TU Eindhoven brengt waterstof als energiebron voor huishoudens stap dichterbij
Een electrolyzer van koelkastformaat voor elke buurt: het apparaat slaat alle energie van de zonnepanelen op de daken in de wijk overdag op als waterstof. Ondergrondse gasleidingen vervoeren vervolgens waterstof naar de woonhuizen waar de CV-ketel is vervangen voor een brandstofcel. Deze zet het opgeslagen waterstof weer om naar elektriciteit. Voor Emiel Hensen, hoogleraar en decaan faculteit Scheikundige Technologie aan de TU Eindhoven, is dat meer dan een droom. Want dankzij een uitvinding van zijn onderzoeksgroep samen met Chinese, Singaporese en Japanse onderzoekers heeft Hensen een katalysator ontwikkeld die de opslag van energie in waterstof 20 keer effectiever maakt.
Hensen is samen met andere Eindhovense onderzoekers en een groep industriële partners uit Brabant bezig met de opzet van een energie-instituut van de TU Eindhoven dat de ontwikkeling van deze technologie moet gaan versnellen.
Hoe werkt het?
Katalysatoren versnellen chemische reacties, maar het hierbij veelgebruikte metaal platina is schaars en duur. de onderzoekers rond Hensen hebben nu een alternatief ontwikkeld met een 20 keer hogere activiteit: een katalysator met holle nanokooien van een legering van nikkel en platina. Hensen wil op termijn met deze nieuwe katalysator een elektrolyzer op koelkastformaat ontwikkelen van ongeveer 10 megawatt. De resultaten zijn vandaag * gepubliceerd in het vakblad Science.
De rijksoverheid wil in 2050 bijna alle benodigde energie voor Nederland uit duurzame bronnen halen, bijvoorbeeld van de zon of de wind. Omdat deze energiebronnen niet op elk moment beschikbaar zijn, is het belangrijk om de opgewekte energie te kunnen opslaan. Vanwege hun lage energiedichtheid zijn batterijen niet geschikt om zeer grote hoeveelheden energie op te slaan, dit kun je beter doen in chemische bindingen. Waterstof is daarbij het meest voor de hand liggende gas. Een elektrolyzer zet (een overschot van) elektrische energie met water om in waterstof, dat opgeslagen kan worden. Op een later tijdstip doet een brandstofcel het omgekeerde, waarbij het opgeslagen waterstof weer omgezet wordt in elektrische energie. Voor beide technologieën is een katalysator nodig die het proces aanzwengelt.
De katalysator die helpt bij deze omzettingen is – vanwege zijn hoge activiteit – veelal gemaakt van platina. Maar platina is erg duur en relatief schaars; een probleem als we op grote schaal electrolyzers en brandstofcellen willen gebruiken. Hensen: “Collega-onderzoekers uit China ontwikkelden daarom een legering van platina en nikkel, waarmee de kosten omlaag en de activiteit juist omhoog gaan.” Een effectieve katalysator heeft namelijk een hoge activiteit; het 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 zo de activiteit van de nieuwe legering te voorspellen, en konden we begrijpen waarom deze nieuwe katalysator zo effectief is.”
Succesvol getest in brandstofcel
Naast de andere metaalkeuze wisten de onderzoekers ook de morfologie flink aan te passen. De atomen in de katalysator moeten namelijk een binding aangaan met de watermoleculen om deze om te kunnen zetten. Meer bindingsplaatsen leidt dus 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.” Hensen toonde bovendien met kwantumchemische berekeningen aan dat de specifieke oppervlaktestructuren die de nanokooien vertonen de activiteit nóg verder verhogen.
Beide oplossingen blijken na het doorrekenen in Hensens model een 20 keer hogere activiteit op te leveren dan de huidige katalysatoren van platina. En dat 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 in een waterstofauto of woonhuis 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.
Elektrolyzer in elke wijk
De mogelijkheden voor deze nieuwe katalysator zijn legio. Zowel in de vorm van de brandstofcel, als bij de omgekeerde reactie in een elektrolyzer. Zo worden brandstofcellen gebruikt in waterstofauto’s, maar ook sommige ziekenhuizen hebben nu al noodaggregaten met brandstofcellen die op waterstof lopen. Een elektrolyzer kan bijvoorbeeld toegepast worden bij windmolenparken op zee of misschien zelfs naast elke windmolen.
Hensens droom gaat verder: “Ik hoop dat we straks in elke wijk een electrolyzer kunnen neerzetten. Dit apparaat van koelkastformaat slaat alle energie van de zonnepanelen op de daken in de wijk overdag op als waterstof. De ondergrondse gasleidingen vervoeren voortaan waterstof, en de CV-ketel in huizen wordt vervangen voor een brandstofcel. Deze laatste zet het opgeslagen waterstof weer om naar elektriciteit. Zo maken we optimaal gebruik van zon.”
Maar daarvoor moet de elektrolyzer nog wel flink worden doorontwikkeld. Hensen is daarom samen met andere TU/e-onderzoekers én industriële partners uit Brabant betrokken bij het opstarten van het energie-instituut van de TU Eindhoven. 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.
* Dit 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’.
Tekst door Innovation Origins.
Beeld © TU Eindhoven