Laboratoriumexperimenten en een parabolische vluchtcampagne hebben een internationaal team van onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in staat gesteld om nieuwe inzichten te verkrijgen in waterelektrolyse, waarbij waterstof wordt gewonnen uit water door elektrische energie toe te passen. Waterelektrolyse kan een sleutelrol spelen in de energietransitie als efficiëntieverbeteringen kunnen worden gerealiseerd. De bevindingen die onlangs in het tijdschrift zijn gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven bieden een mogelijk startpunt voor het vergroten van de milieu-impact van op waterstof gebaseerde technologieën.

Er zijn werkbare oplossingen nodig voor de tussentijdse opslag van energie om ervoor te zorgen dat overtollige elektriciteit die wordt opgewekt door zonne- en windenergiesystemen tijdens piekproductie niet wordt verspild. De productie van waterstof – dat vervolgens kan worden omgezet in andere chemische energiedragers – is een aantrekkelijke optie. Het is essentieel dat dit proces op de meest efficiënte en dus kosteneffectieve manier gebeurt.

Het team van HZDR-onderzoekers, onder leiding van prof. Kerstin Eckert, specifiek gericht op waterelektrolyse. Deze methode gebruikt elektrische energie om watermoleculen te splitsen in hun samenstellende delen:waterstof en zuurstof. Om dit te doen, een elektrische stroom wordt toegepast op twee elektroden die zijn ondergedompeld in een zure of alkalische waterige oplossing. Gasvormige waterstof vormt zich aan één elektrode, en zuurstof aan de andere kant. Echter, energieomzetting gaat gepaard met verliezen. In praktijk, de methode levert momenteel een energie-efficiëntie van ongeveer 65 tot 85 procent op, afhankelijk van het gebruikte elektrolytische proces. Het doel van elektrolyse-onderzoek is om door betere technieken te ontwikkelen de efficiëntie naar zo'n 90 procent.

Oscillerende waterstofbellen zorgen voor nieuw inzicht

Een beter begrip van de onderliggende chemische en fysische processen is essentieel om het proces van elektrolyse te optimaliseren. Gasbellen die op de elektrode groeien, ervaren drijfvermogen, waardoor de bubbels opstijgen. Het probleem van het nauwkeurig voorspellen van de loslaattijd van gasbellen van elektroden heeft onderzoekers jarenlang verbijsterd. Het is ook bekend dat warmteverlies optreedt wanneer bellen op de elektrode blijven. In een combinatie van laboratoriumexperimenten en theoretische berekeningen, de wetenschappers hebben nu een beter begrip gekregen van de krachten die op de bel inwerken. "Onze bevindingen lossen een oude paradox van onderzoek naar waterstofbellen op, ’ rekende Eckert af.

Bij eerdere experimenten is de onderzoekers merkten al dat waterstofbellen snel beginnen te oscilleren. Ze onderzochten dit fenomeen nader:met behulp van een hogesnelheidscamera, ze vingen de schaduw van bellen, en analyseerde hoe individuele bellen honderd keer per seconde van een elektrode kunnen loskomen, om hem daarna meteen weer vast te maken. Ze realiseerden zich dat een tot nu toe verwaarloosde elektrische kracht concurreerde met drijfvermogen, oscillatie te vergemakkelijken.

Het experiment toonde ook aan dat er permanent een soort microbellentapijt wordt gevormd tussen de gasbel en de elektrode. Boven een bepaalde tapijtdikte, de elektrische kracht kan de bel niet meer terugtrekken, waardoor het kan stijgen. Deze kennis kan nu worden gebruikt om de efficiëntie van het gehele proces te verbeteren.

Parabolische vluchten bevestigen bevindingen

Om hun resultaten te onderbouwen, de onderzoekers herhaalden het experiment tijdens een parabolische vlucht gesponsord door het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR). Hierdoor konden ze onderzoeken hoe veranderingen in het drijfvermogen de dynamiek van gasbellen beïnvloeden. "De veranderde zwaartekracht tijdens een parabool stelde ons in staat om belangrijke fysieke parameters te variëren, die we in het lab niet konden beïnvloeden, " legde Aleksandr Bashkatov uit, hoofdauteur van de recent gepubliceerde studie. De Ph.D. student van de HZDR voerde samen met andere collega's de experimenten uit aan boord van de paraboolvlucht. Tijdens perioden van ongeveer nul zwaartekracht, wanneer een vrije val wordt ervaren tijdens een paraboolvlucht, het drijfvermogen is praktisch nul, maar wordt sterk verbeterd aan het einde van de parabool. De resultaten van de vluchten toonden ook aan dat het moeilijk zou zijn om waterstoftechnologieën over te dragen naar potentieel gebruik in de ruimte - zonder drijfvermogen, het verwijderen van de gasbellen van de elektrode zou een nog grotere uitdaging zijn dan op aarde.

Toepassing van waterelektrolyzers:regeneratieve energieën voor de regio

Ondanks het feit dat de experimenten van het onderzoeksteam onder vereenvoudigde laboratoriumomstandigheden moesten plaatsvinden, de nieuwe bevindingen zullen in de toekomst bijdragen aan het verhogen van de efficiëntie van elektrolyzers. De onderzoekers, onder leiding van Kerstin Eckert, zijn momenteel van plan om samen te werken met partners van Fraunhofer IFAM Dresden, TU Dresden, Zittau-Görlitz University of Applied Sciences en lokale industriële partners voor een project dat de productie van groene waterstof in de Duitse regio Lausitz onderzoekt. Het doel van het project is om de elektrolyse van alkalisch water zodanig te verbeteren dat het fossiele brandstoffen kan vervangen. "Alkalische elektrolysers zijn veel goedkoper en ecologisch verantwoord, en gebruik geen schaarse middelen omdat ze geen elektroden met edelmetaalcoating nodig hebben. De langetermijndoelstelling van het consortium is het ontwikkelen van een nieuwe generatie krachtige alkalineapparaten, ’ vat Eckert samen.