Waterstofproductie door elektrolyse

Elektrolyse is een veelbelovende optie voor de productie van waterstof uit hernieuwbare bronnen, waaronder wind en solar. Maar hoe werkt het nu eigenlijk precies?

Elektrolyse is het proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Deze reactie vindt plaats in een installatie die een elektrolyse-inrichting wordt genoemd. Electrolyzers kunnen in grootte variëren van kleine apparatuur die zeer geschikt is voor kleinschalige gedistribueerde waterstofproductie tot grootschalige, centrale productiefaciliteiten die rechtstreeks kunnen worden gekoppeld aan hernieuwbare of andere duurzame vormen van elektriciteitsproductie.

Hoe werkt het?

Net als brandstofcellen bestaan ​​elektrolyse-apparaten uit een anode en een kathode, gescheiden door een elektrolyt. Verschillende elektrolyse-apparaten werken op enigszins verschillende manieren, voornamelijk vanwege het verschillende type elektrolytmateriaal dat erbij betrokken is.

In een elektrolyse-inrichting van een polymeer-elektrolytmembraan (PEM) is de elektrolyt een vaste, speciale kunststof.

-          Water reageert bij de anode om zuurstof en positief geladen waterstofionen (protonen) te vormen.

-          De elektronen stromen door een extern circuit en de waterstofionen bewegen selectief over de PEM naar de kathode.

-          Bij de kathode mengen waterstofionen zich met elektronen uit het externe circuit om waterstofgas te vormen.

Alkalische elektrolyse-apparaten werken via transport van hydroxide-ionen (OH-) door de elektrolyt van de kathode naar de anode, waarbij aan de kathodezijde waterstof wordt gegenereerd. Elektrolyseapparaten die een vloeibare alkalische oplossing van natrium- of kaliumhydroxide als elektrolyt gebruiken, zijn al vele jaren in de handel verkrijgbaar. Nieuwere benaderingen met behulp van vaste alkalische uitwisselingsmembranen als elektrolyt zijn veelbelovend op laboratoriumschaal.

Vaste oxide elektrolyzers, die een vast keramisch materiaal gebruiken als de elektrolyt die selectief negatief geladen zuurstofionen (O2-) geleidt bij verhoogde temperaturen, genereren waterstof op een iets andere manier.

-          Water bij de kathode mengt met elektronen uit het externe circuit om waterstofgas en negatief geladen zuurstofionen te vormen.

-          De zuurstofionen passeren het vaste keramische membraan en reageren bij de anode om zuurstofgas te vormen en elektronen te genereren voor het externe circuit.

Vaste-oxide-elektrolyse-apparaten moeten werken bij temperaturen die hoog genoeg zijn om de vaste-oxide-membranen goed te laten functioneren (ongeveer 700-800 graden Celsius, vergeleken met PEM-elektrolyse-apparaten, die werken bij 70-90 C, en commerciële alkalische elektrolyse-apparaten, die werken bij 100-150 C). De vaste oxide elektrolyse-apparaten kunnen effectief warmte gebruiken die beschikbaar is bij deze hoge temperaturen om de hoeveelheid elektrische energie die nodig is om waterstof uit water te produceren, te verminderen.

Waarom wordt deze weg ingeslagen?

Waterstof geproduceerd via elektrolyse kan leiden tot nul uitstoot van broeikasgassen, afhankelijk van de bron van de gebruikte elektriciteit. Bij de evaluatie van de voordelen en economische haalbaarheid van waterstofproductie via elektrolyse moet rekening worden gehouden met de bron van de benodigde elektriciteit, met inbegrip van de kosten en efficiëntie ervan, evenals de emissies die het gevolg zijn van elektriciteitsopwekking. Niet overal is het huidige elektriciteitsnet ideaal om de elektriciteit te leveren die nodig is voor elektrolyse vanwege de uitstoot van broeikasgassen en de hoeveelheid brandstof die nodig is tegenover het lage rendement van het elektriciteitsopwekkingsproces.

Waterstofproductie via elektrolyse biedt mogelijkheden voor synergie met variabele energieopwekking, wat kenmerkend is voor sommige technologieën voor hernieuwbare energie. Hoewel de kosten van windenergie blijven dalen, vormt de inherente variabiliteit van wind een belemmering voor het effectieve gebruik van windenergie. Waterstof als brandstof en elektriciteitsopwekking zouden in een windmolenpark kunnen worden geïntegreerd, waardoor de flexibiliteit mogelijk wordt om de productie te verschuiven om de beschikbaarheid van hulpbronnen zo goed mogelijk af te stemmen op de operationele behoeften van het systeem en marktfactoren. Ook is het in tijden van overtollige elektriciteitsproductie door windmolenparken mogelijk om, in plaats van de elektriciteit in te perken zoals gewoonlijk wordt gedaan, deze overtollige elektriciteit te gebruiken om waterstof te produceren door middel van elektrolyse. Zo versterken wind en waterstof elkaar.

Het huidige elektriciteitsnet is niet de ideale bron van elektriciteit voor elektrolyse, omdat de meeste elektriciteit wordt opgewekt met behulp van technologieën die leiden tot broeikasgasemissies en die energie-intensief zijn. Elektriciteitsopwekking met behulp van hernieuwbare (of nucleaire energietechnologieën) is een mogelijke optie om deze beperkingen voor waterstofproductie via elektrolyse te overwinnen. Sleutel is het verlagen van de kosten van duurzame elektriciteitsproductie en het ontwikkelen van efficiëntere elektriciteitsproductie. Om de ontwikkelingen te versnellen zijn grote investeringen nodig. Bijvoorbeeld met FutureEnergyFund kunt u ook zelf direct investeren in de ontwikkeling van groene waterstof, gecombineerd met beleggen in wind en solar in Duitsland. In FutureEnergyForAll is dit zelfs al mogelijk vanaf €1.000,-.

Bron: www.energy.gov.