Onderzoekscentrum voor groene waterstof

Het Hydrohub Innovatieprogramma is gericht op het ontwikkelen van grootschalige, duurzame en kosten efficiënte waterstofproductie. Onderdeel van dit programma is het Hydrohub MegaWatt Test Center. Een centrum voor het onderzoeken en testen van grootschalige kleine industriële Proton Exchange Membrane (PEM) Electrolyser en Alkaline Electrolyser (AE) eenheden van elk 250 kW.

Voor het op grote schaal kunnen produceren van groene waterstof zijn grote stappen nodig. Een daarvan is het sterk verbeteren van de capaciteit en kwaliteit van electrolysers. In het Hydrohub MegaWatt Testcentrum op de Zernike Campus in Groningen kunnen bedrijven vanaf mei 2023 hun nieuwe apparatuur, electrolyser stack, componenten en materialen testen. Deze state-of-the-art onderzoeksfaciliteit voor het optimaliseren en opschalen van elektrolyse is uniek in de wereld.

Samenwerken met partners

Hier brengt TNO met partners toekomstige waterstofproducenten, de fabrikanten van electrolysers en hun toeleveranciers samen. Dat is bijzonder, want waterstofproducenten zijn doorgaans niet erg transparant naar de maakindustrie die hen de onderdelen levert. Bedrijven die innovatieve componenten ontwikkelen zoals membranen of elektroden, moeten weten hoe hun nieuwe product in de electrolyser van de fabrikant presteert. In deze testomgeving kunnen bedrijven in een gecontroleerde, realistische omgeving hun innovaties te beproeven op industriële schaal

Internationaal voortrekkersrol

Hoewel TNO hier vooral samenwerkt met de Nederlandse maakindustrie, zijn ook buitenlandse bedrijven welkom. Er is al belangstelling van grote partijen uit Europese landen en de VS. Dat vergroot de kansen van innovatieve bedrijven in ons land om nieuwe partners elders te vinden en zo hun afzetmarkt te vergroten.

We werken al samen met ondernemersorganisatie FME in het Elektrolyser Makersplatform NL om Nederlandse bedrijven sterker te positioneren in de toeleveringsketen van elektrolyse en de concurrentiepositie van de  maakindustrie te verstevigen. Dat sluit hier mooi op aan. Nederland kan met dit testcentrum internationaal een voortrekkersrol spelen.

Groene waterstof op grote schaal

Het uiteindelijke doel is om door innovatie de robuustheid, flexibiliteit en efficiency van grootschalige productie van groene waterstof te verbeteren en daarmee kosten te verlagen om zo de energietransitie te versnellen. Elektrolyse is een onmisbare schakel in de verduurzaming van onze energievoorziening.

In het Hydrohub MegaWatt Testcentrum werkt een groot aantal partijen samen. Naast TNO en ISPT zijn dat onder meer de Hanzehogeschool, Rijksuniversiteit Groningen, Gasunie, Shell, Nouryon, Yara en Yokogawa.

Opschalen elektrolyse noodzakelijk

De momenteel beschikbare elektrolyse-installaties, met een capaciteit van enkele megawatts, zijn veel te klein om de industrie van waterstof te voorzien. Om volledig over te schakelen op duurzame waterstof heeft de industrie elektrolyse-installaties nodig met een totaal vermogen van vele gigawatt (1 gigawatt = 1000 megawatt). Deze planten moeten relatief goedkoper in aanschaf en veel slimmer zijn dan de huidige kleine plantjes. Bovendien moeten ze betrouwbaar en onderhoudsarm zijn.

De voorbereidingen, ontwerp en bouw hebben bijna vier jaar geduurd. Het project met TNO en ISPT als initiatiefnemer is mede mogelijk gemaakt door de topsector Energie (TKI Energie & Industrie)en bijdragen vanuit de industrie. Wat het testcentrum bijzonder maakt is het in een industriële setting kunnen testen op megawattschaal.

Het is daarmee een nieuwe stap in de opschaling van elektrolyse. Die is hard nodig om in de naaste toekomst groene waterstof op gigawattschaal te kunnen produceren. Waar in het Faradaylab van TNO in Petten experimenten worden gedaan op kleine oppervlakken (10 cm2 actief celoppervlak) en stacks van 100 kilowatt, kan het testcentrum grotere PEM stacks aan met een actief oppervlak van 2.500 cm2 voor de PEM. Het gaat om twee gangbare elektrolyse technologieën: PEM, waar TNO een electrolyser voor heeft ontwikkeld en alkaline, waar ISPT zich op richt.

Open innovatiecentrum

Het ‘MegaWatt Test Centre’ is een open innovatiecentrum. In eerste instantie voeren we onderzoek rond PEM- en alkaline-technologie een test- en ontwikkelprogramma. Vervolgens biedt het testcentrum op termijn de mogelijkheid aan leveranciers om hun innovatieve producten, zoals componenten voor electrolysers, op industriële schaal te testen en optimaliseren.

Het uiteindelijke doel is om door innovatie de robuustheid, flexibiliteit en efficiency van grootschalige productie van groene waterstof te verbeteren en daarmee kosten te verlagen om zo de energietransitie te versnellen.

Productie groene waterstof

TNO en partners doen onder ander in het Faraday lab van TNO in Petten onderzoek naar de ontwikkeling van Alkaline en Proton Exchange Membrane (PEM) elektrolysetechnologie. Dit zijn de twee technologieën die momenteel in de handel verkrijgbaar zijn, maar beide moeten nog aanzienlijk in kosten worden verlaagd om op grote schaal te kunnen worden toegepast.

In beide typen zijn stapels elektrolysecellen geïnstalleerd. Voor de stapels die in de Hydrohub zijn geïnstalleerd, is het belangrijk dat de grootte van de cellen representatief is voor de grootte van de huidige commerciële systemen. Door inzicht in de schaalbaarheid van het elektrolyseproces, zal het binnenkort mogelijk zijn om de resultaten verkregen met kleinere cellen in het lab toe te passen op de prestaties van grote systemen. Dit is een belangrijke stap om de implementatie van innovaties uit het lab in commerciële systemen te versnellen.

Beter en goedkoper produceren

Hoe kunnen we goedkopere en gemakkelijk verkrijgbare materialen gebruiken en tegelijkertijd de levensduur en efficiëntie van het elektrolyseproces verlengen? De ontwikkeling vindt plaats samen met Nederlandse leveranciers van bijvoorbeeld membranen en coatings. Het gaat bijvoorbeeld om het gebruik van duurtesten om op kleine schaal innovatieve materialen te onderzoeken, maar ook om te kijken hoe we de fabricageprocessen van elektrolysers verbeteren en opgeschalen.

Samen leiden deze aspecten tot verbeteringen in het ontwerp van de elektrolyser, die uiteindelijk op representatieve schaal moeten worden toegepast. De combinatie van het Faraday-laboratorium en het Hydrohub-onderzoekscentrum zorgt ervoor dat er meer kennis en ervaring beschikbaar komt met betrekking tot de ontwikkeling en implementatie van waterstofproductie door middel van waterelektrolyse. TNO leidt het onderzoek op het gebied van PEM-elektrolyse binnen de Hydrohub en levert tevens de faciliteiten van het Faraday lab.

Opschalen elektrolyse noodzakelijk

De momenteel beschikbare elektrolyse-installaties, met een capaciteit van enkele megawatts, zijn veel te klein om de industrie van waterstof te voorzien. Om volledig over te schakelen op duurzame waterstof heeft de industrie elektrolyse-installaties nodig met een totaal vermogen van vele gigawatt (1 gigawatt = 1000 megawatt). Deze planten moeten relatief goedkoper in aanschaf en veel slimmer zijn dan de huidige kleine plantjes. Bovendien moeten ze betrouwbaar en onderhoudsarm zijn.

De industrie CO2-neutraal

De ontwikkeling van betaalbare waterstofproductie vormt een essentiële stap in de industriële energietransitie naar duurzame circulaire productie, waarbij fossiele grondstoffen en energiedragers plaats maken voor duurzaam geproduceerde grondstoffen en energiedragers.

Van de optimalisatie van de waterstofproductie in het Faraday-lab tot het gebruik van waterstof in mobiliteit en de toepassing ervan in de chemische industrie binnen het VoltaChem-programma, is TNO actief in de hele waterstofketen. De opschalingsactiviteiten in de Hydrohub vormen een belangrijke schakel in de keten tussen materiaalonderzoek en toepassing.

Projecten

De productie van waterstof uit hernieuwbare energiebronnen vereist een dynamische werking van elektrolysers. Procescontrole speelt daarbij een belangrijke rol. Naast de bouw van het Hydrohub MegaWatt Test Center heeft TKI Energie & Industrie de opdracht voor een eerste project gegeven.

De Hydrohub-partners waaronder TNO modelleren en onderzoeken de impact van de variabele werking van de elektrolyser op de prestaties en het elektriciteitsnet. TNO ontwikkelt het besturingsmodel. Het doel is om de algehele operationele efficiëntie van elektrolyse voor groen waterstof productie te verbeteren.