Het is niet verbazingwekkend dat de berichten over investeringen in waterstofprojecten elkaar in rap tempo opvolgen. Nog los van de uitdagingen rond Russisch aardgas en de daaruit volgende behoefte aan alternatieven, is waterstof ook gewoon een heel handig molecuul. Het wordt al decennia toegepast om olie te kraken, brandstoffen te ontzwavelen en om kunstmest te produceren. Maar de huidige investeringen hangen met name samen met de nieuwere toepassingen van waterstof: in de chemische industrie, plastic recycling en als energiedrager.

Niels Deen, hoogleraar in de Power & Flow Group (P&F) van de faculteit werktuigbouwkunde van de TU Eindhoven en principal scientist bij het Eindhoven Institute for Renewable Energy Systems (EIRES), ziet dat vooral deze toepassingen potentie hebben. ‘Voor het tijdelijk opslaan van niet gebruikte wind- of zonne-energie zijn batterijen geschikt, maar chemische opslag in waterstof is aantrekkelijker. Het is goedkoper en langer houdbaar – mits goed opgeslagen in bijvoorbeeld ondergrondse zoutcavernes.’

Het produceren van waterstof door water te elektrolyseren met groene stroom, kan als alternatief dienen voor de klassieke waterstofproductie door middel van steam reforming van aardgas. Bert Vreman, hoogleraar multiphase flow in de groep van Deen en onderzoeker bij Nobian: ‘Het voordeel is dat er dan geen CO₂-uitstoot is. Wel is dit momenteel nog duurder ten opzichte van waterstofproductie uit aardgas.’

Marangoni-effect

Om waterelektrolyse competitiever te maken, proberen onderzoekers de efficiëntie te verbeteren en de capaciteit per vierkante meter elektrode oppervlak te verhogen. Vreman: ‘De efficiëntie ligt rond de 70% (theoretisch minimale celpotentiaal gedeeld door werkelijke celpotentiaal, red.). De verliezen bestaan voornamelijk uit reactie-overpotentialen en zogenaamde Ohmse verliezen. Oorzaken van Ohmse verliezen zijn de elektrische weerstand van het elektrolyt, het membraan en bellen tussen de elektroden.’

Procesoptimalisatie gaat vaak over grote schaal. Het onderzoek van Deen en Vreman richt zich echter op de meer fundamentele aspecten van waterstofelektrolyse. Deen: ‘We onderzoeken hoe waterstofbelletjes zich gedragen in een elektrolyser.’ De onderzoekers simuleren en modelleren het gedrag van de belletjes en doen tevens laboratoriumexperimenten. ‘Een deel van het onderzoek richt zich op de losse belletjes’, zegt Deen. ‘Wat gebeurt er precies rondom zo’n bel voordat deze loslaat van de elektrode?’

‘Er gebeurt heel veel op een heel klein oppervlak in een heel korte tijd’

Niels Deen

Zo blijkt de snelheid waarmee waterstofbelletjes op de elektrode groeien en daarvan loslaten de efficiëntie van de elektrolyser te beïnvloeden. ‘Bij waterelektrolyse ontstaan waterstofbelletjes met een doorsnede van ongeveer 100 µm. Deze groeien en blijven even aan de elektrode hangen. Ook ontstaat er een laagje waterstofgas langs de elektrode. Hierdoor wordt tijdelijk een stuk van het elektrode-oppervlak geblokkeerd, dat dan niet beschikbaar is voor waterelektrolyse. We onderzoeken hoe dit komt en kijken of we dit gedrag kunnen beïnvloeden.’

Bij dit formaat belletjes speelt de oppervlaktespanning een grote rol en treedt het Marangoni-effect op. Dit effect is bij veel mensen bekend vanwege het verschijnen van ‘tranen’ in een glas wijn. Het wordt veroorzaakt door verschillen in oppervlaktespanningen en beïnvloedt de kracht waarmee de belletjes aan de elektrodes ‘vastplakken’ en de distributie van waterstof op de elektrode.

Artikel gaat verder onder de animatie

Aan de andere kant bekijken de onderzoekers het gehele stromingsgedrag in de elektrolyser, bijvoorbeeld hoe de belletjes bewegen in de elektrolyser en welke rol turbulentie speelt. Een van de uitdagingen in het onderzoek zijn de grote schaalverschillen. Deen: ‘We bestuderen kleine belletjes van zo’n 100 µm en hun groei in honderdsten van seconden. Er gebeurt heel veel op een heel klein oppervlak in een heel korte tijd. Terwijl je tegelijkertijd praat over industriële elektrolysers die meters hoog zijn. Dat vergt veel van experimentele technieken en zorgt voor een lastige analyse.’ Een andere uitdaging is dat door de grote hoeveelheid belletjes de binnenkant van de elektrolyser niet of slecht optisch toegankelijk is.

Hoewel industriële elektrolysers veel groter zijn dan de schaal die in dit onderzoek wordt bestudeerd, zijn de resultaten interessant voor de industrie, bijvoorbeeld voor producenten van chlooralkali en groene waterstof, zoals Nobian, zegt Vreman. ‘We willen graag de efficiëntie- en capaciteitsbeperkingen van elektrolysers beter begrijpen. Veel moderne elektrolysers gebruiken de zero gap geometrie, waarbij de elektroden op de membranen worden geplaatst. De geometrie van de elektrolyser is van grote invloed op de efficiëntie. Simulaties en experimenten, zelfs op kleine schaal, kunnen inzicht geven in wat hier de oorzaak van is. Een ander vraagstuk vanuit de industrie is hoe elektrolysers flexibel kunnen opereren. Het aanbod van duurzame zonne- of windenergie fluctueert immers. Door het effect van een variabel stroomaanbod te simuleren kunnen we hier ook meer duidelijkheid in krijgen.’