“Ja, vrienden, ik geloof dat water ooit als brandstof zal worden gebruikt, dat de waterstof en zuurstof waaruit het bestaat, afzonderlijk of samen, een onuitputtelijke bron van warmte en licht zullen vormen, met een kracht waar steenkool niet kan aan tippen”. Aan het woord is het hoofdpersonage in L'Île Mystérieuse, een roman van Jules Verne uit 1874. De vader van de sciencefiction beschreef als eerste een maatschappij waarin fossiele brandstoffen vervangen worden door duurzame brandstoffen. In realiteit is waterstof geen zelfstandige bron van energie, maar een energiedrager. Vooraleer je uit waterstof elektriciteit, warmte of beweging kunt genereren zal je die waterstof eerst moeten produceren met behulp van een energiebron.
Intussen zijn er meerdere golven van vooruitgangsoptimisme gepasseerd waarin het meest voorkomende element in het universum als wonderoplossing werd voorgesteld. In de jaren 70, toen waterstof als brandstof in raketten werd gebruikt, begon men bijvoorbeeld al te fantaseren over auto’s met een brandstofcel op waterstof. Vandaag surfen overheden en bedrijven op een nieuwe waterstofgolf. In Europa zijn de ambities torenhoog. “The stars are made of hydrogen, so let’s reach for the stars”, speechte Frans Timmermans, vicevoorzitter van de Europese commissie, eind vorig jaar op de Europese waterstofweek. Om klimaatneutraal te kunnen worden tegen 2050 wil Europa het energiesysteem volledig hertekenen. Waterstof moet er tegen 2030 een intrinsiek onderdeel van worden. Ook de Vlaamse en federale regering hebben een waterstofstrategie uitgekiend.
‘In de transport-, staal- en cementindustrie bestaat er geen duurzaam alternatief voor groene waterstof’
Aangewakkerd door publieke en private investeringen schieten de waterstofinitiatieven als paddenstoelen uit de grond. De omslag lijkt deze keer niet meer te stoppen. In tegenstelling tot in de vorige golven is de introductie van groene waterstof niet langer een verre droom maar een directe noodzaak. Al zijn de verwachtingen bijgesteld over de sectoren waarin waterstof absoluut nodig is. “Het is belangrijk dat we daarin de juiste keuzes maken”, benadrukt professor energietechnologie Bart Vermang (imec/UHasselt/EnergyVille). “Het is geen goed idee om groene waterstof te verspillen als brandstof voor auto’s of om huizen mee te verwarmen. Als je rechtstreeks elektriciteit kan gebruiken, met zonnepanelen, warmtepompen en elektrische wagens, is dat bijna altijd efficiënter. Maar om koolstofneutraliteit te bereiken in sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals langeafstandstransport of de staal-en cementindustrie, bestaat er geen alternatief voor groene waterstof.”
Van grijze naar groene waterstof
In de chemische industrie en de staalindustrie wordt nu voornamelijk een beroep gedaan op ‘grijze’ waterstof, geproduceerd door stoomreforming van methaan. Bij dit proces worden aardgas en stoom op hoge temperatuur samengevoegd en ontstaat niet alleen waterstof, maar ook CO2. ‘Groene’ waterstof daarentegen wordt geproduceerd door elektrolyse van water. Wie zich de chemieproefjes uit de middelbare school herinnert, weet wat er gebeurt wanneer je twee metalen plaatjes (elektroden) onderdompelt in water en aansluit op een spanningsbron. Er ontstaan bubbeltjes. Onder invloed van elektrische stroom ontstaat een beetje waterstofgas bij de negatieve pool en een beetje zuurstofgas bij de positieve.
Een industriële elektrolyser gebruikt hetzelfde principe. Het zijn grote machines die opgebouwd zijn uit honderden in serie geschakelde elekrolysecellen met telkens twee elektroden, soms tot wel twee meter breed. Aan elke cel wordt groene waterstof geoogst, maar dat gebeurt nog niet efficiënt genoeg.
Vandaag wordt voor amper vijf procent van de wereldwijde waterstofproductie gebruik gemaakt van elektrolyse. Volgens het Internationaal Energieagentschap wordt de uitbreiding van de elektrolysercapaciteit essentieel om groene waterstof goedkoper te maken dan fossiele brandstoffen. “Met stoomreforming betaal je ongeveer twee euro per kilogram waterstof. Met elektrolyse ligt die kost nog ongeveer drie keer hoger, afhankelijk van de schaal. Dat heeft niet alleen te maken met de efficiëntie van het proces, maar ook met de kosten van de stroom, de distributiekosten en het gebrek aan schaalvoordeel”, verklaart Bart Onsia, business development manager voor de activiteiten rond energie-omzetting bij imec/EnergyVille. “Ik ben ervan overtuigd dat we elektrolysers veel compacter en efficiënter kunnen maken, waardoor de kosten voor groene waterstofproductie zullen dalen.”
Er is een wereldwijde race aan de gang naar de beste technologieën voor de productie en opslag van groene waterstof. Europa loopt in die race voorop, stelde het Internationaal Agentschap voor Hernieuwbare Energie begin dit jaar in een rapport over de geopolitieke aspecten van de energietransformatie. Een van de grootste bouwers van elektrolysers is de Luikse groep John Cockerill. Zij maken zogenaamde alkaline-elektrolysers. Andere bedrijven specialiseren zich dan weer in het ontwerp van zogenaamde PEM-elektrolysers. Die laatste zijn kleiner en efficiënter, maar zijn duurder in aankoop.
'Er zijn veel gelijkenissen tussen een elektrolyser en een batterij'
“Wij ontwikkelen in Vlaanderen nieuwe technologieën om het beste van beide werelden te combineren”, vertelt Philippe Vereecken, wetenschappelijk directeur energie-omzetting bij imec/EnergyVille en deeltijds hoogleraar bij de Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen aan de KU Leuven. Prof. Vereecken doet daarvoor een beroep op de expertise in nanotechnologie bij imec die hij eerder ook al heeft aangewend voor innovatie in het onderzoek naar vastestofbatterijen. “Er zijn veel gelijkenissen in technologie en materialen voor een elektrolyser en een batterij. In se zijn het allebei elektrochemische cellen met twee elektrodes die gescheiden zijn door een membraan.”
In de elektrolysecel is het membraan nodig om ionen door te laten zonder dat de geproduceerde gassen vermengd geraken. Het waterstofgas en zuurstofgas mogen zeker niet in elkaars buurt komen, want dat zou een explosief mengsel opleveren. Het geproduceerde gas moet ook zo snel mogelijk weggeleid worden, want het mag het water niet wegduwen van de elektroden. De cruciale reactie in een elektrolysetoestel speelt zich dus af aan het oppervlak van de elektroden, waar drie aggregatietoestanden – vast, vloeibaar en gasvormig - met elkaar in contact komen.
Een imec-onderzoeker test een proefopstelling van een elektrolysecel in het lab
De kracht van nanotechnologie voor groene waterstof
Aangezien de efficiëntie bepaald wordt door elektrochemische reacties die aan een oppervlak plaatsvinden, beschik je maar beter over een zo groot mogelijk oppervlak. Je hebt dus een materiaal nodig met een ontzettend grote oppervlakte per volume-eenheid. Enkele jaren geleden ontwikkelde het team van prof. Vereecken een ‘nanomesh’ dat over precies deze eigenschap beschikt. Wat kunnen we ons daarbij voorstellen? “Vergelijk twee emmers, de ene gevuld met tennisballen, de andere met zandkorrels”, vertelt hij. “In de emmer met zandkorrels zal een grotere oppervlakte per volume-eenheid aanwezig zijn, maar lucht zal gemakkelijker bij de tennisballen raken dan bij de zandkorrels. Met het nanomesh zijn we erin geslaagd om een heel groot effectieve oppervlakte te creëren terwijl we een open structuur konden bewaren. Wanneer we een frisdrankblikje volledig met dit nanomesh zouden opvullen, dan zou dat blikje de oppervlakte van een voetbalveld bevatten en toch nog steeds voor drie kwart uit lucht bestaan.”
Het nanomesh, dat er onder de microscoop uitziet als een driedimensionaal kippengaas, lijkt dus een veelbelovend materiaal om elektrolysecellen compacter en efficiënter te maken. De afstand tussen de elektrodes kan nog kleiner gemaakt worden door er dunnere membranen tussen te plaatsen. “Hoe meer stroom je door een elektrolysecel stuurt, hoe meer waterstof er gevormd wordt, maar ook hoe sneller de verliesstromen gaan oplopen. Dat laatste kunnen we vermijden door alles te miniaturiseren”, legt Philippe Vereecken uit. De expertise van imec in vastestofelektrolyten wordt hiervoor gecombineerd met die van VITO rond membranen. De twee Vlaamse onderzoekscentra, die al partners waren binnen EnergyVille, bundelen nu verder de krachten om de efficiëntie van de elektrolysetechnologie gevoelig op te drijven.
Het nanomesh is een veelbelovend elektrodemateriaal om elektrolysecellen compacter en efficiënter te maken.
“De meerwaarde van het nanomesh is intussen al bevestigd in experimenten op laboschaal, in de cleanroom van imec”, zegt Bart Onsia. De volgende stap bestaat erin om dat ook te demonstreren in een marktklaar elektrolyseplatform. Voor de doorontwikkeling en opschaling van de technologie werd vorig jaar Hyve opgericht, een nieuw bedrijf waarin imec en VITO samenwerken met vier Belgische industriële spelers. De bedoeling erachter is dat Bekaert het nanomesh later op grote schaal zal produceren, dat de John Cockerill Group de technologie zal integreren in zijn elektrolysers, dat DEME met die elektrolysers wind- en zonne-energie zal omzetten in groene waterstof en dat de Colruyt Group de toepassingen voor duurzaam transport zal onderzoeken.
In ‘Power-to-Molecules’, een onderzoeksprogramma van imec/EnergyVille, ligt de focus al veel verder dan waterstof. “De technologie die we nu ontwikkelen voor groene waterstof, kan ook ingezet worden om andere groene moleculen te maken”, zeg Bart Onsia. “Uit waterstof en CO2 kan je koolwaterstoffen maken die waardevol zijn voor de chemische industrie, zoals methanol of methaan. Vandaag gebeurt dat nog in twee stappen. Maar waarom zouden we eerst groene waterstof maken en het daarna combineren met CO2 als we het in een elektrolyser in één stap kunnen doen?”, blikt Bart Onsia vooruit. “Of we zouden in de toekomst stikstof meteen kunnen omzetten in stoffen die nuttig zijn voor de landbouw, bijvoorbeeld ammoniak voor kunstmest.”
Lees meer over Power-to-Molecules
Om de waterstofeconomie volledig op gang te trekken, zijn drie ingrediënten tegelijk nodig: de onderzoeksexpertise om efficiëntere elektrolysetechnologie te ontwikkelen, de directe betrokkenheid van bedrijven die behoefte hebben aan groene waterstof en tot slot een overaanbod aan groene energie om die gigantische hoeveelheden waterstof te genereren. Alleen de eerste twee elementen zijn hier ruimschoots aanwezig. De energie die in Europa opgewekt wordt zal in de eerste plaats nodig zijn voor de sectoren die direct geëlektrificeerd kunnen worden. Voor indirecte elektrificatie zullen Europese landen grote hoeveelheden groene waterstof moeten inschepen uit landen met veel zonneschijn, stelt het Internationaal Agentschap voor Hernieuwbare Energie. België heeft daarvoor al samenwerkingsakkoorden gesloten met Namibië, Chili en Oman. “Onze regio kan met zijn havens een strategisch toegangspunt vormen om groene moleculen te importeren naar het Europese hinterland”, meent Bart Onsia.
Zonnebrandstof
We denken ook best al na over de materialen die in die opkomende markten gebruikt kunnen worden. “Ze moeten duurzaam en efficiënt zijn. En we kunnen maar beter geen materialen gebruiken die weinig voorradig zijn”, zegt prof. Bart Vermang. Imo-imomec, de imec-onderzoeksgroep aan de UHasselt waaraan Vermang verbonden is, heeft een mooi trackrecord opgebouwd in het materiaalonderzoek voor de ontwikkeling van tandemzonnecellen. “Het is een enorm voordeel dat we onze fotovoltaïsche expertise nu kunnen gebruiken in ons onderzoek naar groene waterstof”, zegt Vermang. “Om de elektrochemische reactie in een elektrolyser efficiënt te laten doorgaan is bijvoorbeeld een hoog spanningsverschil nodig. We kunnen onze tandemzonnecellen nu gaan afstellen om precies het spanningsverschil te leveren dat de hoogste efficiëntie oplevert.”
De UHasselt verkent bovendien nog twee andere onderzoekspaden om groene waterstof te produceren: foto-elektrochemie en fotokatalyse. “In plaats van eerst zonlicht om te zetten in elektriciteit en daarna elektriciteit om te zetten in waterstof zou je het in één stap kunnen proberen. We kunnen water ook splitsen in zuurstof en waterstof door rechtstreeks zonlicht te gebruiken. Dat gebeurt bijvoorbeeld in foto-elektrochemische cellen, een variant van zonnecellen, maar vandaag is de omzettingsefficiëntie nog te laag om marktklaar te zijn. Het verbeteren van die efficiëntie begint opnieuw met het aanpassen van de materialen”, zegt Vermang. Om al het materiaalonderzoek rond groene moleculen op laboschaal te demonstreren en dichter bij de industrie te brengen, wordt in Diepenbeek momenteel een Green Hydrogen Lab opgebouwd.
'Alle ervaring en technologie die we ontwikkeld hebben voor batterijen en zonnecellen, kunnen we nu gaan inzetten in het onderzoek naar groene moleculen. Daardoor starten we met een enorme voorsprong'
“Alle ervaring en technologie die we ontwikkeld hebben voor batterijen en zonnecellen, kunnen we nu gaan inzetten in het onderzoek naar groene moleculen. Daardoor starten we met een enorme voorsprong”, zegt Bart Onsia. “Ik verwacht dat de exponentiële groei en kostenreductie die we nu zien in zonnecellen en batterijen ook mogelijk wordt voor waterstof.” Vorig jaar verscheen een invloedrijke paper waarin economen van de University of Oxford die exponentiële groei in kaart brengen. Ze zien daarin een soort veralgemening van de wet van Moore, die iedere twee jaar een verdubbeling van het aantal transistoren op een microchip voorspelt. De technologische vooruitgang heeft de massaproductie van steeds goedkopere en geavanceerdere microchips mogelijk gemaakt. De economen voorspellen dat een gelijkaardig scenario zich zal voltrekken voor vier technologieën: zonnepanelen, windmolens, batterijen en elektrolysers. “Als deze exponentiële groei in zon, wind, batterijen en elektrolysers zich nog tien jaar doorzet dan wordt een energiesysteem met bijna-netto-nul-uitstoot mogelijk binnen de 25 jaar”, luidt een van de conclusies. Dat zou betekenen dat de droom van Jules Verne nog vóór 2050 werkelijkheid wordt.
Dit artikel verscheen eerder in een EOS-special over duurzame innovatie
