Djewels moet potentie technologie bewijzen
Waterstofproductie op gigawatt-schaal is nodig om processen in de chemische industrie te verduurzamen. Daarbij is niet alleen veel energie nodig maar gaat bijvoorbeeld ook ruimte een belangrijke rol spelen. Daarom wil HyCC met het Djewels-project – een 20 MW elektrolyzer op Chemie Park Delfzijl – ervaring opdoen met nieuwe technologie: traditionele alkaline, maar wel onder druk en met hogere stroomdichtheid. ‘We zien de grote potentie van een compacte, energie-efficiënte en snel regelbare fabriek’, zegt Joost Sandberg van HyCC.
Hoewel de productie van waterstof via traditionele elektrolyse energie-efficiënt en betrouwbaar is, kent deze technologie ook nadelen. Alkaline is minder flexibel kan dus niet zo goed meebewegen met het directe aanbod van zonne- en windenergie. Met dat laatste kan PEM dan weer wel goed uit de voeten, en bovendien neemt dit type elektrolyzer minder ruimte in. Maar PEM is afhankelijk van de beschikbaarheid van iridium, en dat is een serieus beperkende factor. Ook andere technologieën om waterstof uit water te produceren, zoals solid oxide en AEM (anion exchange membranes), hebben hun voors en tegens. Het lijkt er daarom op dat voor elke situatie een ander type elektrolyzer zal worden ingezet, afhankelijk van welke factoren in die omstandigheden prioriteit hebben.
Willen we in de toekomst grote elektrolyzers van 200 MW of zelfs 500 MW inzetten om de chemische industrie te verduurzamen, dan gooit alkaline met betrouwbaarheid en energie-efficiëntie hoge ogen. Maar op deze schaal gaat ruimte ook een belangrijke rol spelen. Valt alkaline dan toch af? Als het aan HyCC ligt niet. Het waterstofbedrijf van Nobian en de Green Investment Group wil op Chemiepark Delfzijl een 20 MW elektrolyzer bouwen die ongeveer 3.000 ton groene waterstof per jaar gaat maken. Deze elektrolyzer is gebaseerd op traditionele alkaline-technologie, maar is toch innovatief. De splitsing van water gebeurt namelijk onder druk en met een hogere stroomdichtheid. Vooral dat laatste maakt dat er meer waterstof kan worden geproduceerd op hetzelfde oppervlak.
Weerstand
Hogere stroomdichtheid is een van de heilige gralen die we allemaal onderzoeken, stelt Joost Sandberg, commercieel directeur HyCC en verantwoordelijk voor het Djewels-project op Chemie Park Delfzijl. ‘Hogere stroomdichtheid betekent dat we meer stroom door dezelfde oppervlakte van een elektrolyzer sturen. Op die manier kun je met dezelfde apparatuur meer waterstof maken. Dat klinkt logisch, maar in de praktijk is dit best complex omdat er in het proces dingen gebeuren die het gewenste effect tegengaan.’
Even terug naar de basis: bij elektrolyse wordt een elektrische spanning aangebracht tussen elektroden, een anode en een kathode. Hierdoor bewegen positief geladen deeltjes naar de kathode en negatief geladen deeltjes naar de anode. In het geval van water komt waterstof vrij aan de kathode en zuurstof aan de anode. Daarbij ontstaan bubbeltjes, immers waterstof en zuurstof zijn bij atmosferische druk gasvormig. Sandberg: ‘Als je de stroomdichtheid verhoogt, maak je meer gas, dus meer bubbels. Maar die bubbels zorgen voor weerstand. Daardoor gaat de efficiëntie van de elektrolyse niet omhoog, maar juist omlaag. We zoeken dus een manier om zoveel mogelijk bubbels te maken en toch zo weinig mogelijk weerstand.’
Materialen
Om in 2030 grote elektrolyzers van bijvoorbeeld 500 MW te kunnen bouwen, moet de industrie nu aan de slag om technologie verder te ontwikkelen, efficiëntie te verbeteren veiligheid te onderzoeken. ‘En we kijken dus bijvoorbeeld naar ruimtegebruik. In het geval van Djewels onderzoeken we daarvoor druk en stroomdichtheid’, vertelt Joost Sandberg van HyCC. ‘Maar we verliezen ook zeker niet uit het oog welke materialen we kunnen gebruiken bij de opschaling van elektrolyzers. We willen bij een grotere schaal niet tegen de beperking van allerlei zeldzame aardmetalen aanlopen. Dat is voor ons een reden om op dit moment voor alkaline te kiezen. De basis van deze technologie is nikkel en dat is een breed beschikbaar materiaal.’
Druk
Een nieuw type elektrolyzer van McPhy lijkt dit te kunnen. ‘McPhy gebruikt bijzondere materialen die ervoor zorgen dat de bubbels sneller loskomen van de elektrodes’, vertelt Sandberg. ‘Een ander voordeel van deze technologie is dat de elektrolyzer onder druk opereert. Daardoor worden de bubbels kleiner terwijl er net zoveel waterstof in zit.’
De verhoogde druk in het proces levert daarnaast ook op het gebied van energie-efficiëntie en betrouwbaarheid winst op, verwacht Sandberg. ‘In alle toepassingen van waterstof, of het nou voor mobiliteit of voor de industrie is, heb je wel een mate van druk nodig. Als je waterstof met een atmosferisch proces produceert, gebruik je compressoren om de waterstof onder druk te brengen. Maar compressoren gebruiken veel energie. Deze maken dat de energie-efficiënte van de fabriek omlaag gaat.’
Bovendien betekent meer apparatuur ook dat er meer kans is dat er iets kapotgaat, stelt Sandberg. ‘Bedenk dat we met deze fabriek de wind en de zon willen volgen. Dus er gaat meer en minder stroom in de fabriek en dat heeft direct invloed op de hoeveelheid waterstof die wordt geproduceerd. Deze dynamische productie zou je, als je de waterstof nog onder druk zou moeten brengen, goed moeten aansluiten op de compressoren. Dat zorgt voor complexiteit. We verwachten dat we uiteindelijk een simpelere fabriek kunnen maken, die beter kan reageren op het fluctuerende elektriciteitsaanbod, door deze stap eruit te halen.’
Joost Sandberg:
‘We verwachten dat we uiteindelijk een simpelere fabriek kunnen maken, die beter kan reageren op het fluctuerende elektriciteitsaanbod.’
Verwachten
De technologie van McPhy combineert de voordelen van alkaline-elektrolyse met een energie-efficiënte en snel regelbare fabriek. Sandberg: ‘Dat maakt deze technologie zo interessant. En dat is dus wat we met de demonstratie van deze nieuwe technologie willen aantonen, maar ook willen ervaren. We verwáchten dat elektrolyse onder druk grote verbeteringen voor de overall energie-efficiëntie oplevert en bovendien voordelen biedt op het gebied van betrouwbaarheid. Want we verwáchten dat het dynamische gedrag van de waterstofproductie op deze manier beter op te vangen is.’
Sandberg legt expliciet de nadruk op het woord verwachten. ‘De losse elementen kunnen we beredeneren en aantonen, maar we moeten het ook zien omdat de manier waarop alles met elkaar samenhangt zeer complex is. Elektrochemie is helaas nog een empirisch gebeuren, we kunnen het heel moeilijk modelleren. We willen de technologie dus binnen Djewels gaan demonstreren om heel goed te kijken naar de effecten. Hoe blijven de elektroden er bijvoorbeeld onder als elektriciteit er hard in en weer uit gaat? Blijven die doen wat ze moeten doen, namelijk de belletjes zo snel mogelijk loslaten?’
Een belangrijk onderdeel van Djewels is daarom ook om de elektrolyzer voor een langere termijn flexibel te opereren. ‘We gaan dit drie jaar lang demonstreren, echt met wind en zon mee. We denken dat we het allemaal weten, maar we willen het zien, dat wat we verwachten ook echt gebeurt.’
BioMCN
Het oorspronkelijke plan van Djewels was om de waterstof van de beoogde 20 MW elektrolyzer op Chemie Park Delfzijl, ongeveer 3.000 ton per jaar, te leveren aan BioMCN. Dit bedrijf produceert op hetzelfde terrein methanol en wilde de groene waterstof combineren met CO2 uit haar proces om er e-methanol van te maken.
In 2021 legde moederbedrijf OCI de twee productielijnen van BioMCN echter stil vanwege de extreem hoge gasprijzen in Europa. Het zag er niet goed uit voor het bedrijf, dat sinds maart is omgedoopt tot OCI Methanol Europe. Onlangs maakte OCI echter bekend de productie in Delfzijl te willen verduurzamen. Het bedrijf wil aardgas als grondstof in het proces vervangen door huishoudelijk afval en biomassa te gaan vergassen. Een investeringsbeslissing voor dit GasifHy-project staat gepland voor eind 2023.
Wat dit betekent voor Djewels is nog niet bekend. ‘Het primaire doel van Djewels is om nieuwe technologie te demonstreren’, stelt Joost Sandberg van HyCC voorop. ‘En we willen heel graag waterstof aan OCI leveren omdat de productie van duurzame methanol een mooie toepassing is, maar het is niet een noodzakelijkheid. Er zijn ook andere mogelijkheden om dit project te laten slagen. Dat is een van de redenen waarom we bij dit project hebben gekozen voor Chemie Park Delfzijl. Het terrein is heel compact en goed op elkaar aangesloten. Op een relatief klein oppervlak hebben we veel mogelijkheden om onze waterstof toe te passen. Binnen de chemie, maar ook voor mobiliteit en energie zien we toepassingen.’
Subsidie
In juli tekende HyCC officieel een contract met McPhy voor het leveren van de elektrolyzers voor Djewels. ‘McPhy heeft al een 1 MW installatie in Frankrijk staan om deze nieuwe technologie te testen. Maar wij willen nu vier van deze stacks van 1 MW in één module gebruiken, zodat we kunnen zien hoe ze zich samen gedragen. Hoe gaat bijvoorbeeld de gas/vloeistof-scheiding van vier stacks in één module? En dan koppelen we ook nog vijf modules aan elkaar, dus dat levert eveneens een nieuw dynamisch gedrag van de fabriek op. Deze sprong van 1 naar 20 MW brengt technologie-risico’s met zich mee.’
HyCC krijgt daarom steun vanuit Europa. ‘The Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking vindt het belangrijk dat deze technologie in Europa verder wordt ontwikkeld. Ook het Waddenfonds heeft ondersteuning aan het project gegeven. We wachten nu alleen nog op subsidie van de Nederlandse overheid. Eigenlijk gaat het er vooral om of Nederland vanuit Europa goedkeuring krijgt om subsidie te mogen aanbieden.’
Het is nog onbekend of en wanneer die goedkeuring er komt. ‘Maar als die er is, willen we heel snel het investeringsbesluit nemen. Daarom hebben we in juli ook al een contract getekend met Technip Energies. De innovatieve technologie van McPhy moet passen in de gehele waterstoffabriek en daar gaat Technip voor zorgen. Dat de samenhang tussen de kernequipment en de processen eromheen een veilige fabriek vormt.’
Joost Sandberg:
‘We denken dat we het allemaal weten, maar we willen het zien, dat wat we verwachten ook echt gebeurt.’
Investeringsbesluit
Het is nog onbekend of en wanneer die goedkeuring er komt. ‘Maar als die er is, willen we heel snel het investerings besluit nemen. Daarom hebben we in juli ook al een contract getekend met Technip. De innovatieve technologie van McPhy moet passen in de gehele water stoffabriek en daar gaat Technip Energies voor zorgen. Dat de samenhang tussen de kernequipment en de processen eromheen een veilige fabriek vormt.’
Veiligheid
In Hazop-studies spelen faalfrequenties een belangrijke rol. ‘We kunnen heel goed in kaart brengen wat de effecten van een incident zijn, maar willen meer kennis opbouwen over de kans op een incident, zeker met nieuwe technologie’, vertelt Joost Sandberg van HyCC. ‘Dat kun je theoretisch inschatten, maar we willen daarover binnen HyCC en ook industriebreed kennis en data opbouwen. Door nieuwe technologie te demonstreren kunnen we in de praktijk bepalen wat de faalfrequenties zijn. Wat gebeurt er nou echt in zo’n fabriek?’
Voor het Djewels-project heeft HyCC behoorlijk wat maatregelen genomen die conservatief te noemen zijn, stelt Sandberg. ‘We hebben vanuit de mogelijke effecten mitigerende maatregelen in het ontwerp meegenomen. Daarmee is de fabriek veilig en zijn we niet afhankelijk van een theoretisch inschatting. Voor grootschalige fabrieken in de toekomst willen we echter economisch beter onderbouwde keuzes kunnen maken. Ook dan kiezen we nog steeds voor veiligheid, maar naar verwachting niet meer met laag op laag op laag aan zekerheid, want dat maakt fabrieken heel duur.’
Dit artikel is gepubliceerd in Petrochem 2023-04 (26/9/2023)
