Groen is het nieuwe grijs

‘Ja, vrienden, ik geloof dat water ooit als brandstof zal worden gebruikt, dat de waterstof en zuurstof waaruit het bestaat, afzonderlijk of samen, een onuitputtelijke bron van warmte en licht zullen vormen, met een kracht waaraan steenkool niet kan tippen’. Aan het woord is het hoofdpersonage in L’Île Mystérieuse, een roman van de Franse schrijver Jules Verne uit 1874. De vader van de sciencefiction beschreef als eerste een maatschappij waarin fossiele brandstoffen vervangen worden door duurzame brandstoffen.

In realiteit is waterstof geen zelfstandige bron van energie, maar een energiedrager. Vooraleer je uit waterstof elektriciteit, warmte of beweging kan genereren zal je die waterstof eerst moeten produceren met behulp van een energiebron.

Intussen zijn er meerdere golven van vooruitgangsoptimisme gepasseerd waarin het meest voorkomende element in het universum als wonderoplossing werd voorgesteld. In de jaren 1970, toen waterstof als brandstof in raketten werd gebruikt, begon men al te fantaseren over auto’s met een brandstofcel op waterstof. Vandaag surfen overheden en bedrijven op een nieuwe waterstofgolf.

In Europa zijn de ambities torenhoog. ‘The stars are made of hydrogen, so let’s reach for the stars’, speechte Frans Timmermans, vicevoorzitter van de Europese commissie, eind vorig jaar op de Europese waterstofweek. Om klimaatneutraal te kunnen worden tegen 2050 wil Europa het energiesysteem volledig hertekenen. Waterstof moet er tegen 2030 een intrinsiek onderdeel van worden. Ook de Vlaamse en federale regering hebben een waterstofstrategie uitgekiend.

Aangewakkerd door publieke en private investeringen schieten de waterstofinitiatieven als paddenstoelen uit de grond. De omslag lijkt deze keer niet meer te stoppen. In tegenstelling tot in de vorige golven is de introductie van groene waterstof niet langer een verre droom maar een directe noodzaak.

Al zijn de verwachtingen bijgesteld over de sectoren waarin waterstof absoluut nodig is. ‘Het is belangrijk dat we daarin de juiste keuzes maken’, benadrukt expert energietechnologie Bart Vermang (imec/UHasselt/EnergyVille). ‘Het is geen goed idee om groene waterstof te verspillen als brandstof voor auto’s of om huizen mee te verwarmen. Als je rechtstreeks elektriciteit kan gebruiken, met zonnepanelen, warmtepompen en elektrische wagens, is dat bijna altijd efficiënter. Maar voor de decarbonisatie van sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals langeafstandstransport of de staal- en cementindustrie, bestaat er geen alternatief voor groene waterstof.’

In de chemische industrie en de staalindustrie wordt nu voornamelijk een beroep gedaan op ‘grijze’ waterstof, geproduceerd door stoomreforming van methaan. Bij dat proces worden aardgas en stoom op hoge temperatuur samengevoegd. Zo ontstaat niet alleen waterstof, maar ook CO2.

‘Groene’ waterstof wordt dan weer geproduceerd door elektrolyse van water. Wie zich de chemieproefjes uit de middelbare school herinnert, weet wat er gebeurt wanneer je twee metalen plaatjes (elektroden) onderdompelt in water en aansluit op een spanningsbron. Er ontstaan bubbeltjes. Onder invloed van elektrische stroom ontstaat een beetje waterstofgas bij de negatieve pool en een beetje zuurstofgas bij de positieve.

Een industriële elektrolyser gebruikt hetzelfde principe. Zo’n installatie is opgebouwd uit honderden in serie geschakelde elekrolysecellen met telkens twee elektroden, soms tot wel 2 meter breed. Aan elke cel wordt groene waterstof geoogst. Alleen gebeurt dat nog niet efficiënt genoeg. Daarom wordt vandaag voor amper 5 procent van de wereldwijde waterstofproductie gebruik gemaakt van elektrolyse.

Volgens het Internationaal Energieagentschap (IEA) wordt de uitbreiding van de elektrolysercapaciteit essentieel om groene waterstof goedkoper te maken dan fossiele brandstoffen. ‘Met stoomreforming betaal je ongeveer 2 euro per kilogram grijze waterstof. Met elektrolyse, voor groene waterstof, ligt die kost nog ongeveer drie keer hoger, afhankelijk van de schaal’, zegt Bart Onsia, business development manager voor de activiteiten rond energie-omzetting bij imec/EnergyVille.

‘Die prijs heeft niet alleen te maken met de efficiëntie van het proces. Ook de stroom en distributie kosten geld, en bovendien ontbreekt een schaalvoordeel. Maar ik ben ervan overtuigd dat we elektrolysers veel compacter en efficiënter kunnen maken. Op die manier zullen de kosten voor groene waterstofproductie dalen.’

Er is een wereldwijde race aan de gang naar de beste technologieën voor de productie en opslag van groene waterstof. Europa loopt in die race voorop. Dat stelde het Internationaal Agentschap voor Hernieuwbare Energie (IRENA) begin dit jaar in een rapport over de geopolitieke aspecten van de energietransformatie. Een van de grootste bouwers van elektrolysers is de Luikse groep John Cockerill. Zij maken zogenaamde alkaline-elektrolysers. Andere bedrijven specialiseren zich dan weer in het ontwerp van zogenaamde PEM-elektrolysers. Die zijn kleiner en efficiënter, maar zijn duurder in aankoop.

‘In Vlaanderen ontwikkelen we nieuwe technologieën om het beste van beide werelden te combineren’, vertelt Philippe Vereecken, wetenschappelijk directeur energie-omzetting bij imec/EnergyVille en verbonden aan de KU Leuven. Vereecken doet daarvoor een beroep op de expertise in nanotechnologie bij imec die hij eerder ook al heeft aangewend in zijn onderzoek naar vaste­stofbatterijen. ‘Er zijn veel gelijkenissen in technologie en materialen voor een elektrolyser en een batterij. In se zijn het allebei elektrochemische cellen met twee elektroden die gescheiden zijn door een membraan.’

Het membraan in de elektrolysecel is nodig om ­ionen door te laten zonder dat de geproduceerde gassen vermengd geraken. Het waterstofgas en zuurstofgas mogen zeker niet in elkaars buurt komen, want dat zou een explosief mengsel opleveren. Het geproduceerde gas moet ook zo snel mogelijk weggeleid worden, want het mag het water niet wegduwen van de elektroden. De cruciale reactie in een elektrolysetoestel speelt zich dus af aan het oppervlak van de elektroden. Daar komen drie aggregatietoestanden – vast, vloeibaar en gasvormig – met elkaar in contact.

Hoe efficiënt de waterstofproductie is, hangt af van de chemische reacties die aan een oppervlak plaatsvinden. Je hebt dus een materiaal nodig met een zo groot mogelijke oppervlakte per volume-eenheid. Enkele jaren geleden ontwikkelde het team van Vereecken een ‘nanomesh’ dat over precies die eigenschap beschikt.

Wat kunnen we ons daarbij voorstellen? ‘Vergelijk twee emmers, de ene gevuld met tennisballen, de andere met zandkorrels’, legt Vereecken uit. ‘In de emmer met zandkorrels zal een grotere oppervlakte per volume-eenheid aanwezig zijn, maar lucht zal gemakkelijker bij de tennisballen raken dan bij de zandkorrels. Met het nanomesh zijn we erin geslaagd om een heel grote effectieve oppervlakte te creëren terwijl we een open structuur konden bewaren. Als we een frisdrankblikje volledig met dat nanomesh zouden opvullen, dan zou dat de oppervlakte van een voetbalveld bevatten en toch nog steeds voor driekwart uit lucht bestaan.’

Het nanomesh, dat er onder de microscoop uitziet als een driedimensionaal kippengaas, lijkt dus een veelbelovend materiaal te zijn om elektrolysecellen compacter en efficiënter te maken. En de afstand tussen de elektroden kan nog kleiner als je er dunnere membranen tussenplaatst. ‘Hoe meer stroom je door een elektrolysecel stuurt, hoe meer waterstof er gevormd wordt, maar ook hoe sneller de verliesstromen gaan oplopen. Dat laatste kunnen we vermijden door alles te verkleinen’, aldus Vereecken.

Met dat doeleind combineert imec zijn expertise in vastestofelektrolyten met de kennis van VITO over membranen. De twee Vlaamse onderzoekscentra waren al partners binnen EnergyVille. Nu bundelen ze verder de krachten om de efficiëntie van de elektrolysetechnologie op te drijven.

‘Dat het nanomesh goede resultaten oplevert, is intussen al vastgesteld bij experimenten op labschaal’, zegt Bart Onsia. De volgende stap bestaat erin dat ook te demonstreren in een marktklaar elektrolyseplatform. Voor de doorontwikkeling en opschaling van de technologie werd vorig jaar Hyve opgericht, een nieuw bedrijf waarin imec en VITO samenwerken met vier Belgische industriële spelers.

De bedoeling is dat staaldraadgigant Bekaert het nanomesh later op grote schaal produceert, dat de John Cockerill Group de technologie integreert in zijn elektrolysers, dat DEME met die elektrolysers wind- en zonne-energie omzet in groene waterstof en dat de Colruyt Group de toepassingen voor duurzaam transport zal onderzoeken.

In Power to Molecules, een onderzoeksprogramma van EnergyVille, ligt de focus al veel verder dan waterstof. ‘Met de technologie die we nu ontwikkelen voor groene waterstof kunnen we ook andere groene moleculen maken’, zegt Onsia. ‘Uit waterstof en CO2 kan je koolwaterstoffen maken als methanol of methaan. Die zijn waardevol voor de chemische industrie. Vandaag gebeurt dat nog in twee stappen. Maar waarom zouden we eerst groene waterstof maken en het daarna combineren met CO2 als we het in een elektrolyser in één stap kunnen doen? In de toekomst kunnen we stikstof bijvoorbeeld meteen omzetten in stoffen die nuttig zijn voor de landbouw, zoals ammoniak voor kunstmest.’

Om de waterstofeconomie volledig op gang te trekken, zijn diverse ingrediënten tegelijk nodig. Je hebt de onderzoeksexpertise nodig om efficiëntere elektrolysertechnologie te ontwikkelen. Daarnaast moeten bedrijven die behoefte hebben aan groene waterstof direct betrokken zijn. Tot slot is er een overaanbod aan groene energie nodig, om die gigantische hoeveelheden waterstof te genereren. Alleen de eerste twee elementen zijn hier ruimschoots aanwezig.

De energie die in Europa opgewekt wordt zal in de eerste plaats nodig zijn voor de sectoren die direct geëlektrificeerd kunnen worden. Voor indirecte elektrificatie zullen Europese landen grote hoeveelheden groene waterstof moeten inschepen uit landen met veel zonneschijn, stelt het IRENA. België heeft daarvoor al samenwerkingsakkoorden gesloten met Namibië, Chili en Oman. ‘Onze regio kan met zijn havens een strategisch toegangspunt vormen om groene moleculen te importeren naar het Europese hinterland’, meent Onsia.

We denken ook best al na over de materialen die in die opkomende markten gebruikt kunnen worden. ‘Ze moeten duurzaam en efficiënt zijn. En we kunnen maar beter geen materialen gebruiken die weinig voorradig zijn’, zegt Vermang.

Imo-imomec, de imec-onderzoeksgroep aan de Universiteit Hasselt waaraan Vermang verbonden is, heeft een mooi trackrecord opgebouwd in het materiaalonderzoek voor de ontwikkeling van tandemzonnecellen. ‘Het is een enorm voordeel dat we die expertise nu kunnen gebruiken in ons onderzoek naar groene waterstof’, zegt Vermang. ‘Om de elektrochemische reactie in een elektrolyser efficiënt te laten doorgaan is bijvoorbeeld een hoog spanningsverschil nodig. We kunnen onze tandemzonnecellen afstellen om het spanningsverschil te leveren dat de hoogste efficiëntie oplevert.’

De UHasselt verkent bovendien nog twee andere onderzoekspaden om groene waterstof te produceren: foto-elektrochemie en fotokatalyse. ‘In plaats van eerst zonlicht om te zetten in elektriciteit en daarna elektriciteit om te zetten in waterstof zou je het in één stap kunnen proberen’, zegt Vermang.

‘We kunnen water ook splitsen in zuurstof en waterstof door rechtstreeks zonlicht te gebruiken. Dat gebeurt bijvoorbeeld in foto-elektrochemische cellen, een variant van zonnecellen. Maar vandaag is de omzettingsefficiëntie nog te laag om marktklaar te zijn. Die efficiëntie verbeteren begint opnieuw met het aanpassen van de materialen.’

Om al het materiaalonderzoek rond groene moleculen op labschaal te demonstreren en dichter bij de industrie te brengen, wordt in Diepenbeek momenteel een Green Hydrogen Lab opgebouwd. ‘Alle ervaring en technologie die we ontwikkeld hebben voor batterijen en zonnecellen kunnen we nu inzetten in het onderzoek naar groene moleculen’, zegt Onsia. ‘Ik verwacht dat de exponentiële groei en kostenreductie die we nu zien in zonnecellen en batterijen ook mogelijk wordt voor waterstof.’

Vorig jaar verscheen een invloedrijke paper waarin economen van de University of Oxford die exponentiële groei in kaart brachten. Ze zien daarin een soort veralgemening van de wet van Moore, die iedere twee jaar een verdubbeling van het aantal transistoren op een microchip voorspelt.

De technologische vooruitgang heeft de massaproductie van steeds goedkopere en geavanceerdere microchips mogelijk gemaakt. De economen voorspellen dat een soortgelijk scenario zich zal voltrekken voor vier technologieën: zonnepanelen, windmolens, batterijen en elektrolysers. ‘Als die exponentiële groei zich nog tien jaar doorzet, dan wordt een energiesysteem met een bijna netto-nuluitstoot mogelijk binnen de 25 jaar’, luidt een van de conclusies. Dat zou betekenen dat de droom van Jules Verne nog vóór 2050 werkelijkheid wordt.