07 - 01 - 2020

Kleine maar belangrijke stap

Nieuwe katalysator maakt energieopslag in waterstof 20x effectiever

 

Bij de omzetting van elektriciteit naar waterstof wordt traditioneel platina als katalysator gebruikt. Maar platina is schaars en duur. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben nu een alternatief ontwikkeld dat goedkoper is en twintig keer effectiever. Het is een belangrijke stap in de verdere ontwikkeling van elektrolyzers, onmisbaar voor opslag van energie uit wind en zon.

 

Tekst: Igor Znidarsic

 

Omdat hernieuwbare energie niet op elk moment beschikbaar is, is het belangrijk om de opgewekte energie te kunnen opslaan. Stoffen lijken daarvoor beter geschikt dan batterijen, en waterstof is daarbij het meest voor de hand liggend. Waterstof kan gemaakt worden met een elektrolyzer die (een overschot aan) elektrische energie met water omzet in waterstof, dat opgeslagen kan worden. Op een later tijdstip zet een brandstofcel het opgeslagen waterstof weer om in elektrische energie. Voor beide omzettingen is een katalysator nodig die het proces aanzwengelt. “Veel elektrolyzer-technologie stamt nog uit de jaren vijftig en is eigenlijk niet echt verder ontwikkeld”, zegt Emiel Hensen, hoogleraar katalyse aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e). “Daar zijn nog stappen in te maken, met betere membranen en betere katalysatoren.” Een belangrijke stap heeft de TU/e onlangs gemaakt door, samen met Chinese, Singaporese en Japanse onderzoekers, een katalysator te ontwikkelen die twintig keer efficiënter is dan platina, die vanwege de hoge activiteit veelal bij deze omzettingen wordt gebruikt. Het onderzoek is gepubliceerd in Science.


Een kleine brandstofcel, gebruikt voor testen in het lab.
 

Nanokooien

Omdat platina duur en schaars is, kan dit een probleem zijn als elektrolyzers en brandstofcellen op grote schaal toegepast gaan worden. “Collega-onderzoekers uit China ontwikkelden daarom een legering van platina en nikkel, waarmee de kosten omlaag gaan en de activiteit omhoog”, vertelt Hensen. Een effectieve katalysator zet per seconde meer watermoleculen om in waterstof. “Bij de TU/e hebben we de invloed van nikkel op de meest belangrijke reactiestappen onderzocht. Hiervoor ontwikkelden we een computermodel gebaseerd op beelden van een elektronenmicroscoop. Met kwantumchemische berekeningen wisten we de activiteit van de nieuwe legering te voorspellen en konden we begrijpen waarom deze nieuwe katalysator zo effectief is.”

Naast de andere metaalkeuze, wisten de onderzoekers ook de morfologie aan te passen. De atomen in de katalysator moeten namelijk een binding aangaan met de watermoleculen. Meer bindingsplaatsen leidt tot een hogere activiteit. Hensen: “Je wilt dan ook zoveel mogelijk metaaloppervlak beschikbaar maken. De ontwikkelde holle nanokooien zijn naast de buitenkant ook van binnenuit te benaderen. Zo ontstaat een groot oppervlak, waardoor meer materiaal tegelijkertijd kan reageren.”

 

Cv-ketel

Beide oplossingen blijken na het doorrekenen in Hensens model een twintig keer hogere activiteit op te leveren dan de huidige katalysatoren van platina. Dit resultaat hebben de onderzoekers ook teruggevonden in experimentele tests in een brandstofcel. “Een belangrijk kritiekpunt op veel fundamenteel werk is dat het zijn ding in het lab doet, maar als iemand het in een echt apparaat stopt dan werkt het vaak niet. Wij hebben laten zien dat het écht werkt.” Een katalysator moet zó stabiel zijn dat deze jarenlang kan blijven werken. De onderzoekers hebben de katalysator daarom 50.000 ‘ronden’ getest in de brandstofcel, en zagen daarbij een te verwaarlozen afname in activiteit.

Hensen is samen met andere TU/e-onderzoekers en industriële partners in Brabant betrokken bij het opstarten van het energie-instituut van de TU/e. Het doel is om de elektrolyzers die nu op de markt zijn flink op te schalen, tot een elektrolyzer op koelkastformaat van ongeveer 10 megawatt. “Ik hoop dat we straks in elke wijk in Nederland een elektrolyzer kunnen neerzetten, die de energie van de zonnepanelen op de daken in de wijk opslaat als waterstof. De ondergrondse gasleidingen vervoeren voortaan waterstof, en de cv-ketel in huizen wordt vervangen door een brandstofcel, die het opgeslagen waterstof weer omzet naar elektriciteit.”


“Dat ons onderzoek in Science is gepubliceerd, betekent dat het een doorbraak kan zijn”
 

Industrie

Of elektrolyzers ook toegepast kunnen worden op de grote schaal van de (chemische) industrie, is volgens Hensen vooral afhankelijk van de kapitaalinvesteringen in de technologie. “Er zijn nog veel investeringen nodig om de technologie op een bepaalde schaalgrootte te kunnen toepassen. Het probleem van een elektrolyzer is dat deze niet altijd kan draaien, terwijl een bepaalde draaitijd wel nodig is om rendabel te zijn. Elke bijdrage om de technologie goedkoper te maken, maakt het mogelijk om de energie goedkoper op te kunnen slaan. Daarin liggen kansen voor de Nederlandse maakindustrie. Zonnecellen waren ook ooit duur, maar zijn nu spotgoedkoop.”

De nieuwe katalysator is in ieder geval een stap in de goede richting. Klein weliswaar, maar belangrijk. “Dat ons onderzoek in Science is gepubliceerd, betekent dat erkend wordt dat het een doorbraak kan zijn”, aldus Hensen.

 


Elektriciteit of waterstof vervoeren?

Wat is verstandiger: een grote elektrolyzer bouwen op de schaal van een elektriciteitsplant van bijvoorbeeld 1 gigawatt, of bij elk windmolenpark op zee of bij elke windmolen een elektrolyzer plaatsen? Verschillende studies wijzen uit dat waterstof vervoeren goedkoper is dan elektriciteit vervoeren. Waar voor elektrificatie veelal nieuwe kabels gelegd moeten worden, ligt er voor waterstof al het aardgasnetwerk, waarbij alleen bepaalde onderdelen zoals pompen en gasmeters moeten worden aangepast. Dit zou pleiten voor de tweede optie, met vervoer van waterstof vanaf de windmolenparken naar de gebruikers op het land.

 

Het onderzoek is gepubliceerd in Science op 15 november, onder de titel ‘Engineering Bunched Pt-Ni Alloy Nanocages for Efficient Oxygen Reduction in Practical Fuel Cells’. DOI: 10.1126/science.aaw7493

 


Lees meer over dit onderwerp via de tag(s):
Hernieuwbare energie

Onderdeel van dossier(s):