Termen als ‘groene waterstof’, ‘elektrolyse’ en ‘electrolyser voor waterstof’ krijgen steeds meer bekendheid. Zoals beschreven in onze recente blog over waterstoftransport, doemen overal ter wereld elektrolysesystemen op en zetten veel overheden groots in op de implementatie van groene waterstof als onderdeel van de transitie richting duurzame energie.
Maar hoe wordt groene waterstof precies gemaakt? Wat is elektrolyse en waarom is deze techniek zo duurzaam? In deze blog geven we uitgebreid antwoord op deze vragen.
Grijze, blauwe en groene waterstof
Terwijl we in onze blog over vloeibare waterstof al uitgebreid zijn ingegaan op het verschil tussen groene, blauwe en grijze waterstof, willen we ook hier deze drie productieprocessen nog kort benoemen.
Grijze waterstof
Grijze waterstof wordt geproduceerd door middel van steam methane reforming. De methode komt neer op het gebruik van hete stoom om waterstof te produceren uit een methaanbron, zoals kolen of aardgas. Onder een druk van 3-25 bar geven de twee materialen een reactie, in aanwezigheid van een katalysator. Uit deze reactie ontstaan vervolgens CO, CO2 en waterstof.
Om uiteindelijk zuivere waterstof te maken, wordt een zogenaamde ‘water-gas-shift-reactie’ gevormd, waaruit warmte, CO en waterstof ontstaan. De productie van grijze waterstof is efficiënt, maar helaas flink schadelijk voor het milieu vanwege de grote hoeveelheid CO2 die hierbij vrijkomt.
Blauwe waterstof
Een duurzamer alternatief voor grijze waterstof, is blauwe waterstof. De productie van blauwe waterstof werkt hetzelfde als die van grijze waterstof, maar het overgrote deel van de CO2 wordt afgevangen en opgeslagen of hergebruikt. Dit maakt het proces aanzienlijk duurzamer, maar ook duurder. De infrastructuren voor het afvangen van de CO2 kosten immers materiaal en energie.
Groene waterstof
Terwijl grijze en blauwe waterstof worden geproduceerd met behulp van steam methane reforming, wordt groene waterstof geproduceerd via elektrolyse. Tijdens dit productieproces komt geen CO2 vrij, waardoor groene waterstof wordt gezien als dé duurzame brandstof en energiedrager van de toekomst.
Wat is een electrolyser voor waterstof?
Elektrolyse is simpelweg een chemische reactie die met behulp van elektriciteit samengestelde stoffen opsplitst in enkelvoudige en/of samengestelde stoffen.
De methode kan worden toegepast op een grote hoeveelheid stoffen, maar staat momenteel vooral bekend om het opsplitsen van water voor de productie van waterstof. Elektrolyse van water werd al in 1807 ontdekt door Humphry Davy, die in dit jaar zijn bevindingen aan de Royal Society of London presenteerde.
Bij de elektrolyse van water wordt elektrische energie ingezet om water te splitsen in waterstofgas en zuurstof. De zuurstof die hierbij vrijkomt wordt vrijgelaten of afgevangen en gebruikt, en het waterstofgas wordt al dan niet omgezet in vloeibare waterstof met behulp van een liquefier.
In essentie is de electrolyzer een omgekeerde brandstofcel. Een brandstofcel wekt elektriciteit op door waterstof te combineren met zuurstof, terwijl elektrolyse juist elektriciteit gebruikt om waterstof en zuurstof te produceren.
Hoe werkt dit? Een elektrolysesysteem bestaat uit een vat met water, met daarin een elektrolyt en twee elektroden: een kathode (negatieve pool) en een anode (positieve pool). Door elektrische stroom naar beide elektroden te leiden, vindt aan beide kanten van de elektrolyt een chemische reactie plaats. Aan de kant van de kathode komt waterstof vrij en aan de kant van de anode zuurstof.
Bron: International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT)
Uiteraard is het essentieel dat tijdens het elektrolyseproces gebruik wordt gemaakt van duurzame energie die op een schone wijze wordt geproduceerd. Hierbij kan worden gedacht aan zonne-energie, windenergie, waterkracht of biomassa. Is dit niet het geval, dan is elektrolyse wel mogelijk, maar spreken we niet van groene waterstof.
Twee soorten electrolyser
Het principe van elektrolyse staat vast, maar er bestaan verschillende soorten electrolyzers. De twee meest bekende electrolyzers voor waterstof zijn de Alkaline electrolyzer en de PEM electrolyser.
De alkaline electrolyser
De alkaline electrolyzer maakt gebruik van een vloeibaar alkalisch elektrolyt. Het water in dit elektrolyt wordt bij de kathode gesplitst in waterstof en hydroxide-ionen. Deze ionen worden vervolgens in contact gebracht met een membraan, waarna ze bij de anode worden geoxideerd naar water en zuurstof.
Bij zowel de kathode als de anode vindt een chemische reactie plaats:
Kathode: 2 H2O + 2e → H2 + 2 OH-
Anode : 2 OH- → ½ O2 + 2e- + H2O
Totale reactie: H2O → H2 + ½ O2.
Voor het in gang zetten van deze reactie is ongeveer 285 kJ/mol aan duurzame energie nodig (ongeveer 50 KJ/mol aan warmte en 235 kJ/mol aan duurzame elektriciteit per mol water). De temperatuur waarbij de elektrolyse plaatsvindt ligt tussen de 40 en 90 ℃.
Electrolyzers met een vloeibare alkalische oplossing van natrium- of kaliumhydroxide als elektrolyt zijn al een lange tijd verkrijgbaar en hebben hun succes voor de productie van waterstof bewezen. Enkele nadelen van deze methode zijn echter de relatief lage stroomdichtheid van de cellen en het feit dat de cellen niet onder hoge druk kunnen werken en daardoor relatief groot in omvang zijn.
De PEM electrolyser
Een PEM electrolyser maakt gebruik van een polymeer membraan dat alleen waterstofionen doorlaat. Bij de anode wordt het water opgesplitst in zuurstof, waterstofionen en twee elektronen. De waterstofionen en de twee elektronen passeren vervolgens het membraan, waarna ze bij de kathode worden omgevormd tot waterstof.
Bij zowel de kathode als de anode vindt een chemische reactie plaats:
Anode: H2O → H2 + ½ O2 + 2e
Kathode: 2H+ + 2e → H2
Een voordeel van de PEM electrolyser ten opzichte van de alkaline electrolyser is het feit dat deze ook onder druk functioneert en daarom kleiner van omvang kan zijn. Ook deze methode heeft echter nadelen. Zo werkt de PEM electrolyzer onder sterk zure omstandigheden, waardoor speciale eisen aan het systeem moeten worden gesteld.
Bron: Siemens
Meer weten?
Demaco werkt al tientallen jaren aan de beste infrastructuren voor vloeibare waterstof. We ontwerpen en produceren vacuüm geïsoleerde transferleidingen en diverse aanvullende producten en projecten rondom vervoer, opslag en toepassing van vloeibare waterstof.
Heb je vragen over ons werk? Neem gerust contact met ons op of neem een kijkje tussen onze producten en projecten voor meer informatie.
Meer weten over vloeibare waterstof? Bekijk dan deze pagina of onze recente blog over ‘Waar wordt waterstof voor gebruikt?’ eens. Hierin lees je alles over deze veelzijdige cryogene vloeistof en de jarenlange ervaring die Demaco heeft opgebouwd binnen diverse geavanceerde waterstofprojecten.