Opschaling waterstofproductie sneller, goedkoper en duurzamer met Nanoprinter

Groene waterstof is essentieel om de klimaatdoelen van 2050 te halen en de energietransitie te laten slagen. TU Delft-spin-off VSPARTICLE ontwikkelde een goedkoper, duurzamer en eenvoudiger productieproces voor elektro-katalytische membranen: het hart van de productie van groene waterstof. De scale-up versnelt en verduurzaamt daarmee de waterstofproductie op grote schaal, en maakt Zuid-Holland koploper in de wereldwijde waterstofeconomie. De revolutionaire technologie belooft ook in andere sectoren veel duurzame innovatie.

Elektrolyse

Elektrolyse is de meestgebruikte manier om groene waterstof te maken. Hierbij worden elektro-katalytische membranen ingezet om water te splitsen in waterstof en zuurstof. De membranen bestaan uit nanodeeltjes op een folie. Het vervaardigen van die membranen gebeurt al meer dan vijftig jaar met dezelfde zeven processtappen. Dat kan efficiënter en eenvoudiger, vond Aaike van Vugt, CEO van VSPARTICLE. ‘Iedere stap voegt extra kosten toe en vergroot de kans op een productiefout. Daarnaast vergt het proces veel schadelijke vloeistoffen en chemicaliën, die het extra complex maken. En je bent afhankelijk van iridium: één van de meest schaarse en kostbare elementen op aarde.’

Nanoprinter

De Nanoprinter, waar Aaike zeven jaar aan werkte, maakt het vervaardigen van nanodeeltjes schoner, goedkoper en vele malen sneller. Hij vergelijkt de machine met een inktjetprinter die met vier basiskleuren duizenden kleuren print. ‘De Nanoprinter kan 62 basiselementen, zoals zink, aluminium en titaan, mengen en omzetten in bijna eindeloos veel materialen. En deze bovendien omvormen tot nanodeeltjes. Deze flexibiliteit maakt ook andere vormen van elektrolyse mogelijk, bijvoorbeeld om afgevangen CO₂ om te zetten in nieuwe bouwstenen voor de chemische industrie.’

De unieke technologie belooft een enorme duurzaamheidslag voor tal van sectoren, van logistiek tot gezondheidszorg. ‘Denk aan duurzamere brandstof voor vliegtuigen. Of een supergevoelige sensor in je smartphone, die je adem analyseert op ziektekiemen.’ De innovatie kan ook helpen bij de omzet van CO₂ in methanol, een andere duurzame brandstof voor de scheepvaart.

Volgens Aaike staan we aan de vooravond van een paradigmashift. ‘We kunnen steeds kleinere structuren aanbrengen in materialen. Dit maakt computerchips vele malen compacter, sterker en sneller. Bij zulke gedetailleerde materiaalstructuren gelden andere natuurwetten’, legt hij uit. ‘Je hebt het dan over kwantummechanica, waarbij de materiaaleigenschappen exponentieel veranderen.’ Die enorme verandersnelheid biedt veel potentie, onder meer voor het klimaatprobleem. ‘De aarde warmt sneller op dan we nu de massaproductie van groene waterstof mogelijk maken. De Nanoprinter lost dat op door de ontwikkeltijd van nanodeeltjes terug te brengen van jaren naar dagen of zelfs uren, en door de benodigde hoeveelheid iridium sterk te verminderen. Dat laatste maakt de productie ook goedkoper.’

Onderzoek versnellen

Met het huidige chemische proces voor de productie van elektro-katalytische membranen zijn die snelheidswinst en kostenbesparing onmogelijk te behalen. ‘Chemie is als het koken van tomatensoep’, vergelijkt Aaike. ‘Je moet alle ingrediënten nauwkeurig afmeten en precies op tijd toevoegen voor het juiste resultaat. Een minieme fout verstoort de synthese. En omdat het om zulke kleine deeltjes gaat, is de kans op fouten ontzettend groot. Je bent zo maanden bezig met het maken van het juiste nanodeeltje.’ De Nanoprinter automatiseert dat proces. ‘Met een druk op de knop heb je altijd hetzelfde resultaat, in een paar uur tijd. Iedereen kan ermee overweg. Daarmee ontzorgen we onderzoekers en kunnen we duurzame ontwikkelingen enorm versnellen.’

Veel minder iridium

Energieonderzoeksinstituut DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research), gevestigd op de campus van de TU Eindhoven, droeg met kennis en pilottesten bij aan de innovatie en stond versteld van het resultaat. ‘We achtten het vrijwel onmogelijk om de benodigde hoeveelheid iridium voor het maken van waterstof te verminderen’, vertelt Michail Tsampas, onderzoeksgroepsleider bij DIFFER. Hij zocht voor zijn onderzoek naar alternatieve methoden om materialen te maken en kwam zo in contact met Aaike. ‘Na enkele testen beseften we dat je met de technologie van VSPARTICLE significant minder iridium nodig hebt voor hetzelfde resultaat. Die reductie is essentieel om waterstof überhaupt op de markt te krijgen. De huidige benodigde hoeveelheid iridium maakt waterstof onbetaalbaar.’

Geen afvalstromen

Dat er geen chemicaliën meer nodig zijn voor het maken van elektro-katalytische membranen vindt Michail een ander groot voordeel van de technologie. ‘De printer werkt volledig op elektroden gevoed met windstroom’, zegt Aaike hierover. ‘De productie van de membranen gaat dus niet gepaard met schadelijke afvalstromen.’ Michail: ‘Hiermee verlaagt VSPARTICLE de CO₂-footprint van waterstofproductie. En omdat het proces volledig is geautomatiseerd, is het vele malen sneller dan de huidige werkwijze. Het brengt het aantal productiestappen van de katalysators terug tot één druk op de knop.’

Om de technologie klaar te maken voor massaproductie, zijn Aaike en zijn collega’s op dit moment nieuwe investeringen en subsidies aan het ophalen, onder meer van het nieuwe Energie & Klimaatprogramma. Daarnaast wil hij nog meer relevante partijen aan zich binden. ‘Met een consortium kunnen we sneller en meer gestructureerd opschalen. Daarom willen we samenwerken met alle technische universiteiten van Nederland, met onderzoeksinstellingen en regionale maakbedrijven. En op die manier het unieke technologische ecosysteem van Zuid-Holland benutten, om zo gezamenlijk de toekomst van chemische industriële processen opnieuw vorm te geven.’

De bron van dit artikel is te vinden op www.innovationquarter.nl/vsparticle