Innovatieve Israëlische elektrolyser haalt géén efficiency van 98,7%

Sharon McCutcheon, via Unsplash Public Domain

In september 2019 publiceerde het prominente wetenschappelijk tijdschrift Nature Energy de resultaten van een onderzoek naar de E-TAC, een nieuw type elektrolyser. De E-TAC zou waterstof produceren met een rendement van 98,7%.

Een rendement van 98,7%, überhaupt?

Sinds september 2019 is de publicatie mij vaak onder de neus geschoven, als bewijs dat het rendement van 75% dat ik voor elektrolyse in mijn sommen over de zin en onzin van waterstof aanhoud veel te conservatief is.

Vanochtend bladerde ik door een rapport* van ABN Amro met kostprijsprojecties over waterstof en zag ik dat het hoge rendement van de E-TAC is aangenomen als efficiëntie vooralle waterstofproductie medio deze eeuw. Leest niemand met verstand van zaken zo’n rapport na voor publicatie, denk ik dan? Elke energie-omzetting met een droomrendement van 98,7% zou voor iedereen die bij een bank mag werken toch op zijn minst vragen moeten oproepen?

ABN is overigens zeker niet de eerste van wie ik meer verwacht die wegloopt met de Israëlische onderzoeksresultaten. Als iets te mooi klinkt om waar te zijn dan wordt het op de golven van de waterstofhype maar al te lief voor waar aangenomen.

*Het rapport ontving ik als bijlage bij een persbericht maar is door ABN Amro nog dezelfde dag weer ingetrokken.
Toevoeging 4 februari 2021: Het rapport blijkt toch (opnieuw?) beschikbaar op de site van ABM Amro.


Waar gaat het over, en waar gaat het mis?

Het onderzoek, uitgevoerd aan het Israëlische Technion Institute of Technology, is op zich zelf interessant. Pril maar mogelijk van waarde voor de energietransitie. De afkorting E-TAC staat voor Electrochemical – Thermally Activated Chemical Water Splitting. Die afkorting geeft betrekkelijk weinig prijs over de innovatie, want is op werkelijk elke elektrolyser van toepassing.

De vernieuwing zit in het stapsgewijs splitsen van water in zuurstof en waterstof. Waar conventionele elektrolysers continu waterstof produceren, verloopt de E-TAC-waterstofproductie in een zich herhalende cyclus van afgebakende stappen:

  1. Bij een lage temperatuur (25 graden Celsius) splitsen watermoleculen in waterstofgas en hydroxide-ionen. Deze ionen oxideren de nikkel-elektrode in het systeem. Dit deel van het proces is gedreven door elektriciteit;
  2. Vervolgens wordt het elektrische circuit onderbroken en wordt de reactor gespoeld met bijna kokend water (95 graden). Hierbij reageren de in de vorige stap aan de elektrode gebonden zuurstofatomen weg tot zuurstofgas.

Figuur 1 uit de studie.

De oplettende lezer zal gezien hebben dat voor deze reactie binnen dezelfde reactor afwisselend water met een temperatuur van 25 en 95 graden nodig is. De conclusie dat een rendement van 98,7% kolder moet zijn, is daarmee onvermijdelijk. Dat staat ook netjes in de studie beschreven. De 98,7% betreft enkel de eerste reactie, het splitsen van watermoleculen. Het wegreageren van de zuurstof is thermisch gedreven en vereist dus geen elektriciteit maar wel energie.


Kansen voor waterstofproductie bij kerncentrales

In elke cyclus water opwarmen van 25 naar 95 graden is in de regel niet gratis. Deze stap wegdenken uit het rendement van waterstofproductie is nooit te verdedigen. Als dit proces alle andere uitdagingen op het pad van lab naar industrie (o.a. lage stroomdichtheid, stabiliteit) weet te overwinnen dan liggen er mooie kansen op locaties waar kokend water toevallig goedkoop en ruim beschikbaar is én emissievrije elektriciteit betaalbaar is. Kerncentrales en geothermie gooien hoge ogen.

Voor de meest populaire vorm van waterstofproductie, gedreven door wind- en zonneparken, doet deze Israëlische vinding alleen ter zake als de warmteverliezen tijdens het spoelen nihil zijn. De studie vermeldt terloops dat de onderzoekers 2 kWh warmteverlies per geproduceerde kilo waterstof haalbaar achten. Dat is ambitieus en wordt niet onderbouwd, maar legt de bovengrens voor de efficiëntie van het totale systeem op 94%. Beter dan dat is dit systeem dus sowieso niet.

Met een acceptabele stroomsterkte zal het rendement in de praktijk verder dalen. Energieverlies in de productie van waterstof is onontkoombaar. Zelfs als je het wegdenkt. Zie het filmpje voor achtergrondinfo en voor de staat van het onderzoek; Laboratoriumbekers, kleine elektroden aan krokodillenbekjes en minieme bubbels. Niet het Technology Readiness Level waarop je als bank economische ramingen zou moeten willen baseren.


De kostprijs is niet de marktprijs, ik herhaal..

Wat ik in de analyse van ABN Amro misschien nog wel meer mis is een reële indicatie van de verwachte volumes elektriciteit die de komende decennia beschikbaar zijn voor productie van groene waterstof.

Aardgas is wel ruim beschikbaar

Aardgas is goedkoop omdat het in overvloed beschikbaar is. Aardgasverbruik kan duurder worden als CO2-uitstoot een hogere prijs krijgt. Waterstof kan alleen goedkoop worden als het aanbod voldoende groot is.

Als ik in 2030 jaarlijks 200 kilo waterstof kan produceren tegen een kostprijs van €2 euro per kilo en in de markt is behoefte aan 20.000 kilo waterstof per jaar dan verkoop ik mijn 200 kilo waterstof niet tegen kostprijs. Een denkbare kostprijs zegt mij bijna niets over de te verwachten marktprijs. De marktprijs is de prijs die telt voor het in het rapport beoogde verbruik.


Bron: Nature, ABN Amro / Imagecredit: Sharon McCutcheon, via Unsplash Public Domain

Dit vind je misschien ook leuk...