Foto: Shutterstock
Acht gigawatt aan elektriciteit produceren uit waterstof: dat is het doel van de overheid in 2032. Een enorme opgave, omdat de beschikbare methode nu nog verre van ideaal is, volgens Irma Steemers-Rijkse van Wageningen University & Research. In het project SeaHydrogen is haar doel om verschillende processen te combineren tot een totaalconcept. Dit zal straks drinkwater, zout en energie opleveren.
Om het idee achter SeaHydrogen te begrijpen, legt Irma Steemers-Rijkse, programmaleider Circulaire Watertechnologie, eerst uit hoe de methode werkt die vooralsnog de beoogde acht gigawatt moet gaan leveren. Voor de productie van waterstof is een elektrolyser nodig die water splitst in waterstof en zuurstof. Deze elektrolyser verbruikt aanzienlijke hoeveelheden zoet water: voor de geplande productie is namelijk 11 miljoen m³ zuiver water per jaar nodig, wat neerkomt op 1% van de drinkwatercapaciteit in Nederland. 'Dat legt een aanzienlijk beslag op de beschikbare voorraad zoet water, zeker in droge periodes. Zo ontstaan er sneller tekorten. Bovendien komt er bij elektrolyse veel restwarmte vrij, waardoor nog meer water nodig is om de installatie te koelen. Er valt dus wel wat af te dingen op de duurzaamheid van deze methode,' vindt ze.
Het risico op drinkwatertekorten door waterstofproductie is te verkleinen door een andere waterbron te gebruiken: zeewater. Met een bestaand proces genaamd omgekeerde osmose kan zoet water worden gemaakt uit zeewater. Maar van een liter zeewater kan het proces slechts maximaal een halve liter zoet water maken. Steemers-Rijkse: ‘Omgekeerde osmose kost bovendien energie, wat natuurlijk niet ideaal is bij de productie van duurzame energie.’ Daarnaast leidt de productie van zoet water ook tot een stroom zeer zout water, genaamd brijn. ‘Op het land zorgt dat brijn voor verzilting van de bodem. Dat is een probleem voor de teelt van gewassen. Aan de kust is een te hoge concentratie zout schadelijk voor het onderwaterleven. Het gebruik van zout water voor waterstofproductie kent dus meerdere nadelen.’
'Om het risico op tekorten aan drinkwater te verminderen, kan een alternatieve waterbron worden gebruikt: zeewater'
Met behulp van restwarmte van de electrolyser wordt op Texel puur water (zonder zouten) geproduceerd uit zeewater. Foto: WUR
Daarom zochten Steemers-Rijkse en haar collega’s eerst naar een methode die de productie van zoet water voor de elektrolyser efficiënter en duurzamer zou maken. Die vonden ze in de toepassing van membraandestillatie, een proces waarbij water wordt opgewarmd. Het nadeel van de restwarmte is op deze manier om te zetten in een voordeel. Door het opwarmen ontstaat waterdamp dat met een membraan wordt gescheiden van het vloeibare water. De zouten uit het zeewater blijven in de vloeistof achter; de waterdamp is puur water. ‘Membraandestillatie levert genoeg water op voor de productie van waterstof en zelfs nog meer. Dit water kan dienen als drinkwater en water voor landbouw en industrie. De hoeveelheid brijn die overblijft, is vervolgens veel kleiner: een sterk geconcentreerde stroom zout water’, legt ze uit.
Keukenzout en andere zouten winnen voor de industrie
Eind 2023 was dit onderzoek naar membraandestillatie succesvol afgerond. Maar Steemers-Rijkse en haar collega’s hadden het idee dat hun werk nog niet klaar was. Ze hadden nog geen oplossing voor de overgebleven brijn en er bleef nog steeds restwarmte over van de waterstofproductie. ‘Brijn kun je blijven zien als iets negatiefs waar je vanaf moet, maar je kunt ook kijken of je iets nuttigs kunt doen met dat zout’, vertelt ze. ‘Al pratende kwamen we op het idee om andere technologieën toe te voegen. Die combinatie van technologieën vormt nu een totaalconcept: SeaHydrogen.’
De productie van waterstof voor onze toekomstige energievoorziening is nog niet zo duurzaam als het lijkt. SeaHydrogen laat zien dat het ook anders kan. In dit project combineren onderzoekers van Wageningen University & Research verschillende processen tot één oplossing die drinkwater, zout en energie uit zeewater produceert. Maar hoe werkt dat?
De onderzoekers hadden zelfs al een proof-of-concept voor het winnen van zout uit brijn. Deze methode draagt de lange naam membraandestillatiekristallisatie en maakt ook weer gebruik van de restwarmte van de elektrolyser. Bij membraandestillatiekristallisatie wordt het proces van membraandestillatie gecombineerd met het kristalliseren van een zout, zoals NaCl, beter bekend als keukenzout. Dat gebeurt door een ander zout toe te voegen dat beter oplosbaar is. Het zout dat de onderzoekers willen winnen, vormt dan kristallen, die ze vervolgens kunnen oogsten. De komende drie jaar willen de onderzoekers deze methode voor zoutwinning verder ontwikkelen. Daarbij beginnen ze met het zout dat het meest aanwezig is in zeewater en dus ook in brijn: NaCl. Steemers-Rijkse: ‘We willen bijvoorbeeld weten of het zout zich niet op de verkeerde plekken in de installatie ophoopt. De vraag is ook of het lukt om puur keukenzout te verkrijgen en niet een mengsel van verschillende zouten.’
Links: lineaire aanpak met gebruik van elektriciteit voor de productie van puur water. Rechts: circulaire aanpak met gebruik van restwarmte voor puur water, mineralen en elektriciteitsproductie. Beelden: WUR
Als de onderzoekers het voor elkaar krijgen om keukenzout te winnen, dan willen ze ook andere zouten uit het brijn proberen te winnen. ‘Hetzelfde trucje werkt ook met andere zouten, maar daar kunnen we alleen mee aan de slag als de eerste stap, het winnen van keukenzout, goed werkt en rendabel is.’ Op het wensenlijstje van Steemers-Rijkse staan ook mineralen met verschillende toepassingen, zoals fosfor voor de tuinbouw, magnesium voor de farmaceutische industrie en lithium voor mobiele telefoons.
Restwarmte en zeewater = drinkwater en zouten
‘Het mooie is dat je dus aan meerdere knoppen kunt draaien om het totaalconcept SeaHydrogen rendabel te krijgen’, zegt de expert in circulaire watertechnologie. ‘Het hangt van het doel van je organisatie af. Wil je zoveel mogelijk zoet water produceren, dan zet je daar zoveel mogelijk van de restwarmte van de elektrolyser voor in. Wil je zout winnen, kun je alleen gaan voor keukenzout of doorgaan tot je verschillende zouten hebt gewonnen. Hoe meer stappen je neemt in het proces van zoutwinning, hoe minder restwarmte verloren gaat. De warmte die dan nog over is, kun je zelfs nog gebruiken voor het opwekken van meer elektriciteit. Daarvoor moeten we het proces van membraandestillatie nog wel verder ontwikkelen. Al deze technologieën kun je dus niet los van elkaar zien. Als je ze combineert, kun je ze optimaal gebruiken en heb je de meeste winst.’
'Het mooie is dat je aan meerdere knoppen kunt draaien om het totaalconcept SeaHydrogen rendabel te krijgen'
Luchtfoto van landbouwgrond aangetast door verzilting. Foto: Shutterstock.
De onderzoekers van SeaHydrogen verwachten dat een combinatie van deze technologieën voor verschillende soorten bedrijven interessant is. ‘Denk aan fabrieken met laagwaardige restwarmte, die niet meer ergens voor benut kan worden, of de warmte die vrijkomt uit datacentra. Andere bedrijven hebben afvalwater dat overblijft bij de productie van voedingsmiddelen.’ Zo is er bijvoorbeeld een samenwerking gestart met Aviko, waar de wens is om al het afvalwater te hergebruiken in hun fabrieken. Ook Circle Infra Partners is aangehaakt, een bedrijf dat het afvalwater van de fabrieken op het Limburgse Chemelot industrieterrein verwerkt. Deze partner wil stoppen met het lozen van afvalwater in de Maas. Tot slot is ook zoutproducent Nobian bij het onderzoek betrokken. Dit bedrijf wil op een efficiëntere en duurzamere manier zout maken.
Milieuwinst en tegelijk rendabel
Samen met deze drie bedrijven en een aantal andere partners is het project Combrine opgezet, wat verwijst naar het deel van het proces waarin brijn wordt verwerkt. ‘Binnenkort gaan we opstellingen bouwen in het laboratorium waarin we water van de verschillende partners kunnen testen. Daarna volgen pilots op locatie. Over drie jaar hopen we dat deze technologie ver genoeg is ontwikkeld om ingezet te worden in de praktijk. Het grappige van het SeaHydrogen-concept vind ik dat je per situatie kunt kijken wat de problemen zijn en welke oplossingen je nodig heb. Straks hebben we een totaalpakketje, dat milieuwinst oplevert en tegelijk rendabel is. Ook dat is belangrijk.’
Deel dit artikel