De opschaling van groene waterstofproductie door middel van elektrolyse loopt aan tegen hoge kosten door het ontbreken van de juiste meetmethodes voor onder meer veiligheid en kwaliteit. De roadmap ‘Meeteisen voor groene waterstofproductie’ geeft aan op welke gebieden innovatie nodig is. Volgens de opstellers van de roadmap zijn de producenten van de meetapparatuur nu aan zet, samen met de overheid en onderzoeksinstellingen.
Nederland heeft grote ambities voor de productie van waterstof door middel van elektrolyse. In het klimaatakkoord is afgesproken dat Nederland in 2030 ten minste 4 Gigawatt aan elektrolysecapaciteit heeft en 8 GW in 2032. Daarvoor is opschaling nodig van de huidige productietechnieken.
Het RVO MOOI 2020 project HyScaling van ISPT, een project dat tot stand kwam met hulp van subsidie van de Topsector Energie van het Ministerie van Economische Zaken en Klimaat, onderzoekt welke barrières moeten worden weggenomen om die doelstelling te halen. Een onderdeel van HyScaling is de roadmap Meeteisen voor groene waterstofproductie die in december 2022 werd gepubliceerd.
Arend de Groot, senior consultant groene waterstof bij TNO en een van de auteurs, verklaart waarom deze roadmap nodig was: “De productie van groene waterstof door middel van elektrolyse zal zich voor een belangrijk deel offshore gaan afspelen. De installaties moeten dus autonoom werken. Bovendien zijn elektrolyse-installaties bij uitstek modulaire systemen, anders dan bijvoorbeeld een chemische installatie met continuproductie. Met deze roadmap hebben we geïnventariseerd of de meettechnieken die in de huidige kleinere elektrolyse installaties worden toegepast geschikt zijn voor deze opschaling.”
HyScaling: ‘making better electrolysers in a better way’
In het HyScaling project, geïnitieerd door ISPT en TNO en geleid door ISPT, werken 28 partners samen met als doel om op een betere manier betere electrolysers te maken. De nadruk ligt met name op technische verbeteringen voor zowel de alkaline als PEM water electrolyser technologie. Naast deze R&D-activiteiten worden er onderzoeken uitgevoerd ter ondersteuning van initiatieven die de implementatie van waterstof als onderdeel van onze energie-infrastructuur mogelijk maken.
Veiligheid en kwaliteit voorop
De roadmap identificeert 9 meeteisen in variabele ontwikkelingsfasen en maakt een schatting van de impact van de kosten van de meettechniek op waterstofproductie na opschaling. Experts uit het projectconsortium en diverse stakeholders hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan het identificeren en prioriteren van deze vereisten.
Een belangrijke meeteis is de zuiverheid van het geleverde waterstofgas, essentiële informatie voor de afnemer. Die is met de huidige analysetechnieken goed te bepalen, maar die methoden zijn erg duur en die kosten nemen niet af door schaalvergroting. Goedkope meetmethoden zijn nog in de ontwikkelfase en de kosten blijven voorlopig hoog, verwachten de onderzoekers.
“Je kunt niet bij elke stack een gaschromatograaf zetten,” vat De Groot het probleem samen. Een gaschromatograaf is een zeer nauwkeurig maar duur analyseapparaat.
Net zo belangrijk als kwaliteit is de veiligheid. Annarita Baldan, chief scientist bij metrologie-instituut VSL en mede-auteur van de roadmap, legt uit: “Waterstof is een explosief gas. De installaties worden nu continu beheerd maar dat kan na opschaling niet.” Momenteel is het gebruikelijk om bij elke stack een sensor voor waterstof te plaatsen, maar dat is te duur voor grote installaties. Maar het is nog niet duidelijk hoe het dan wel moet.
Om kostencompetitief waterstof te produceren, is het noodzakelijk om de prestaties van de elektrolyzer te monitoren. Daarvoor zijn robuuste en betrouwbare meettechnieken nodig.
Paola Granados Mendoza, Process Development Engineer bij HyCC
De juiste meetmethode
Andere belangrijke zaken zijn het monitoren van de staat van onderhoud van het systeem en van de onderdelen, zoals het functioneren en de degradatie van de elektrische cel. Baldan zegt: “Onze inventarisatie liet zien dat producenten van elektrolysers vaak commerciële meetapparatuur gebruiken, zonder zich af te vragen of die wel geschikt is voor waterstofproductie. Het is belangrijk dat producenten zich hiervan bewust worden.”
“De meeste technieken zitten nog in de ontwikkelfase. We zijn nog niet zover dat we deze meettechnieken kunnen leveren tegen kosten die interessant zijn voor opschaling,” denkt Baldan.
Baldan wijst er tevens op dat soms wordt vergeten dat niet alleen nauwkeurigheid maar met name robuustheid en betrouwbaarheid van de meetmethoden fundamenteel is. “Beslissingen over het proces worden genomen op basis van de uitkomsten van deze metingen. Die moeten dus altijd betrouwbaar zijn.”
Kansen voor instrumentenmakers
De bal ligt bij de producenten van meetapparatuur, zeggen de onderzoekers. De Groot: “Zij willen ook graag weten wat ze moeten ontwikkelen. Er zijn naar mijn mening nog hele grote gaten te dichten voor 2030, maar het is voor hen lastig om te begrijpen waar de uitdagingen zitten. In de roadmap staat daarom precies aan welke innovaties gewerkt moet worden. Waterstof is een bijzonder gas. Er is dus onderzoek nodig naar nieuwe meetmethodes en ijkmethodes. Er moet budget zijn voor dit onderzoek en er zijn samenwerkingsprojecten voor nodig.”
Baldan is het met hem eens: “Er is geld nodig voor onderzoek om nieuwe instrumenten en meettechnieken te ontwikkelen. Onderzoeksinstituten zoals TNO en VSL kunnen helpen maar de producenten van deze instrumenten moeten ook aan boord komen.”
De Groot ziet vooral kansen: “Er liggen hier grote kansen om de kosten van waterstofproductie te verlagen door andere instrumenten in te zetten. Dat biedt kansen voor de bedrijven die ze ontwikkelen. De kosten voor ontwikkeling van deze specifieke meeteisen en instrumenten zijn aanzienlijk. Maar als je de nieuwe meetmethoden niet ontwikkelt zullen de kosten van waterstofproductie nog veel hoger uitvallen.”
HyScaling Webinar
Na bijna 3 jaar intensief onderzoek nadert het einde van het ISPT HyScaling-project, dat onverwachte en zeer waardevolle resultaten heeft opgeleverd voor de Nederlandse waterstofeconomie. In 2 webinars, op 6 maart en 17 april, presenteren we de belangrijkste bevindingen.
English summary: Large scale green hydrogen production needs investments in measurement requirements
The Dutch government’s ambition is to realise 4 Gigawatts production capacity of green hydrogen by electrolysis in 2030. Large scale electrolysis plants are needed to achieve this goal, but scale-up is hampered by the increasing costs of measurement requirements for issues such as safety and quality control. An example is hydrogen leakage, which is currently monitored by a sensor on each electrolysis stack. For large scale production this method is unfeasible and expensive. New sensors and measurement methods are needed.
The roadmap ‘Measuring requirements for green hydrogen production by electrolysis’ identifies nine key actions focusing on the development of suitable measurement and process control systems, taking into account the cost of the technology after scale-up.
The authors of the roadmap state that instrument manufacturers need to play a large role, together with the government for funding and research institutions for collaborations in fundamental research. Arend de Groot (TNO), co-author of the roadmap, said: “I see significant opportunities to reduce the cost of hydrogen production by using new measuring technologies. This, in turn, provides instrument manufacturers with business opportunities. If we don’t develop new measurement methods the cost of hydrogen production will be much higher.”
Acknowledgement
This project is co-funded with subsidy from the Topsector Energy by the Ministry of Economic Affairs and Climate Policy.