Elektrolyse: hoe je met stroom water in brandstof verandert
Stel je een glas water voor met twee metalen staafjes erin, verbonden met een batterij. Zodra je de stroom aanzet, zie je aan beide staafjes piepkleine belletjes gas ontstaan. Dat simpele schoolexperiment, vaak nagedaan met een AA-batterij en twee potloodpunten, is in essentie elektrolyse: het splitsen van watermoleculen in waterstofgas en zuurstofgas met behulp van elektrische stroom. Wat op de keukentafel een leuk demonstratieproefje is, wordt in de industrie opgeschaald tot installaties ter grootte van een voetbalveld, en geldt als een van de belangrijkste technieken in de zoektocht naar schone energie.
De reden dat elektrolyse nu volop in het nieuws is, heeft alles te maken met de energietransitie. Waterstof die via elektrolyse wordt gemaakt, kan dienen als brandstof, als grondstof voor de chemische industrie of als een soort batterij voor overtollige zonne- en windstroom. Als de elektriciteit die de elektrolyse aandrijft groen is, spreekt men van 'groene waterstof', een term die inmiddels in bijna elk artikel over de energietransitie opduikt. De techniek zelf is overigens niet nieuw: al in 1800 ontdekten de Britse onderzoekers William Nicholson en Anthony Carlisle dat je water met stroom kunt splitsen, kort nadat Alessandro Volta de eerste batterij had uitgevonden.
Wat is het precies?
Een elektrolyse-installatie, een elektrolyser, bestaat in de kern uit twee elektroden (een plus- en een minpool) die in een geleidende vloeistof of tegen een membraan staan, aangesloten op een stroombron. Aan de negatieve elektrode, de kathode, worden watermoleculen omgezet in waterstofgas. Aan de positieve elektrode, de anode, ontstaat zuurstofgas. Tussen beide elektroden zit een membraan dat de gassen gescheiden houdt, wat belangrijk is omdat een mengsel van waterstof en zuurstof explosief kan zijn.
Er bestaan drie hoofdtypen elektrolysers, die verschillen in het materiaal van dat membraan en de temperatuur waarop ze werken. Alkalische elektrolyse (AEL) is de oudste en goedkoopste techniek en gebruikt een vloeibare, basische elektrolyt; ze is robuust maar reageert traag op snel wisselende stroomtoevoer. PEM-elektrolyse (Proton Exchange Membrane) gebruikt een vaste, zure polymeermembraan, is compacter en reageert sneller op schommelingen, wat handig is bij zon- en windstroom, maar heeft zeldzame metalen als iridium en platina nodig als katalysator. Vaste-oxide-elektrolyse (SOEC) werkt op hoge temperatuur, rond 700 tot 850 graden Celsius, en is in potentie het efficiëntst omdat een deel van de benodigde energie als warmte in plaats van stroom kan worden geleverd, maar deze technologie is nog het minst volwassen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter elektrolyse is het vervangen van fossiele waterstof. Waterstof wordt namelijk al meer dan een eeuw op grote schaal gebruikt, vooral in de kunstmestindustrie en bij olieraffinage, maar bijna altijd gemaakt uit aardgas via een proces dat flink wat CO2 uitstoot. Elektrolyse met hernieuwbare stroom biedt een manier om diezelfde waterstof te maken zonder die uitstoot.
Daarnaast hoopt men elektrolyse in te zetten voor sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn: staalproductie, zware scheepvaart, luchtvaart en de chemische industrie, waar waterstof kan dienen als grondstof voor ammoniak, methanol of synthetische kerosine. Een derde doel is energieopslag: zonne- en windstroom is er niet altijd wanneer je hem nodig hebt, en waterstof kan overtollige stroom omzetten in een brandstof die maandenlang bewaard en getransporteerd kan worden, iets wat met batterijen op die schaal nog niet praktisch is.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij Shell's raffinaderij in het Duitse Wesseling, nabij Keulen, draait sinds 2021 het project REFHYNE: een 10 megawatt grote PEM-elektrolyser die waterstof levert aan de raffinaderij. Een uitbreiding met 100 megawatt, REFHYNE II, werd aangekondigd maar door Shell in 2023 on hold gezet vanwege oplopende kosten en onzekere afzetmarkt, een goed voorbeeld van hoe ambitieuze plannen in de praktijk vertragen.
In het Deense Hobro draait sinds 2018 HyBalance, een kleinere PEM-elektrolyser van 1,2 megawatt die stroom van windturbines omzet in waterstof voor de industrie en voor waterstofauto's.
In het Spaanse Puertollano opende Iberdrola in 2022 een 20 megawatt PEM-elektrolyser, gekoppeld aan een zonnepark, die groene waterstof levert voor de productie van groene ammoniak bij kunstmestfabrikant Fertiberia.
Dichter bij huis loopt het Nederlandse project NortH2 bij de Eemshaven in Groningen, een samenwerking van Shell, RWE, Equinor, Gasunie en de provincie Groningen, dat op termijn enkele gigawatts aan elektrolysecapaciteit moet krijgen, gevoed door windenergie op de Noordzee. De definitieve investeringsbeslissing is echter meermaals uitgesteld, onder meer omdat de businesscase nog niet rondkomt.
In China startte staatsoliebedrijf Sinopec in augustus 2023 bij Kuqa, in de regio Xinjiang, wat destijds het grootste groene-waterstofproject ter wereld was: een fabriek die met zonne-energie ongeveer 20.000 ton groene waterstof per jaar produceert.
Hoe ver is de techniek?
Elektrolyse is als scheikundig principe al twee eeuwen bekend en op laboratoriumschaal volledig beheerst. De uitdaging zit hem niet in de vraag of het werkt, maar in het opschalen naar industriële volumes tegen een acceptabele kostprijs. Volgens het Internationaal Energie Agentschap (IEA) blijft de wereldwijd daadwerkelijk geïnstalleerde elektrolysecapaciteit fors achter bij de aangekondigde plannen: van de vele gigawatts aan projecten die de afgelopen jaren zijn aangekondigd, heeft slechts een klein deel daadwerkelijk een investeringsbeslissing bereikt en is een nog kleiner deel operationeel.
Belangrijke obstakels zijn de hoge kosten van groene elektriciteit, de beperkte beschikbaarheid van zeldzame materialen zoals iridium voor PEM-elektrolysers, trage vergunningsprocedures, netcongestie en vooral onzekerheid over de afzetmarkt: bedrijven zijn terughoudend om lange-termijncontracten voor dure groene waterstof te tekenen zolang goedkopere, fossiele waterstof beschikbaar blijft. Verschillende grote projecten, ook buiten de hier genoemde voorbeelden, zijn de afgelopen jaren vertraagd, verkleind of stopgezet, onder meer in Australië en de Verenigde Staten. Tegelijkertijd dalen de kosten van elektrolysers geleidelijk door schaalvergroting in productie, vergelijkbaar met wat eerder bij zonnepanelen gebeurde, en verbetert de efficiëntie van met name PEM- en SOEC-systemen.
Wie werken eraan?
Belangrijke fabrikanten van elektrolysers zijn onder meer Thyssenkrupp Nucera en Sunfire (Duitsland), Nel Hydrogen (Noorwegen), ITM Power (Verenigd Koninkrijk), Siemens Energy (Duitsland), John Cockerill (België), McPhy (Frankrijk) en Cummins-dochter Accelera en Plug Power (Verenigde Staten). Ook Chinese producenten zoals LONGi Hydrogen en Sungrow breiden hun productiecapaciteit snel uit en drukken de prijzen.
Op onderzoeksgebied spelen instituten als TNO in Nederland, Fraunhofer ISE en Forschungszentrum Jülich in Duitsland, en NREL in de Verenigde Staten een belangrijke rol bij het verbeteren van efficiëntie en levensduur van elektrolysers. Beleidsmatig zet vooral de Europese Unie in op opschaling via het IPCEI Hydrogen-programma en de Europese Waterstofbank, terwijl landen als Duitsland, Nederland, Saudi-Arabië (met het omvangrijke NEOM-project) en China fors investeren in eigen productiecapaciteit en infrastructuur.