Nieuwe elektrolyser gebruikt 200 keer minder iridium

Elektrolysers maken het mogelijk waterstof te produceren via een proces genaamd elektrolyse, wat interessante kansen biedt. Voor de veel gebruikte Proton Exchange Membrane (PEM)-methode is echter iridium nodig, wat een schaars materiaal is. Een nieuwe methode ontwikkeld door onderzoekers van TNO zorgt dat 200 keer minder iridium nodig is voor hetzelfde proces, terwijl 25 tot 46% van de prestaties van de huidige generatie elektrolysers gerealiseerd kan worden.

Elektrolyse is een chemische reactie waarbij onder invloed van elektriciteit stoffen worden ontleed. Een belangrijke en bekende toepassing van elektrolyse is de productie van waterstof. In dit geval scheiden we water in waterstof en zuurstof. Dit proces vindt plaats in een elektrolyser.

Rol bij groene waterstof?

Elektrolyse kost dus stroom. De meeste waterstof produceren we op dit moment met behulp van fossiele brandstoffen. Maakt het proces gebruik van duurzame energie zonder CO2-uitstoot, bijvoorbeeld zonne- of windenergie? Dan spreken we over groene waterstof.

De vraag naar groene waterstof stijgt snel. Zo maken steeds meer industriebedrijven gebruik van waterstof, onder meer bij de productie van staal. Het gebruik van groene waterstof kan dit proces verduurzamen en maakt de productie van ‘groene’ staal mogelijk.

Iridium is schaars

“De voorziene groei van groene waterstof van 300 megawatt in 2020 naar tientallen gigawatt in 2030, heeft een keerzijde”, zegt TNO-expert Lennart van der Burg. “Het betekent een evenredig groeiende behoefte aan het schaarse iridium voor de te bouwen elektrolysers. Uit eerder onderzoek van TNO blijkt dat de opschaling van elektrolyse in gevaar komt vanwege de zeer beperkte beschikbaarheid van schaarse materialen, met name Iridium en Platinum. Over tien jaar zou de vraag naar iridium de beschikbare hoeveelheid ver overtreffen. Bovendien zijn we voor de levering afhankelijk van slechts een handjevol landen, met alle risico’s van dien.”

“Het feit dat we het benodigde iridium met een factor 200 reduceren en daarbij nu al op gemiddeld een derde van de performance van de huidige elektrolysers zitten, is een technologische doorbraak”, zegt Van der Burg.

Spatial Atomic Layer Deposition

De nieuwe methode die TNO presenteert is gebaseerd op de technologie spatial Atomic Layer Deposition (sALD). Dit is een methode om extreem dunne lagen functionele materialen op grote oppervlakken aan te brengen. sALD is ontwikkeld om een nieuwe generatie displays mogelijk te maken voor tv’s, tablets en smartphones. De technologie is nu ook toepasbaar gemaakt op elektrolysers. Onderzoekers van TNO gespecialiseerd in elektrolyse, werkten hieraan samen met collega’s van Holst Centre in Eindhoven in het Faraday Lab in Petten.

TNO meldt de afgelopen twee jaar te hebben geëxperimenteerd met sALD. Zo brachten de onderzoekers een zeer dunne laag iridium aan op de poreuze transportlaag van titanium als katalysator-materiaal. De werking en stabiliteit van het nieuwe procedé toonde de onderzoekers met behulp van diverse testen aan in het lab; er trad nauwelijks tot geen degradatie op na de stresstesten.

Een bijkomend voordeel is volgens de onderzoekers dat de membraan in de elektrolyser vrij blijft van iridium. Dit betekent onder meer dat deze beter recyclebaar en herbruikbaar is.

Voltachem

TNO werkt aan het project samen met een groep industriële partners. De partijen hebben zich verenigd in het samenwerkingsverband Voltachem. De partners willen de technologie – die zij veelbelovend noemen – van het lab naar de praktijk brengen. Hiervoor willen zij de methode eerst opschalen en in een pilotproject de werking in praktijkomstandigheden testen.

“We zijn er dus nog niet”, meldt Van der Burg. “In het lab aantonen dat de technologie werkt is mooi maar doorontwikkeling is nodig om de levensduur en efficiency te verbeteren en het op schaal te kunnen produceren. Eerder riepen we samen met een aantal Europese onderzoeksinstellingen op om bij grote pilotprojecten ook eisen te stellen aan het gebruik van schaarse materialen. Dan zou in dat jaar, volgens de huidige doelstellingen, een elektrolysecapaciteit van 40 GW in Europa moeten staan, hopelijk dan met een veel lager beroep op schaarse materialen.”

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: akitada31 via Pixabay