Groene waterstof, geproduceerd via elektrolyse met elektriciteit uit zon en wind, speelt een cruciale rol in de transitie van fossiele naar hernieuwbare energie. Iridium is een schaars materiaal dat op dit moment nog onmisbaar is in electrolysers die werken met de veel gebruikte PEM (Proton Exchange Membrane)-technologie. Onderzoekers van TNO zijn er als eerste in geslaagd een methode te ontwikkelen waarmee 200 keer minder iridium nodig is en waarbij nu al een performance van 25% – 46% van de huidige generatie electrolysers behaald kan worden. Op dit procedé is patent aangevraagd.
‘De voorziene groei van groene waterstof van 300 megawatt in 2020 naar tientallen gigawatt in 2030, heeft een keerzijde’, zegt TNO-expert Lennart van der Burg. ‘Het betekent een evenredig groeiende behoefte aan het schaarse iridium voor de te bouwen electrolysers. Uit eerder onderzoek van TNO blijkt dat de opschaling van elektrolyse in gevaar komt vanwege de zeer beperkte beschikbaarheid van schaarse materialen, met name Iridium en Platinum. Over tien jaar zou de vraag naar iridium de beschikbare hoeveelheid ver overtreffen. Bovendien zijn we voor de levering afhankelijk van slechts een handjevol landen, met alle risico’s van dien.’
Technologische doorbraak
‘Het feit dat we het benodigde iridium met een factor 200 reduceren en daarbij nu al op gemiddeld een derde van de performance van de huidige electrolysers zitten, is een technologische doorbraak’ zegt Van der Burg. Onderzoekers van TNO Faraday Lab in Petten, gespecialiseerd in elektrolyse, werkten samen met collega’s van TNO Holst Centre in Eindhoven. TNO ontwikkelde hier eerder de technologie spatial Atomic Layer Deposition (sALD), een methode om extreem dunne lagen functionele materialen op grote oppervlakken aan te brengen. Die was bedoeld om een nieuwe generatie displays voor tv’s, tablets en smartphones te ontwikkelen. Het onderzoeksteam heeft de technologie nu ook toepasbaar gemaakt voor electrolysers.
Link magazine editie september 2022 thema Arbeidsmarktkrapte: een zorg, maar ook kansrijk. Lees Link digitaal of vraag een exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl’
Stabiliteit aangetoond
De afgelopen twee jaar deed TNO experimenten met de sALD-technologie. In plaats van op een membraan zoals nu gebruikelijk is, brachten de onderzoekers een ultradunne laag iridium als katalysator materiaal aan op een poreuze transportlaag van titanium. De werking en stabiliteit van het nieuwe procedé is inmiddels na talloze testen in het lab aangetoond. Er trad nauwelijks tot geen degradatie op. Bijkomend voordeel is dat de membraan in de electrolyser gevrijwaard blijft van iridium en daardoor beter is te recyclen en hergebruiken.
Opschalen noodzakelijk
Binnen het samenwerkingsverband Voltachem werkt TNO met een groep toonaangevende industriële partners er aan om deze veelbelovende technologie van het lab naar de praktijk te brengen. Daarvoor moet de methode eerst worden opgeschaald op pilot schaal om de werking in praktijkomstandigheden aan te tonen. ‘We zijn er dus nog niet’, waarschuwt Van der Burg. ‘In het lab aantonen dat de technologie werkt is mooi maar doorontwikkeling is nodig om de levensduur en efficiency te verbeteren en het op schaal te kunnen produceren. Eerder riepen we samen met een aantal Europese onderzoeksinstellingen op om bij grote pilotprojecten ook eisen te stellen aan het gebruik van schaarse materialen. Dan zou in dat jaar, volgens de huidige doelstellingen, een elektrolysecapaciteit van 40 GW in Europa moeten staan, hopelijk dan met een veel lager beroep op schaarse materialen.’
VoltaChem is een “Shared Innovation Knowledge Program”, opgezet door TNO en de Topsector Chemie. Dit innovatieve programma brengt wetenschappelijke experts en stakeholders uit de elektriciteitssector, de apparatensector en de chemische industrie samen. VoltaChem faciliteert onderzoek en samenwerking tussen de energie- en chemiesector om een selectie van de moeilijkste uitdagingen op het gebied van energieverbruik en efficiëntie op te lossen.
