AEM-elektrolyse: waterstof maken zonder dure edelmetalen
Stel je een grote bak water voor waar twee elektrische kabels in hangen, aangesloten op een stroombron. Zet de stroom aan, en er ontstaan belletjes: aan de ene kabel waterstofgas, aan de andere zuurstof. Dat basisprincipe, elektrolyse genoemd, is al meer dan twee eeuwen bekend. AEM-elektrolyse is een relatief nieuwe manier om dat proces efficiënter en goedkoper te maken, met een speciaal soort membraan als kern van de truc.
AEM staat voor Anion Exchange Membrane, oftewel anion-uitwisselingsmembraan. Vergelijk het met een streng selecterende portier bij een club: alleen negatief geladen deeltjes (anionen, in dit geval hydroxide-ionen) mogen door een dun kunststof vlies heen, andere deeltjes worden tegengehouden. Die selectiviteit maakt het mogelijk om waterstof te produceren met goedkopere materialen dan bij concurrerende technieken, wat AEM-elektrolyse interessant maakt voor wie grootschalig 'groene' waterstof wil maken zonder daarbij afhankelijk te worden van zeldzame metalen.
Wat is het precies?
Bij elektrolyse van water wordt met elektrische stroom een watermolecuul (H₂O) gesplitst in waterstof (H₂) en zuurstof (O₂). Dat gebeurt in een cel met twee elektroden: een kathode (waar waterstof ontstaat) en een anode (waar zuurstof ontstaat), gescheiden door een membraan dat de twee gassen uit elkaar houdt maar wel bepaalde geladen deeltjes doorlaat.
Er bestaan grofweg drie gangbare typen elektrolyse, die vooral verschillen in het soort membraan en de chemische omgeving. Alkalische elektrolyse (AWE) is de oudste en goedkoopste variant: hierbij stroomt een sterk basische vloeistof (kaliumhydroxide) door de cel en gebruikt men goedkope elektroden van nikkel. Nadeel is dat deze systemen log zijn en niet goed meekunnen met snel wisselend stroomaanbod van zon en wind. PEM-elektrolyse (Proton Exchange Membrane) gebruikt juist een membraan dat positieve waterstofionen (protonen) doorlaat, werkt met zuiver water, is compact en reageert snel op stroomschommelingen — maar heeft platina en iridium nodig, twee van de zeldzaamste en duurste metalen ter wereld.
AEM-elektrolyse probeert het beste van beide werelden te combineren. Het membraan geleidt, net als bij alkalische elektrolyse, negatief geladen hydroxide-ionen (OH⁻) in plaats van protonen. Daardoor kan de cel, net als bij alkalische systemen, toe met goedkope metalen zoals nikkel, ijzer en kobalt als katalysator in plaats van platina en iridium. Tegelijk kan het systeem, net als PEM, werken met (bijna) zuiver water in plaats van bijtende loog, is het compact, en kan het relatief snel op- en afschakelen — belangrijk als de stroom van zonnepanelen of windturbines wisselt.
De achilleshiel zit in het membraan zelf. Anion-uitwisselingsmembranen zijn chemisch minder stabiel dan de membranen die bij PEM worden gebruikt: de basische omgeving rond het membraan kan de polymeerketens na verloop van tijd afbreken, waardoor de levensduur van de cel achterblijft bij die van gevestigde technieken. Veel van het lopende onderzoek richt zich dan ook op het chemisch stabieler maken van deze membranen.
Wat wil men ermee bereiken?
De centrale belofte van AEM-elektrolyse is kostenbesparing zonder concessies aan flexibiliteit. Iridium, essentieel voor PEM-elektrolysers, is extreem schaars — de wereldwijde jaarproductie past in een paar vrachtwagens — en dat wordt gezien als een reëel obstakel als waterstofproductie ooit wereldwijd flink moet opschalen. Alkalische systemen hebben dat probleem niet, maar zijn minder geschikt om direct te koppelen aan de grillige stroom van zonne- en windparken.
Door goedkope katalysatoren te combineren met de compactheid en flexibiliteit van een membraansysteem, hopen ontwikkelaars een technologie te bouwen die makkelijker en goedkoper op te schalen is dan PEM, en beter geschikt voor variabele duurzame stroom dan klassieke alkalische systemen. Het uiteindelijke doel is simpel: groene waterstof — waterstof gemaakt met hernieuwbare elektriciteit in plaats van aardgas — betaalbaarder maken, zodat het een reëel alternatief wordt voor toepassingen als zware industrie, scheepvaart en langeafstandstransport waar elektrificatie lastig is.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste naam in dit veld is Enapter, een Duits-Italiaans bedrijf dat modulaire AEM-elektrolysers bouwt in de vorm van compacte, stapelbare 'cores'. Enapter kondigde in 2021 een 'Gigafactory' aan in het Duitse Saerbeck, bedoeld om de productie van AEM-stacks te automatiseren en op te schalen naar grotere volumes — een stap die illustreert dat de sector de fase van laboratoriumdemonstraties probeert te ontgroeien richting fabrieksmatige productie.
In Canada werkt Ionomr Innovations aan de ontwikkeling en levering van anion-uitwisselingsmembranen en -ionomeren (het polymeermateriaal waarvan het membraan gemaakt is), een cruciaal onderdeel dat door meerdere elektrolyserbouwers wordt ingekocht in plaats van zelf ontwikkeld.
Op onderzoeksvlak geldt de groep van hoogleraar Yushan Yan aan de University of Delaware (VS) als een van de pioniers: zijn onderzoek naar stabielere hydroxide-geleidende polymeren, dat al sinds het begin van de jaren 2010 loopt, heeft mede de basis gelegd voor de membranen die nu commercieel gebruikt worden.
In Europa doet het Fraunhofer ISE in Freiburg (Duitsland) — een van de grootste toegepaste-onderzoeksinstituten voor zonne-energie en waterstof — testwerk aan AEM-stacks, onder meer om de levensduur en degradatiemechanismen van membranen beter te begrijpen. Ook het Italiaanse onderzoeksinstituut CNR-ITAE, gespecialiseerd in energieopslag en brandstofcellen, publiceert regelmatig over AEM-materialen.
Deze voorbeelden zijn met opzet bescheiden van schaal: in tegenstelling tot de grote, soms honderden megawatts tellende PEM- en alkalische elektrolyseprojecten die de laatste jaren zijn aangekondigd, blijft AEM voorlopig vooral zichtbaar in kleinere, modulaire installaties en onderzoeksopstellingen.
Hoe ver is de techniek?
In termen van 'technology readiness level' (TRL, een schaal van 1 tot 9 die aangeeft hoe volwassen een technologie is, van laboratoriumidee tot bewezen commercieel product) bevindt AEM-elektrolyse zich duidelijk achter alkalische elektrolyse en PEM-elektrolyse, die beide al decennia commercieel worden ingezet op grote schaal. AEM-systemen zijn inmiddels wel commercieel verkrijgbaar, met name in het kleinere tot middelgrote vermogenssegment, maar er staan wereldwijd nog geen elektrolysers van honderden megawatts op AEM-basis, zoals die inmiddels wel bestaan voor de andere twee technieken.
Het belangrijkste technische obstakel blijft de levensduur van het membraan en de katalysatorlaag: onder bedrijfscondities (hoge stroomdichtheid, basisch milieu) degraderen sommige materialen sneller dan wenselijk voor commerciële toepassing over meerdere jaren. Onderzoekers boeken hier geleidelijk vooruitgang, onder meer door chemisch stabielere polymeerstructuren te ontwerpen, maar onafhankelijk geverifieerde langetermijndata (over bijvoorbeeld tienduizenden bedrijfsuren) zijn nog schaarser dan bij PEM en alkalisch. Wie beweert dat AEM die concurrenten al heeft ingehaald, loopt op de feiten vooruit; het is vooralsnog een veelbelovende, maar nog rijpende techniek.
Wie werken eraan?
Naast Enapter en Ionomr Innovations, genoemd hierboven, zijn onder meer het Italiaanse De Nora (gespecialiseerd in elektroden en katalysatoren voor elektrochemische processen) en het Duitse chemieconcern Evonik actief in de ontwikkeling van materialen voor AEM-systemen. Ook membraanfabrikanten als AGC (met zijn Fumion-merk) leveren componenten aan deze markt.
Op onderzoeksgebied lopen naast Fraunhofer ISE, de University of Delaware en CNR-ITAE ook Amerikaanse nationale laboratoria als het National Renewable Energy Laboratory (NREL) en Los Alamos National Laboratory mee, vaak met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie. In Europa wordt onderzoek naar AEM-elektrolyse mede gefinancierd via EU-programma's voor waterstoftechnologie, als onderdeel van de bredere Europese ambitie om de afhankelijkheid van geïmporteerde platina- en iridiumvoorraden voor waterstofproductie te verkleinen.