Groene waterstof produceren is nog altijd relatief duur. Onderzoekers van het Israëlische Technion hebben een elektrochemisch proces ontwikkeld dat de kosten mogelijk kan drukken. Hun systeem produceert niet alleen waterstof, maar tegelijkertijd een waardevolle grondstof voor de chemische industrie. Beide reacties halen een efficiëntie van 98 procent.
Groene waterstof geldt als een belangrijke bouwsteen voor het verduurzamen van onder meer de staalindustrie en chemische sector. Toch blijft grootschalige toepassing lastig. De productie met hernieuwbare elektriciteit is doorgaans duurder dan het maken van waterstof uit aardgas.
Onderzoekers van het Technion – Israel Institute of Technology hebben daarom een andere aanpak gekozen. In plaats van uitsluitend de waterstofproductie te verbeteren, richten ze zich op wat er aan de andere kant van de elektrolyser gebeurt. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.
Geen zuurstof, maar een waardevolle chemische grondstof
Bij traditionele waterelektrolyse wordt water met elektriciteit gesplitst in waterstof en zuurstof. Die zuurstof levert doorgaans weinig economische meerwaarde op. Het onderzoeksteam onder leiding van professor Avner Rothschild en onderzoeker Guilin Ruan vervangt de gebruikelijke zuurstofproductie door de vorming van een epoxide.
Epoxiden zijn reactieve chemische verbindingen die onder meer worden gebruikt bij de productie van kunststoffen, coatings, lijmen en geneesmiddelen. Het voordeel is duidelijk: één elektrochemisch proces levert twee commercieel bruikbare producten op. De verkoop van de chemische grondstof kan daardoor mogelijk een deel van de waterstofproductiekosten compenseren.
Opvallend hoge efficiëntie van 98 procent
De onderzoekers rapporteren voor zowel de waterstofproductie als de epoxidesynthese een faradische efficiëntie van 98 procent. Dat betekent dat vrijwel alle elektrische lading wordt benut voor de gewenste reacties.
Dat is een belangrijk onderscheid: 98 procent faradische efficiëntie betekent niet dat 98 procent van de toegevoerde elektrische energie wordt omgezet in bruikbare producten. Daarvoor zijn ook de benodigde spanning en het totale energieverbruik bepalend. Volgens het team is bovendien een stroomdichtheid bereikt die geschikt lijkt voor industriële elektrolyse.
Elektrolyse zonder scheidingsmembraan
Een tweede bijzonderheid is dat het systeem zonder traditioneel scheidingsmembraan werkt. De technologie bouwt voort op eerder onderzoek waarbij de elektrochemische deelreacties van elkaar worden losgekoppeld. Daarbij speelt een zogenoemde redoxmediator een belangrijke rol: een stof die elektronen kan opnemen en afstaan.
Door elektroden, oplosmiddel, mediator en procesomstandigheden gezamenlijk te optimaliseren, konden de onderzoekers de twee producten efficiënt vormen. Een eerdere technologie uit dezelfde onderzoeksgroep wordt al gecommercialiseerd door waterstofbedrijf H2Pro.
Kan dit groene waterstof echt goedkoper maken?
De economische potentie is interessant, maar er zijn nog belangrijke onzekerheden. De opbrengst hangt niet alleen af van de elektrolyser, maar ook van de prijs van de gebruikte grondstoffen, de zuiverheid van het geproduceerde epoxide en de kosten van productafscheiding. Bovendien moet er voldoende vraag zijn naar de chemicaliën.
Een hoge efficiëntie in het laboratorium garandeert dus nog geen lagere waterstofprijs op industriële schaal. Ook de levensduur van het systeem en de prestaties bij langdurig gebruik moeten worden aangetoond. De onderzoekers hebben inmiddels een Amerikaanse octrooiaanvraag ingediend.
De belangrijkste innovatie zit daarmee niet alleen in efficiëntere elektrolyse, maar vooral in een andere economische benadering: waterstofproductie combineren met chemische productie, zodat dezelfde installatie twee inkomstenbronnen kan opleveren.
