Waterstof uit zeewater

Procestechnieken zonder rendementsverlies door waterzuivering

Omdat er veel offshore windparken zijn, wordt er veel onderzoek gedaan naar de productie van waterstof uit zeewater (via elektrolyse) om de overtollige energie op piekmomenten op te slaan. Om chloorgasvorming bij de anode te voorkomen, is een voorafgaande zuivering van het zeewater vereist, en dit betekent rendementsverlies. Bij Wageningen University & Research wordt dit omzeild door het gebruik van restwarmte bij de elektrolyse om het zeewater te zuiveren door membraandestillatie.

Directe elektrolyse van ongezuiverd zeewater

De elektrolyse van water veronderstelt zeer zuiver water. Onbehandeld zeewater is hiervoor dus ongeschikt.

Chinese onderzoekers publiceerden in Nature een onderzoek [1] dat wél gericht is op het gebruik van onbehandeld zeewater voor elektrolyse op zee, omdat voorbehandeling van zeewater rendementsverlagend en dus ongewenst is.

Bij windmolenparken is het in bepaalde gevallen niet mogelijk om alle door de windturbines opgewekte energie op te slaan, omdat het te hard waait. Het is mogelijk om deze overtollige energie om te zetten in waterstof, door middel van waterelektrolyse. Aan (zee)water is er immers geen gebrek. Dit water is echter niet geschikt voor een directe elektrolyse, vanwege de chloride-ionen, die ter hoogte van de anode chloorgas vormen.

Onderzoekers van Stanford University presenteerden recent een techniek waarmee ze zeewater wél rechtstreeks kunnen splitsen. Dit gebeurt in een elektrolysecel waarin twee membranen zijn aangebracht. Deze stoppen alle ionen behalve de waterstof- en de hydroxide-ionen. Zo ontstaat er bij de anode zuurstof uit hydroxide-ionen en bij de kathode waterstof uit waterstofionen.

Tot voor kort werd er voornamelijk gekeken naar de chloride-ionen, die je niet bij de anode wil hebben omwille van het chloorgas dat hierbij zou ontstaan. Op het membraan zitten negatieve ionen, die de doorgang van de chloride-ionen moeten beletten.

Dit lukt vrijwel volledig, volgens een artikel in het blad Joule [2]. Het succes geeft de onderzoekers vertrouwen dat het ook met andere schadelijke ionen gaat lukken, zodat die niet in andere schadelijke stoffen worden omgezet, of de polen eroderen. Bovendien wordt er schone zuurstof geproduceerd.

Project Sea2H2

Bij WUR wordt het probleem van rendementsverlies op een andere manier aangepakt, binnen het demoproject Sea2H2. Bij de elektrolyse komt er altijd warmte vrij. Deze warmte kan dienen voor de productie van zuiver water uit zeewater, door middel van membraandestillatie. Hierbij gaat de waterdamp door een membraan, wat feitelijk een afscheiding van de overige zeewaterbestanddelen betekent.

De drijvende kracht hiervoor is de temperatuurgradiënt over het membraan. De restwarmte van de elektrolyse dient om deze temperatuurgradiënt te creëren. Het netto-energieverbruik blijft dan beperkt tot een minimum.

Voor de elektrolyse is ongeveer een derde van het geproduceerde water nodig. De rest kan dienen als drinkwater in gebieden met een watertekort. Sea2H2 is een interessant project voor de offshore waterstofproductie en kan gebruikmaken van de bestaande gasinfrastructuur. Het voordeel daarbij is dat het transport van gas minder duur is dan dat van elektriciteit.

Het project Sea2H2 heeft als doel om de kostprijs van geproduceerde waterstof te verlagen

Het project Sea2H2 heeft als doel om de kostprijs van geproduceerde waterstof te verlagen via een significante verlaging van de investerings- en operationele kosten van het geïntegreerde offshore productieproces voor het produceren van waterstof uit zeewater.

Tegelijkertijd betekent dit project een besparing op de koeling van de elektrolyser. De restwarmte van de elektrolyser dient immers te worden afgevoerd.

Het consortium Sea2H2 (bestaande uit Hydrocon Energy, Wageningen University en het Nederlands Ministerie van Economische Zaken) heeft de techniek bewezen. Dit is vastgesteld in een pilotstudie uitgevoerd op het eiland Texel door onderzoekers van WUR. Een vervolgonderzoek moet uitwijzen of deze efficiëntie eveneens haalbaar is bij een installatie op een industriële schaal.

Referenties
[1] Heping Xie et al., A Membrane-based Seawater Electrolyser for Hydrogen Generation, Nature 612, pp. 673–678 (2022).
[2] Yao Zheng et al., Direct Seawater Splitting to Hydrogen by a Membrane Electrolyser, Joule, Volume 7, Issue 1, 18 Jan. 2023, pp. 20–22.