Demonstratie van Israëlische 2-traps elektrolyser in Marokko
De Marokkaanse ontwikkelaar Gaia Energy en de Israëlische startup H2Pro realiseren een installatie voor de productie van waterstof van 10 tot 20 megawatt. H2Pro ontwikkelt de E-TAC, een innovatieve elektrolyser (zie het originele bericht hieronder) die de afgelopen jaren het nieuws haalde met een geclaimd rendement van 98,7%. Dat rendement is niet reëel maar het concept is alsnog interessant. Wanneer de installatie in bedrijf komt heb ik helaas niet kunnen vinden, maar mooi dat de E-TAC zich in de praktijk mag bewijzen. Hieronder het originele bericht van 20 januari 2021.
Innovatieve Israëlische elektrolyser haalt géén efficiency van 98,7%
In september 2019 publiceerde het prominente wetenschappelijk tijdschrift Nature Energy de resultaten van een onderzoek naar de E-TAC, een nieuw type elektrolyser. De E-TAC zou waterstof produceren met een rendement van 98,7%.
Sinds september 2019 is de publicatie mij vaak onder de neus geschoven, als bewijs dat het rendement van 75% dat ik voor elektrolyse in mijn sommen over de zin en onzin van waterstof aanhoud veel te conservatief is.
Vanochtend bladerde ik door een rapport* van ABN Amro met kostprijsprojecties over waterstof en zag ik dat het hoge rendement van de E-TAC is aangenomen als efficiëntie voor alle waterstofproductie medio deze eeuw. Leest niemand met verstand van zaken zo’n rapport na voor publicatie, denk ik dan? Elke energie-omzetting met een droomrendement van 98,7% zou voor iedereen die bij een bank mag werken toch op zijn minst vragen moeten oproepen?
ABN is overigens zeker niet de eerste van wie ik meer verwacht die wegloopt met de Israëlische onderzoeksresultaten. Als iets te mooi klinkt om waar te zijn dan wordt het op de golven van de waterstofhype maar al te lief voor waar aangenomen.
*Het rapport ontving ik als bijlage bij een persbericht maar is door ABN Amro nog dezelfde dag weer ingetrokken.
Toevoeging 4 februari 2021: Het rapport blijkt toch (opnieuw?) beschikbaar op de site van ABM Amro.
Waar gaat het over, en waar gaat het mis?
Het onderzoek, uitgevoerd aan het Israëlische Technion Institute of Technology, is op zich zelf interessant. Pril maar mogelijk van waarde voor de energietransitie. De afkorting E-TAC staat voor Electrochemical – Thermally Activated Chemical Water Splitting. Die afkorting geeft betrekkelijk weinig prijs over de innovatie, want is op werkelijk elke elektrolyser van toepassing.
De vernieuwing zit in het stapsgewijs splitsen van water in zuurstof en waterstof. Waar conventionele elektrolysers continu waterstof produceren, verloopt de E-TAC-waterstofproductie in een zich herhalende cyclus van afgebakende stappen:
- Bij een lage temperatuur (25 graden Celsius) splitsen watermoleculen in waterstofgas en hydroxide-ionen. Deze ionen oxideren de nikkel-elektrode in het systeem. Dit deel van het proces is gedreven door elektriciteit;
- Vervolgens wordt het elektrische circuit onderbroken en wordt de reactor gespoeld met bijna kokend water (95 graden). Hierbij reageren de in de vorige stap aan de elektrode gebonden zuurstofatomen weg tot zuurstofgas.
Figuur 1 uit de studie.
De oplettende lezer zal gezien hebben dat voor deze reactie binnen dezelfde reactor afwisselend water met een temperatuur van 25 en 95 graden nodig is. De conclusie dat een rendement van 98,7% kolder moet zijn, is daarmee onvermijdelijk. Dat staat ook netjes in de studie beschreven. De 98,7% betreft enkel de eerste reactie, het splitsen van watermoleculen. Het wegreageren van de zuurstof is thermisch gedreven en vereist dus geen elektriciteit maar wel energie.
Kansen voor waterstofproductie bij kerncentrales
In elke cyclus water opwarmen van 25 naar 95 graden is in de regel niet gratis. Deze stap wegdenken uit het rendement van waterstofproductie is nooit te verdedigen. Als dit proces alle andere uitdagingen op het pad van lab naar industrie (o.a. lage stroomdichtheid, stabiliteit) weet te overwinnen dan liggen er mooie kansen op locaties waar kokend water toevallig goedkoop en ruim beschikbaar is én emissievrije elektriciteit betaalbaar is. Kerncentrales en geothermie gooien hoge ogen.
Voor de meest populaire vorm van waterstofproductie, gedreven door wind- en zonneparken, doet deze Israëlische vinding alleen ter zake als de warmteverliezen tijdens het spoelen nihil zijn. De studie vermeldt terloops dat de onderzoekers 2 kWh warmteverlies per geproduceerde kilo waterstof haalbaar achten. Dat is ambitieus en wordt niet onderbouwd, maar legt de bovengrens voor de efficiëntie van het totale systeem op 94%. Beter dan dat is dit systeem dus sowieso niet.
Met een acceptabele stroomsterkte zal het rendement in de praktijk verder dalen. Energieverlies in de productie van waterstof is onontkoombaar. Zelfs als je het wegdenkt. Zie het filmpje voor achtergrondinfo en voor de staat van het onderzoek; Laboratoriumbekers, kleine elektroden aan krokodillenbekjes en minieme bubbels. Niet het Technology Readiness Level waarop je als bank economische ramingen zou moeten willen baseren.
De kostprijs is niet de marktprijs, ik herhaal..
Wat ik in de analyse van ABN Amro misschien nog wel meer mis is een reële indicatie van de verwachte volumes elektriciteit die de komende decennia beschikbaar zijn voor productie van groene waterstof.
Aardgas is goedkoop omdat het in overvloed beschikbaar is. Aardgasverbruik kan duurder worden als CO2-uitstoot een hogere prijs krijgt. Waterstof kan alleen goedkoop worden als het aanbod voldoende groot is.
Als ik in 2030 jaarlijks 200 kilo waterstof kan produceren tegen een kostprijs van €2 euro per kilo en in de markt is behoefte aan 20.000 kilo waterstof per jaar dan verkoop ik mijn 200 kilo waterstof niet tegen kostprijs. Een denkbare kostprijs zegt mij bijna niets over de te verwachten marktprijs. De marktprijs is de prijs die telt voor het in het rapport beoogde verbruik.
Bron: Nature, ABN Amro / Imagecredit: Sharon McCutcheon, via Unsplash Public Domain
Oprichter WattisDuurzaam en duurzaamheidsadviseur bij We-Boost Transitions.
Ontdek meer van WattisDuurzaam.nl
Abonneer je om de nieuwste berichten naar je e-mail te laten verzenden.
Dit artikel heeft het eerst over het spoelen van de reactor maar later over het opwarmen van het koude reactorwater. Welke is het? Voor spoelen hoef je niet het koude water te verwarmen naar 95 graden. De regel ‘In elke cyclus water opwarmen van 25 naar 95 graden is in de regel niet gratis.’ gaat dan niet op. De vraag is dan meer hoeveel warmte het water van 95 graden verliest en of dit water danwel de warmte van dat water herbruikbaar is.
Boeiende case!
Hieronder mijn commentaar
Zie de 2 rechter afbeeldingen onder ‘b’ in ‘Figuur 1 uit de studie’ hierboven
Stap 1 (linker plaatje uit de figuur):
4 Ni(OH)2 => 4 NiOOH + 2 H2O + 2 H2
Waterstof ontstaat op precies dezelfde manier als in een conventionele elektrolyzer:
4 H2O + 4 e- => 2 H2 + 4 OH-
De stap verloopt, net zoals in een conventionele elektrolyzer, met 95+% rendement
Maar nu treedt, anders bij een conventionele elektrolyzer, aan dezelfde elektrode deze reactie op, waarbij elk nikkel ion 1 elektron afstaat.
4 Ni2+ => 4 Ni3+ + 4 e-
Ni2+ is aanwezig als Ni(OH)2, Ni3+ als NiOOH, dat niets anders is dan Ni(OH)3, dat 1 H2O heeft afgesplitst.
Kennelijk verloopt deze reactie ook met hoog rendement.
Stap 2 (linker plaatje uit de figuur):
4 NiOOH + 4 H2O => 4 Ni(OH)2 + O2
Elk nikkel ion neemt nu 1 elektron op:
4 Ni3+ + 4 e- => 4 Ni2+
Maar nu moeten twee OH- ionen in totaal 4 elektronen afstaan en daarbij ook nog een keer elkaar treffen:
4 OH- => O2 + 4 H+ + 4 e-
En dat is de problematische stap, hier gaat relatief veel energie warmte verloren en dat betekent een laag rendement. Daarom heeft een conventionele elektrolyzer, ondanks platina aan het oppervlak, overall maar een energie rendement van 70%. Met nikkel zal dat nog lager zijn, omdat nikkel een veel minder effectievere katalysator is voor deze omzetting dan platina.
De energie, die verloren gaat, komt van het water van 95°C. Maar meestal is dat restwarmte, die geen waarde heeft. Maar als je dit alleen voor dit doel zou moeten gaan maken, kost dat wel degelijk energie. Behalve bij een kerncentrale, is water van 95°C ook gemakkelijk te produceren in een woestijn. De vraag is dan, hoe koel al dat water daar dan weer af tot 25°C? En dan zou je naar IJsland moeten gaan, want daar is koeling geen probleem. Bovendien is daar ook veel water van 95°C. Maar IJsland is ten ene male te klein om de hele wereld van energie te voorzien.
Je zou dit proces als een semi-flowbatterij kunnen zien. Afgezien van koeling, zal een andere beperkende factor het nikkel oppervlak zal zijn. Je hebt namelijk veel meer nikkel nodig dan in een conventionele elektrolyzer, waar de elektronen door de zuurstof atomen geleverd worden, die binnen komen als H2O en daarna als O2 het systeem verlaten.