Faradaic efficiëntie: hoeveel elektriciteit gaat er écht in de gewenste reactie?
Stel je een muntautomaat voor die chocoladerepen verkoopt. Je gooit tien munten in de gleuf, maar door slijtage in het mechaniek komen er maar acht repen uit: twee munten verdwijnen zonder dat er iets nuttigs gebeurt. De verhouding tussen wat je erin stopt en wat je er werkelijk voor terugkrijgt, dat is in essentie waar Faradaic efficiëntie over gaat — alleen dan met elektrische stroom in plaats van munten, en met chemische stoffen in plaats van chocoladerepen.
In de elektrochemie stuur je elektrische stroom door een vloeistof om er een chemische reactie mee op gang te brengen, bijvoorbeeld het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Faradaic efficiëntie (ook wel Faraday-rendement of stroomrendement genoemd) is het percentage van de toegevoerde elektrische lading dat daadwerkelijk wordt gebruikt voor de reactie die je wilt. De rest van de stroom gaat “verloren” aan ongewenste bijreacties. Dit getal is cruciaal voor iedereen die met elektriciteit chemische producten wil maken, van waterstoffabrikanten tot batterijontwikkelaars.
Wat is het precies?
De basis werd al in de negentiende eeuw gelegd door de Engelse natuurkundige en scheikundige Michael Faraday. Hij ontdekte dat de hoeveelheid stof die bij een elektrode wordt omgezet, recht evenredig is aan de hoeveelheid elektrische lading die erdoorheen is gestuurd. Deze relatie, bekend als de wet van Faraday, gebruikt een vaste natuurconstante: de Faraday-constante, ongeveer 96.485 coulomb per mol elektronen.
Met deze wet kun je precies berekenen hoeveel product er theoretisch zou moeten ontstaan als alle stroom naar de gewenste reactie zou gaan. Faradaic efficiëntie is dan simpelweg de verhouding tussen wat er werkelijk is geproduceerd (gemeten, bijvoorbeeld met gaschromatografie of door te wegen) en wat er theoretisch had gemoeten, uitgedrukt in een percentage.
Waarom komt dat percentage bijna nooit op honderd uit? Omdat elektroden zelden maar één reactie tegelijk laten plaatsvinden. Bij het maken van waterstof uit water kan er bijvoorbeeld ook een beetje van het elektrodemateriaal zelf oxideren, of kunnen onzuiverheden in de vloeistof meereageren. Bij het omzetten van CO2 in bruikbare chemicaliën is een notoir lastig probleem dat een deel van de stroom in plaats daarvan gewoon waterstofgas maakt uit de watermoleculen die toch aanwezig zijn — een reactie die energetisch makkelijker verloopt en daardoor stroom “wegkaapt”.
Belangrijk om te begrijpen: Faradaic efficiëntie gaat uitsluitend over de verdeling van lading over verschillende reacties, niet over warmteverlies door elektrische weerstand. Een cel kan dus een hoge Faradaic efficiëntie hebben (bijna alle stroom gaat naar de juiste reactie) en toch relatief veel energie verspillen als warmte, omdat er een hogere spanning nodig is dan strikt noodzakelijk. Het totale energierendement van een elektrochemisch proces is daarom altijd een combinatie van Faradaic efficiëntie én dit spannings- of energierendement.
Wat wil men ermee bereiken?
Een hogere Faradaic efficiëntie betekent minder verspilde stroom, minder ongewenste bijproducten om van te scheiden, en dus lagere kosten per kilo eindproduct. Dat maakt het een van de belangrijkste knoppen waaraan onderzoekers en ingenieurs draaien bij de ontwikkeling van “power-to-X”-technologie: het omzetten van (bij voorkeur duurzaam opgewekte) elektriciteit in waterstof, brandstoffen, kunstmest of chemische bouwstenen.
Voor groene waterstof is dit direct relevant voor de kostprijs: elektrolyse-installaties die met windmolens of zonnepanelen worden gevoed, moeten zo min mogelijk stroom verspillen om te kunnen concurreren met waterstof uit aardgas. Voor CO2-elektrolyse — het ombouwen van afgevangen CO2 tot bijvoorbeeld ethyleen of mierenzuur — is een hoge Faradaic efficiëntie zelfs een voorwaarde om het proces ooit economisch haalbaar te maken, omdat de gewenste reactie vaak in directe concurrentie staat met de veel “makkelijkere” productie van waterstofgas.
Ook in batterijen speelt een verwant begrip, Coulombic efficiency, een sleutelrol: hoe dichter die bij honderd procent ligt bij elke laad- en ontlaadcyclus, hoe langer een batterij meegaat voordat de capaciteit merkbaar afneemt.
Voorbeelden uit de praktijk
De chlooralkali-industrie, die chloor en natronloog maakt uit keukenzout en stroom, is een van de oudste grootschalige toepassingen van elektrolyse. Moderne membraancel-installaties, zoals die in de Nederlandse chemie-industrie in gebruik zijn, halen doorgaans een Faradaic efficiëntie van rond de 96 tot 98 procent — het resultaat van meer dan een eeuw procesoptimalisatie.
Bij de productie van groene waterstof via elektrolyse werken bedrijven als het Britse ITM Power, het Noorse Nel Hydrogen, het Duitse Siemens Energy en Thyssenkrupp Nucera aan alkaline- en PEM-elektrolysers (PEM staat voor proton exchange membrane, een type membraan dat waterstofionen doorlaat). Onder normale bedrijfsomstandigheden halen deze systemen vaak Faradaic efficiënties boven de 95 procent, al kan dat percentage dalen bij deellast, doordat geproduceerde gassen dan makkelijker door het scheidingsmembraan naar de verkeerde kant “lekken” (gascrossover).
Het Duitse bedrijf Sunfire ontwikkelt vaste-oxide-elektrolysers (SOEC) die op hoge temperatuur werken en in potentie een nog hoger totaalrendement halen, al is de levensduur van de materialen bij die temperaturen nog een punt van zorg.
Op het gebied van CO2-elektrolyse is het Amerikaanse bedrijf Twelve (voorheen Opus 12) een bekend voorbeeld: het zet afgevangen CO2 met stroom en water om in bouwstenen voor kunststoffen en brandstoffen. In wetenschappelijke publicaties over dit soort CO2-reductie lopen gerapporteerde Faradaic efficiënties sterk uiteen, van enkele tientallen procenten tot ver boven de 90 procent, afhankelijk van het gewenste eindproduct: eenvoudige moleculen zoals koolmonoxide of mierenzuur zijn doorgaans veel selectiever te maken dan complexere producten zoals ethyleen of ethanol.
Bij de klassieke aluminiumproductie via het Hall-Héroult-proces — waarbij aluinaarde bij hoge temperatuur wordt gesmolten met stroom — spreekt de industrie zelf van “stroomrendement” (current efficiency), dat doorgaans tussen de 90 en 95 procent ligt; de rest gaat verloren aan bijreacties zoals de vorming van kooldioxide en koolmonoxide uit de koolstofanodes.
Hoe ver is de techniek?
Voor volwassen industriële processen zoals chlooralkali-elektrolyse en aluminiumproductie is er weinig ruimte meer voor grote sprongen: die zijn na decennia optimalisatie al dicht bij hun praktische maximum. Waterelektrolyse voor waterstof is inmiddels ook een commercieel beschikbare, op grote schaal uitgerolde technologie, met installaties van honderden megawatts die wereldwijd in aanbouw of gepland zijn; de Faradaic efficiëntie is hier zelden de bottleneck, het spanningsrendement en de kapitaalkosten meer.
CO2-elektrolyse naar waardevolle chemicaliën staat wetenschappelijk en technisch nog in een veel vroeger stadium. De meeste resultaten met hoge Faradaic efficiëntie komen uit laboratoriumopstellingen van enkele vierkante centimeters; opschalen naar reactoren van industrieel formaat, met stabiele katalysatoren die maanden meegaan in plaats van uren, is een van de belangrijkste openstaande uitdagingen. Onderzoekers zijn het er niet over eens hoe snel dit tot commercieel haalbare fabrieken zal leiden — schattingen in de sector variëren van dit decennium tot ver na 2030, afhankelijk van het beoogde product en de beschikbaarheid van goedkope duurzame stroom.
Wie werken eraan?
Op de bedrijfskant zijn, naast de al genoemde ITM Power, Nel Hydrogen, Siemens Energy, Thyssenkrupp Nucera, Sunfire en Twelve, ook partijen als Plug Power (Verenigde Staten) en diverse Chinese elektrolyserfabrikanten actief in de opschaling van waterelektrolyse.
Op onderzoeksgebied lopen de Technische Universiteit Delft en de Universiteit Leiden in Nederland al jaren voorop in fundamenteel onderzoek naar elektrokatalyse voor CO2-reductie en waterstofproductie. Internationaal zijn onder meer het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Caltech in de Verenigde Staten, het Lawrence Berkeley National Laboratory, het Duitse Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion, het Fraunhofer ISE-instituut en het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL) belangrijke centra voor dit type onderzoek.
Beleidsmatig wordt de ontwikkeling vooral gestuwd door de Europese Unie (via de Europese Green Deal en de waterstofstrategie), Duitsland en Nederland (met hun sterke chemische industrie en havens die als importpunt voor waterstof fungeren), en de Verenigde Staten via het Department of Energy, dat grootschalige subsidieprogramma's voor waterstof- en CO2-omzettingstechnologie financiert.