Waterstof toepasbaar maken op industriële schaal: onderzoek in stroomversnelling

Groene waterstof is cruciaal als we de energietransitie willen doen slagen. Waterstof is immers nodig voor de vergroening van sectoren zoals de zware industrie (staal, cement, chemie) en scheepvaart. Al jarenlang zetten VITO, imec en UHasselt in op complementair onderzoek naar waterstof. Met als resultaat: een nieuwe waterstofinfrastructuur. De Vlaamse regering investeerde hiervoor 4,5 miljoen euro via het Vlaams relanceplan “Vlaamse Veerkracht”.

De drie EnergyVille-partners VITO, imec en UHasselt zetten in op onderzoek om groene waterstof praktisch toepasbaar te maken op industriële schaal. Het moet leiden tot een nieuwe waterstofinfrastructuur. Imec en VITO richten zich op de opschaling van componenten voor elektrolysesystemen en karakterisatie-apparatuur. Elektrolysesystemen zijn nodig voor processen zoals het splitsen van water in zuurstof en waterstof met behulp van elektriciteit. UHasselt focust dan weer op nieuwe materialen. Doel is materialen te vinden die geschikt zijn om waterstof rechstreeks met zonne-energie te maken. De laboratoriuminfrastructuur bevindt zich in de EnergyVille-laboratoria in Genk en het Green Hydrogen Lab in Diepenbeek.

Efficiëntere en betaalbare waterstofproductie

Imec investeerde in verdere ontwikkeling van hun ‘nanomesh’-materiaal. Dit elektrodemateriaal, samengesteld uit verbonden ‘nanowires’ tot een driedimensionale regelmatige structuur, heeft een hoge porositeit en een ongeëvenaard reactieoppervlak. Door deze unieke materiaal eigenschappen kan het innovaties in energietoepassingen significant versnellen, zoals grootschalige elektrolyse voor groene waterstofproductie. In de laboratoria van EnergyVille werd hiervoor een pre-pilotlijn voor de opschaling van imec’s nanomesh materiaal ontworpen en geïnstalleerd. Partners VITO, imec, Hyve en materialenexpert Bekaert zullen hier onderzoek doen. Ze zullen nagaan hoe grotere oppervlaktes van het materiaal op een betaalbare wijze zijn te produceren.

Nanomesh

Tijdens de elektrolyse, waarbij water wordt gesplitst in waterstofgas en zuurstofgas op materialen zoals de ‘nanomesh’, is het cruciaal dat de twee gassen gescheiden blijven. Dit kan met behulp van een stabiel membraan – hoe dunner, hoe efficiënter het proces. Ook hier werken de onderzoekspartners samen. VITO vanuit hun lange traditie in het gieten van membranen en imec met hun ontwikkelingen van vastestofelektrolyten voor batterijen.

Testreactor

Uiteindelijk wordt het opgeschaalde nanomesh-materiaal en het scheidingsmateriaal samen in een testreactor geplaatst. Daarbij zal de vernieuwde waterstofproductie worden getest. Dit gebeurt in een industrieel relevante installatie, ontworpen door VITO. Hierdoor zetten de onderzoekers een belangrijke stap in de commercialisatie van deze innovatieve technologieën en betaalbare waterstofproductie.

Nieuwe materialen

Hoe kunnen we een voortdurend groeiende vraag naar energie combineren met een aanzienlijke vermindering van onze ecologische voetafdruk? Wanneer we zowel de energievoorziening als de chemische industrie willen voorzien van de nodige groene waterstof, is er ontzettend veel elektrolysecapaciteit nodig. Dat gaat eveneens gepaard met een zeer grote hoeveelheid kritische grondstoffen die hierbij als elektrode of katalysator worden gebruikt. Zonne-energie is een onuitputtelijke, niet-vervuilende en hernieuwbare bron. Zonne-energie kunnen we omzetten in elektriciteit voor elektrolyse via fotovoltaïsche panelen. Men kan zich de vraag stellen of er ook een meer rechtstreekse overdracht mogelijk is van zonne-energie naar chemische energie voor het breken van watermoleculen en het vormen van waterstof of hiervan afgeleide moleculen. Het instituut voor materiaalonderzoek (imo-imomec) van UHasselt en imec ontwikkelt en onderzoekt innovatieve materialen die de energie van de zon kunnen omzetten in de geschikte vorm voor watersplitsing en het gebruik van waterstof om andere duurzame chemische bouwstenen of brandstoffen te maken. Dit gebeurt bij voorkeur met minder kritische grondstoffen.

Testen van materialen

UHasselt investeert de middelen uit het Vlaamse Veerkracht plan in geavanceerde apparatuur voor het ontwikkelen en karakteriseren van nieuwe materialen. En voor hun synthese op grotere schaal. Op deze manier kunnen onderzoekers de materialen testen in een omgeving die relevant is voor industriële validatie. Daarnaast installeerden de onderzoekers infrastructuur om deze nieuwe materialen te kunnen verwerken in elektrodes en katalysatoren en ze te testen, onder meer in een elektrolyseapparaat (voor elektrodes tot 100 cm2). Dit is nodig om na te gaan of ze ook onder industrieel relevante condities kunnen werken. Met name de productie via elektrolyse van waterstof bij hoge druk is een uitdaging. Tegelijkertijd is het ook economisch het meest voordelig omdat het de directe opslag van waterstof bij hogere druk mogelijk maakt zonder extra mechanische compressie.

Nieuwe waterstofinfrastructuur

Deze investeringen vormen het startschot voor de verdere uitbouw van een waterstofinfrastructuur in Genk en Diepenbeek. Het is een cruciale stap in de uiteindelijke commercialisering van groene waterstoftechnologie. Vlaams minister van Innovatie Jo Brouns: “Waterstof speelt en zal ook in de toekomst een belangrijke rol spelen in de duurzame transitie. In het bijzonder voor onze zware staal- of chemie-industrie zal waterstof dienen als grondstof of brandstof voor processen die niet of moeilijk te elektrificeren zijn. Vlaanderen, en bij uitbreiding België, heeft echter tot op vandaag onvoldoende ruimte voor hernieuwbare energie om al die duurzame waterstof hier te produceren. We investeren daarom in onderzoek en innovatie, bijvoorbeeld om membranen te ontwikkelen die de productie van die waterstof goedkoper maken. Zo helpen we mee aan de belangrijke klimaatuitdaging, en kunnen we die expertise ook exporteren naar landen met veel zon en wind om die groene waterstof te produceren.”

Lees ook: Versnelling waterstofcorridor tussen Nederland en Duitsland