Waterstof als energiedrager kan ons helpen af ​​te stappen van fossiele brandstoffen, maar alleen als het efficiënt is gemaakt. Een manier om de efficiëntie te verbeteren, is het gebruik van restwarmte die overblijft van andere industriële processen.

In juni, het International Energy Agency bevestigde wat de meeste experts al weten:dat de wereld harder moet werken om het gebruik van pure waterstof als emissievrije energiebron te stimuleren.

Een van de uitdagingen bij het maken van waterstof, echter, is dat het energie kost - veel energie. Het IEA zegt dat het produceren van alle waterstof van vandaag alleen met behulp van elektriciteit 3600 TWh zou vereisen, dat is meer dan er jaarlijks door de Europese Unie wordt gegenereerd.

Maar wat als u een bestaande bron van verspilde energie zou kunnen gebruiken om te helpen bij de productie van waterstof? Een nieuwe aanpak ontwikkeld door onderzoekers van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie doet precies dit:door gebruik te maken van restwarmte van andere industriële processen.

"We hebben een manier gevonden om warmte te gebruiken die anders niet veel waard is, " zei Kjersti Wergeland Krakhella, de eerste auteur van een artikel over het proces gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift MDPI Energies. "Het is laagdrempelig, warmte bij lage temperatuur, maar het kan worden gebruikt om waterstof te maken."

Een zevende van de Noorse elektriciteitsproductie

Afvalwarmte is precies hoe het klinkt:warmte die wordt geproduceerd als bijproduct van een industrieel proces. Alles van een industriële ketel tot een afvalenergiecentrale produceert afvalwarmte.

Vaker wel dan niet, deze overtollige warmte moet worden afgegeven aan de omgeving. Energie-experts zeggen dat de afvalwarmte van de Noorse bedrijven en industrieën het equivalent is van 20 TWh aan energie.

Om dit in perspectief te plaatsen, Het hele waterkrachtsysteem van Noorwegen produceert 140 TWh elektriciteit per jaar. Dat betekent dat er veel restwarmte is die mogelijk aan het werk kan worden gezet.

Membranen en zouten

De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd omgekeerde elektrodialyse (RED), die afhankelijk is van zoutoplossingen en twee soorten ionenuitwisselingsmembranen.

Om te begrijpen wat de onderzoekers eigenlijk deden, je moet eerst begrijpen hoe de RED-techniek werkt.

In het rood, één membraan, het anionenuitwisselingsmembraan genoemd, of AEM, laat negatief geladen elektronen (anionen) door het membraan bewegen, terwijl een tweede membraan, het kationenuitwisselingsmembraan genoemd, of CEM, laat positief geladen elektronen (kationen) door het membraan stromen.

De membranen scheiden een verdunde zoutoplossing van een geconcentreerde zoutoplossing. De ionen migreren van de geconcentreerde naar de verdunde oplossing, en omdat de twee verschillende soorten membranen worden afgewisseld, ze dwingen de anionen en kationen om in tegengestelde richtingen te migreren.

Wanneer deze afwisselende kolommen tussen twee elektroden zijn geklemd, kan de stapel voldoende energie genereren om water te splitsen in waterstof (aan de kathodezijde) en zuurstof (aan de anodezijde).

Deze aanpak is ontwikkeld in de jaren vijftig en maakte voor het eerst gebruik van zout water en rivierwater.

Wat Krakhella en haar collega's deden, echter, was om een ​​ander soort zout te gebruiken, kaliumnitraat genaamd. Door het gebruik van dit soort zout konden ze restwarmte gebruiken als onderdeel van het proces.

Hergebruik van de zouten met restwarmte

Als u de hierboven beschreven RODE stapels uitvoert, op een gegeven moment gaan de concentraat- en verdunde zoutoplossingen meer en meer op elkaar lijken, dus ze moeten worden ververst.

Dat betekent dat je een manier moet vinden om de concentratie van het zout in de geconcentreerde oplossing te verhogen en zout uit de verdunde oplossing te verwijderen. Daar komt de afvalwarmte binnen.

De onderzoekers testten twee systemen.

De eerste was waar afvalwarmte werd gebruikt om water uit de geconcentreerde oplossing te verdampen om het meer geconcentreerd te maken.

Het tweede systeem gebruikte afvalwarmte om zout uit de verdunde oplossing te laten precipiteren (zodat het minder zout zal zijn).

"Als je een manier vindt om het water of het zout te verwijderen, je hebt het werk gedaan, ' zei Krakella.

Beide hadden voordelen

Toen de onderzoekers naar hun resultaten keken, ze zagen dat het gebruik van bestaande membraantechnologie en afvalwarmte om water uit hun systeem te verdampen meer waterstof per membraangebied produceerde dan de neerslagbenadering.

De productie van waterstof was vier keer hoger voor het verdampingssysteem dat bij 25°C werkte en twee keer hoger voor een systeem dat bij 40°C werkte in vergelijking met hun precipitatiesysteem.

Dat maakte het een betere kandidaat uit kostenoogpunt.

Echter, het neerslagproces was beter in termen van energievraag, vonden de onderzoekers. Bijvoorbeeld, de energie die nodig was om een ​​kubieke meter waterstof te produceren met behulp van het neerslagproces was slechts 8,2 kWh, vergeleken met 55 kWh voor het verdampingsproces.

Nieuw systeem met veel mogelijkheden

Terwijl het werk van Krakhella bewijst dat het concept zal werken, ze heeft vooral gewerkt met een laboratoriummodel en veel computerberekeningen. Er is nog veel werk aan de winkel, vooral met betrekking tot het soort zout dat in het proces wordt gebruikt.

De onderzoekers kozen kaliumnitraat voor hun zoutsysteem, maar andere zouten kunnen ook werken, ze zei.

"Het is een compleet nieuw systeem, " zei ze. "We zullen meer testen moeten doen met andere zouten in andere concentraties."

Membraanprijzen zijn beperkende factor

Een ander probleem dat de waterstofproductie blijft beperken, is dat de membranen zelf extreem duur blijven.

Krakhella hoopt dat als samenlevingen proberen af ​​te stappen van fossiele brandstoffen, toenemende vraag zal de prijs van membranen doen dalen, evenals het verbeteren van de eigenschappen van de membranen zelf.

"De membranen zijn het duurste onderdeel van ons systeem, "Zei Krakhella. "Maar iedereen weet dat we iets aan het milieu moeten doen, en de prijs is potentieel veel hoger voor de samenleving als we geen vervuilingsvrije energie ontwikkelen."