SeaHydrogen: drievoudig win-win-systeem voor waterstofproductie uit zeewater

Het is rijksbeleid om de komende jaren groot in te zetten op de productie van waterstof. Tot nu toe is onderbelicht gebleven dat dit gepaard gaat met heel veel watergebruik. Onder het concept SeaHydrogen ontwikkelt Wageningen University & Research een geïntegreerd systeem van watertechnieken dat waterstofproductie uit zeewater deels circulair combineert met nevenproductie van zuiver water, mineralen en elektriciteit.

Hoe sla je meerdere vliegen in een klap? Een prachtig staaltje daarvan is het SeaHydrogen technologieconcept van het onderzoeksprogramma Circular Water Technologies aan Wageningen University & Research. Hierin komen meerdere zelfstandige vragen en oplossingen bij elkaar. “Onze eerste interesse is natuurlijk watertechnologie”, vertelt Irma Steemers-Rijkse, programmaleider van het onderzoek waaraan ook de senior-wetenschappers Norbert Kuipers en Jolanda van Medevoort een belangrijke bijdrage leveren. “We zagen dat aan de grote ambities voor waterstof een probleem met watergebruik zit. Door daarvoor een oplossing te bedenken, kwamen we uit op een driestappenconcept voor een betere inzet van waterstofproductie met electrolysers.”

De regering heeft de doelstelling neergelegd om in 2032 te beschikken over een productiecapaciteit voor waterstof van 750.000 ton per jaar. Hiervoor benodigde electrolysers slurpen dan 8 GW aan (groene) stroom op. Daar komt veel restwarmte bij vrij, wat koeling vergt. Bij zowel overheid als energiebedrijven is tot nu toe buiten beeld gebleven in welke mate electrolysers water gebruiken, voor zowel voeding als koeling. “Bij een productiecapaciteit van 8 GW moet je denken aan 11 miljoen kubieke meter zuiver water, alleen al voor de voeding van de electrolyser”, zegt Steemers-Rijkse. “Dat is ongeveer 1% van de drinkwaterproductie. Over die hoeveelheid hebben wij best een grote zorg, want de laatste jaren trad er in sommige zomers al een tekort aan zoet water en drinkwater op. Zeewater daarentegen is onbeperkt beschikbaar en dus voor elektrolyse een goede vervanger van kostbaar zoet water en drinkwater.”

Met zeewater in ons geïntegreerde systeem is de waterbehoefte van electrolysers geen probleem maar een oplossing.”

Irma Steemers-Rijkse (Wageningen University & Research)

Electrolysers en andere industriële installaties werken met gedemineraliseerd, zuiver water, ook wel bekend als puur of ultrapuur water. De productie van zuiver water uit (zee)water gebeurt nu veelal met omgekeerde osmose (RO). Door het opbouwen van hoge druk (60-70 bar) wordt de (osmotische) druk veroorzaakt door het zout (25-30 bar) overwonnen en worden watermoleculen door het membraan geperst.

Aan RO kleven echter twee nadelen. Ten eerste verbruikt de hogedrukpomp veel elektriciteit. Ten tweede is er een reststroom aan pekelwater, het zogenaamde brijn. Bovendien is het brijn vervuild met chemicaliën (o.a. polymeren en fosfonaten), die aan het RO-proces toegevoegd worden ter voorkoming van scale (kalkafzetting). Onder meer in het Midden-Oosten en Zuid-Spanje wordt RO op grote schaal toegepast om zoet water te maken uit zeewater. Brijn wordt tot nu toe in zee geloosd.

Stap 1: zuiver water maken

Het SeaHydrogen-concept koppelt een alternatief voor RO, namelijk membraandestillatie, aan een electrolyser. Membraandestillatie (MD) is een technologie van de onderzoeksgroep Separation & Purification die in 2018 van TNO naar de WUR is verhuisd. MD werkt niet met druk en verbruikt daarom maar heel weinig stroom. Ook komen er geen chemicaliën aan te pas. Er is alleen warmte nodig om water te laten verdampen en daarvoor gebruik je de restwarmte van het elektrolyseproces. Bij condensatie van de waterdamp komt deze warmte weer vrij en ook die kan weer worden hergebruikt.

De technologie van membraandestillatie om zuiver water te maken en hier subsequent waterstof van te maken, is onder de projectnaam SEA2H2 met succes in praktijk aangetoond in samenwerking met Hydron Energy, vertelt Steemers-Rijkse. “Met de proefinstallatie op Texel is bewezen dat het systeem werkt.”

Twee Nederlandse bedrijven bieden MD-technologie aan als op zichzelf staande kleinschalige oplossing voor zuiver water. “Tot nu is het probleem met MD geweest dat je er toch flink wat warmte in moet stoppen, dat maakt het voor grootschalig gebruik onrendabel. Met laagwaardige en dus goedkope restwarmte wordt het echter wel interessant. MD heeft bij ons gedraaid op 80 °C maar wij weten dat het ook bij 60 °C kan.”

Binnen het SeaHydrogen-systeem stroomt een deel van het met membraandestillatie geproduceerde zuivere water als voeding terug naar de electrolyser. Er kan met de restwarmte van de electrolyser echter veel meer zuiver water worden geproduceerd dan de electrolyser nodig heeft. Deze overtollige waterstroom kan worden benut voor drinkwaterproductie (na remineraliseren) of, wat nu wellicht nog rendabeler is, direct worden gebruikt in industrie en landbouw. Dat scheelt kostbaar drinkwater of het gebruik van schaarse zoetwaterbronnen. De hoeveelheid extra zuiver water die als onderdeel van SeaHydrogen kan worden geproduceerd is significant. Berekeningen komen uit op 1 tot 3 procent van de jaarlijkse drinkwaterproductie.

Membraandestillatie is overigens ook uitstekend toepasbaar bij andere processen die laagwaardige restwarmte opleveren, tekent de programmaleider aan. “Datacentra bijvoorbeeld, want het is nogal pijnlijk dat die nu voor koeling enorme hoeveelheden zoet water en zelfs drinkwater gebruiken. Het zou winst zijn als datacentra hun restwarmte met een MD-installatie gaan benutten om zuiver water te maken. Volgens onze berekening is dat economisch haalbaar.”

Stap 2: mineralen winnen

De tweede stap tackelt het probleem van brijn, de zoute reststroom, die met MD ontstaat. Bij gebruik van zeewater heeft MD nog een belangrijk voordeel ten opzichte van RO: met de laatste techniek is per gewicht zeewater slechts vijftig procent zuiver water te winnen en met de eerste techniek negentig procent. Omgekeerd betekent dit dat het brijn bij MD ook een stuk geconcentreerder is.

Met een hybride variant van MD, membraandestillatiekristallisatie (MDC), worden uit het brijn mineralen (zouten) teruggewonnen. Eerst wordt de zoutstroom nog verder geconcentreerd, waar vervolgens een kristallisatieproces op losgelaten wordt. Opnieuw levert de electrolyser de benodigde warmte. “Bij kristallisatie voegen we een relatief kleine hoeveelheid van een beter oplosbaar zout toe om een grote hoeveelheid van het aanwezige zout eruit te drukken. Met bijvoorbeeld magnesiumchloride als zo’n antisolvent klapt natriumchloride, keukenzout, eruit.”

Dit Combrine-concept is echt nieuw en wordt nu door WUR-onderzoeksinstituut Wageningen Food & Biobased Research als pilotproject opgestart in samenwerking met drie bedrijven met een afvalwaterstroom: Circular Infra Partners, dat de afvalwaterzuivering op chemiepark Chemelot verzorgt; aardappelverwerker Aviko en zoutwinningsbedrijf Nobian.

Daarnaast bestaat de mogelijkheid om ook andere mineralen dan keukenzout uit brijn te winnen, met name lithium en magnesium. “We moeten het brijn daarvoor nog sterker opconcentreren tot er nog maar 1% van het oorspronkelijke volume over is. Dit is de bron van het zogenaamde bitterzout. Minen van lithium uit zeewater is op zichzelf onrendabel, maar wij zeggen: Als je om een andere reden toch al bezig bent met opconcentreren, dan wordt het winnen van lithium misschien toch rendabel. Dat zal moeten blijken. We kijken verder of we met hetzelfde trucje ook andere mineralen uit het brijn kunnen drukken met gebruik van oplosbaarheidsreeksen van andere zouten.”

Stap 3: elektriciteit opwekken

De afvalwarmte van de electrolyser is dermate overvloedig dat die ook na stap 2 nog niet opgebruikt is. Met deze nu nog resterende afvalwarmte wordt elektriciteit opgewekt. Dit gebeurt met een aangepaste MD-configuratie, met gebruikmaking van een ander uniek procesconcept, onder de naam MemPower. Met de warmte kan destillaat onder druk worden geproduceerd. Deze druk drijft vervolgens een turbine aan. De opgewekte stroom kan worden teruggeleid naar de electrolyser.

Het potentieel aan stroomopwekking via MemPower binnen het SeaHydrogen-concept is indrukwekkend: uitgaande van 8 GW elektrolysecapaciteit heb je het over de opbrengst van elf grote windmolens (11 x 10 MW). Dan is een deel van de restwarmte ook nog gebruikt voor het maken van zuiver water. “Uit de wetenschappelijke literatuur is bekend dat dit concept energetisch één van de meest efficiënte manieren is om elektriciteit uit restwarmte te maken.”

Verschillende scenario’s

Het driestappensysteem van SeaHydrogen is flexibel en daardoor zijn passende keuzes mogelijk. Zo gaat de opwekking van stroom uit warmte deels ten koste van de productie van zuiver water. “Je kunt ’s winters, als er geen zoetwaterschaarste is, kiezen voor meer stroomopwekking en minder waterproductie. In de zomer kies je juist voor de omgekeerde configuratie. We hebben een tabel opgesteld voor verschillende scenario’s. Uiteraard is het ook mogelijk om de mineralenwinning ertussenuit te halen. Althans, zolang we vinden dat brijn in zee gestort kan worden. In Spanje wordt dit inmiddels wel als een milieuprobleem opgevat, want lokaal ontstaat een te hoge zoutconcentratie die het marine leven aantast. Je krijgt een Dode Zee-effect. Naar aanleiding van onze publicatie over SeaHydrogen is er vanuit Spanje dan ook al interesse getoond.”

Met de geïntegreerde SeaHydrogen-technologie wordt de beoogde grootschalige waterstofproductie verduurzaamd en verrijkt door benutting van de eigen restwarmte. “Maar we hebben het zeker niet over een perpetuum mobile”, brengt Steemers-Rijkse een relativering aan. “Aan de voorkant moet er gewoon energie ingestopt worden. Wat wij hebben gedaan is verder kijken dan de bestaande technologieën en in plaats van die lineair te gebruiken ze met elkaar te verbinden. Voor de commerciële toepassing is er nog wel een andere belangrijke factor: de prijs van restwarmte ten opzichte van de stroomprijs. Dat heeft het naar de markt brengen van MD tot nu toe opgehouden: het was onrendabel. Het benutten van restwarmte is gewoon ook een kwestie van cascadering: welk gebruik geeft het meeste rendement? Als dat voor woningen is, moeten we dat doen. Maar wij zien dat electrolysers voldoende restwarmte gaan leveren.”

Onshore of offshore

De keuze voor grootschalige waterstofproductie is uiteraard ook een politieke en vervolgens is het aan energiebedrijven om er in te investeren. Wat de locaties betreft moeten de met MD- en MDC-technologie geïntegreerde electrolysers bij voorkeur aan de kust worden gebouwd. “Aan de ene kant heb je het zeewater dichtbij en aan de andere kant kun je het zuivere water makkelijk afvoeren. Offshore electrolysers zijn echter ook nadrukkelijk in beeld. Nadeel daarvan is dat je voor koeling van de installatie met zeewater dure materialen moet gebruiken om voldoende corrosiebestendig te zijn.”

Het SeaHydrogen-systeem stapelt voordelen op elkaar. Waterstofproductie zonder verbruik van schaars zoet water. Nevenproductie van zuiver (zoet) water en elektriciteit, deels circulair terugvloeiend in het productieproces en (deels) anders benut. Met als bonus de winning van mineralen, wat tegelijk een oplossing is voor het milieuvervuilende brijn. De basistechnologie is bewezen, er resten alleen op onderdelen nog enkele stappen naar commerciële toepasbaarheid.

Om schaarste aan zoet water in overeenstemming te brengen met de ambitie van grootschalige waterstofproductie krijgt de overheid met SeaHydrogen een aantrekkelijk en misschien wel cruciaal alternatief voor de huidige lineaire aanpak voorgeschoteld. Steemers-Rijkse: “We staan in contact met de ministeries waarbij we het waterprobleem onder de aandacht brengen. Wij geven de ministeries mee: zet die electrolysers aan de kust en laat ze zeewater gebruiken. Met zeewater in ons geïntegreerde systeem is de waterbehoefte van electrolysers geen probleem maar een oplossing.”