Waterstof is een duurzaam alternatief voor de steeds schaarsere fossiele brandstoffen. Het is eenvoudig te produceren via elektrolyse, waarbij water wordt omgezet in waterstof en zuurstof. Waterstof is te gebruiken om auto’s op te laten rijden en onze aardgasconsumptie te vervangen. Omdat waterstof na gebruik als energiebron weer reageert met zuurstof is het milieu-effect nihil. Wat zijn de uitdagingen en mogelijke oplossingen voor de toekomstige waterstofproductie?
Vergroting elektrolyse-oppervlak
Voordat auto’s op waterstof kunnen rijden is er energie nodig om het basiselement water (H₂O) te ontleden in waterstof (H₂) en zuurstof (O₂). Dat kan met behulp van duurzame energie, die windmolens en zonnepanelen produceren. Waterstof is in gasvorm direct als brandstof te gebruiken voor diverse toepassingen, bijvoorbeeld om te koken, maar ook via een brandstofcel om te zetten naar elektriciteit. De twee bekendste omzettingsprocessen zijn Alkaline Water Elektrolyse (AWE) en Proton Exchange Membrane elektrolyse (PEM). Omdat er veel waterstof nodig is om een kilo gas te produceren, of brandstofcellen te voeden, is vergroting van het elektrolyse-oppervlak een belangrijke technische uitdaging.
Bij een academisch onderzoek uitgevoerd op de Technical University Denmark zijn in een laboratorium omgeving nieuwe type waterstofelektroden ontwikkeld met een veel groter actief elektrolyse-oppervlak. Daarvoor gebruiken ze een Raney Nikkel coating, waarmee tot zo’n 2.300 keer grotere ruwheid van het oppervlak te creëren is. Ook in andere landen en binnen bedrijven zijn innovatieve materialen ontwikkeld waarmee het elektrolyse-oppervlak aanzienlijk te vergroten is. Een al marktrijp voorbeeld daarvan is de door Veco Precision ontwikkelde en gepatenteerde Ni-E³-technologie. Uit diverse onderzoeken blijkt dat nikkel vanwege zijn katalytische werking en relatief lage prijs een zeer geschikt materiaal is voor zowel AWE als PEM gerelateerde elektrolyse. Verder is nikkel ook nog eens 100% recyclebaar.
Industrialisatie waterstofproductie
Een andere uitdaging om waterstof als efficiëntere energiedrager te gaan toepassen, is het industriali- seren van de productie. Daarvoor zijn onder andere in Nederland al concrete initiatieven in gang gezet. Zoals de Investeringsagenda waterstof Noord-Nederland, met daarin ruim 30 projecten, waarvan er een aantal al is opgestart. Daarin staan de ambities en plannen van alle betrokkenen verwoord om Noord-Nederland te ontwikkelen tot kernregio voor duurzame energieproductie, als vervolg op het olie- en aardgastijdperk. De provincie Groningen heeft daarvoor al de benodigde infrastructuur, belangrijke verbindingen met andere landen en een zeehaven voor de export. Ook internationaal worden steeds meer projecten opgestart voor industriële waterstofproductie, om aan de toenemende marktvraag naar waterstof te kunnen voldoen.
Een ander Nederlands industrialisatieproject is de ‘Gigawatt Elektrolysefabriek’ waar onderzoeksinstituut TNO met een aantal partners aan werkt. Dit project is gericht op het opschalen van grote aantallen brandstofcellen voor het winnen van duurzame waterstof uit wind- en zonne-energie, tot een fabriek die kan concurreren met het winnen van waterstof uit fossiele brandstoffen. Die ‘fossiele’ waterstof wordt nu vooral gebruikt voor de productie van ammoniak en kunstmest. TNO onderzoekt onder andere hoe elektrolysers te verbeteren en goedkoper te produceren zijn. Op basis van alle kennis en ervaring die de afgelopen jaren is opgebouwd met het ontwikkelen van materialen en onderdelen voor brandstofcellen, is Veco Precision een deskundige partner om mee samen te werken voor dit soort industrialisatieprojecten.
Nieuwe materialen en onderdelen ontwikkelen
Voor de industriële productie van waterstof uit duurzame energiebronnen moeten zowel nieuwe materialen als onderdelen worden ontwikkeld, getest en geproduceerd. Een materiaal dat al wordt ingezet voor elektrolyse, maar relatief onbekend is, is het gepatenteerde Ni_E³ van Veco Precision. Dankzij een oppervlaktevergroting met een factor zes tot maximaal veertien, maakt dit materiaal de productie van waterstof aanzienlijk efficiënter. Verder is het in opdracht voor klanten ontwikkelen van innovatieve metalen onderdelen de kernactiviteit van Veco Precision. Daardoor is er diepgaande kennis en al veel ervaring aanwezig in het toepassen van electroforming, chemical etching en laser material processing.
Voor het opschalen en industrialiseren van zowel de waterstofproductie als benodigde brandstofcellen met een grotere capaciteit, is samenwerking tussen alle betrokken partijen noodzakelijk. Internationale, nationale en lokale overheden, onderzoeksinstellingen, bedrijven die nieuwe materialen en onderdelen kunnen ontwikkelen en natuurlijk de energieleveranciers. Als supply chain partners hun krachten gaan bundelen, is de innovatiecyclus voor waterstofproductie en -toepassingen nog aanzienlijk te versnellen. Veco Precision staat daarvoor open, omdat zij al decennialang bedrijven in verschillende marktsectoren helpen de business te innoveren via co-development en -productie.
Een vierde uitdaging is het verder verlagen van de kostprijs van waterstof geproduceerd met duurzame energiebronnen. Er is namelijk circa drie keer zoveel volume aan waterstof nodig in vergelijking met aardgas, om dezelfde energetische waarde te kunnen leveren. Uit verschillende onderzoeken blijkt dat over enkele jaren de prijs voor het maken van duurzame waterstof al vergelijkbaar of zelfs lager wordt dan de fossiele variant. Behalve de genoemde mogelijke efficiëncyverbeteringen en schaalvergroting van de waterstofproductie, gaan daar de komende jaren ook prijsdalingen van zonnepanelen, windturbines en elektrolysers aan bijdragen.
Kostprijsverlaging
Tenslotte gaat het snel groeiende aantal waterstoftoepassingen zorgen voor verdere kostprijsverlaging. Een toenemende vraag maakt het namelijk interessanter om te investeren in schaalvergroting en innovaties die de kostprijs verlagen. Terwijl er in Europa nog maar enkele honderden personenauto’s, bussen en vrachtwagens op brandstofcellen gevoed door waterstof rondrijden, wil China in 2025 al naar zo’n vijftigduizend. Verder werkt het Nederlandse FELMAR-consortium aan een binnenschip dat op waterstof gaat varen en krijgt het Olympische dorp van de Olympische Spelen 2020 in Tokyo een complete waterstofinfrastructuur. Voor alle bedrijven die kansen zien om in te spelen op de toekomstige waterstofeconomie is Veco Precision graag een ontwikkel-, productie- en sparringpartner.