liefst 17 tot 680 keer hoger. Omdat alle monsters in dezelfde vorm op een epitaxiale laag zijn gekweekt, duiden de resultaten op een intrinsieke samenstelling-functierelatie. Röntgenfoto-emissiestudies onthulden een synergetisch effect van gelijktijdige oxidatie en reductie van de overgangsmetalen. In een notendop: de activiteit van de nieuwe composiet is veel beter dan de som van de afzonderlijke materialen.’
Opschalen
Iets aantonen op laboratoriumschaal is een ding, het toepassen in een industriële omgeving daarentegen een totaal andere zaak. Het combineren van verschillende overgangsmetalen is complex, zeker als de elektrolysers aan een keur van veiligheidsnormen en standaarden moeten voldoen. Momenteel wil UT, samen met academische en industriële partners, een consortium optuigen voor meer fundamenteel onderzoek dat alternatieve routes inslaat.
‘In principe’, gaat hij door, ‘kunnen we ook andere overgangsmetalen als nikkel en ijzer als materiaal toepassen. Aan de zijde van de anode levert dit nieuwe composiet een verbeterde cel-efficiency van circa twee procent op. Voor alkaline elektrolysers is dat aanzienlijk. De kosten voor de ruwe grondstoffen zijn vergelijkbaar. Met enige aanpassingen en verder wetenschappelijk onderzoek heeft deze combinatie de potentie om veel beter te presteren dan de huidige alternatieven.’
Begin van ontwikkeling
Intussen gaat de zoektocht naar overgangsmetalen voor elektrolysers in hoog tempo door. De hele onderzoekswereld, van de VS en de EU tot in Australië, heeft zich op compacte, kostenefficiënte materialen met hoge rendementen van elektrolysers gestort. Zo ontwikkelden Belgische onderzoekers van Imec en KU Leuven een superporeus nanomateriaal dat, vergeleken met gewone nikkel-elektrodes, vele malen stroomsnelheden kan verwerken bij dezelfde energie-efficiency. En in ‘Down Under’ zet de Technische Universiteit van Queensland in op goedkope alternatieven als kobalt en nikkel voor een stabiele, functionele katalysator. De zoektocht naar goed en steeds beter presterende elektrolysers zonder CRM’s is nog maar net begonnen. Het eind van dit decennium zal klaarheid brengen, dan moet er een geheel nieuwe waterstofketen voor huishoudens en (zware) industrie zijn opgetuigd.
