‘Zeewaterstof’ levert waterstof, drinkwater, stroom, tafelzout en mineralen op
Groene waterstof maken uit zeewater en tegelijkertijd schoon drinkwater en elektriciteit. En uit datzelfde zeewater bovendien waardevolle mineralen als lithium en tafelzout filteren. Onderzoekers van de Wageningen University & Research (WUR) laten met de Zeewaterstof-methode (SeaHydrogen) zien dat het kan. “Op deze manier houden we de waterstofeconomie milieuvriendelijk en haalbaar.”
10 januari 2024, 11:00
De Zeewaterstof-methode werd getest op Texel. | Credit: WUR
Nederland heeft voor het halen van zijn klimaatdoelen grote hoeveelheden groene waterstof nodig. Dat is waterstof die met groene stroom door middel van elektrolyse gemaakt wordt uit water. Bij verbranding hiervan komt alleen water en zuurstof vrij, dus geen CO2. Groene waterstof kan onder meer gebruikt worden voor processen in de (chemische) industrie, voor vrachtwagens, bussen, treinen, auto’s en in de toekomst wellicht ook voor het verwarmen van gebouwen en woningen. Daarnaast kan het een belangrijke rol spelen bij de tijdelijke opslag van overtollige groene stroom uit en zonne- en windenergie. Het kabinet heeft in 2022 zijn doelen voor de waterstofeconomie aangescherpt. In 2032 moeten elektrolysers in Nederland al 8 gigawatt aan groene waterstof kunnen maken.
Zeewaterstof
De SeaHydrogen-methode van de WUR combineert bestaande en nieuwe watertechnologieën in een geïntegreerd totaalsysteem. Dat ondervangt de huidige nadelen van de productie van groene waterstof en levert tegelijk diverse voordelen op die nuttig zijn voor de maatschappij, zoals het maken van schoon drinkwater, elektriciteit en waardevolle mineralen. “We combineren zeewater met waterstof en houden in het midden zoet water over. Daarom noemen we de methode zeewaterstof”, zegt Irma Steemers-Rijkse, programmamanager circulaire watertechnologieën bij Wageningen University & Research (WUR).
Groene waterstof vergroot drinkwatertekort
Een probleem dat vaak over het hoofd wordt gezien, is dat groene waterstof nu nog uit zoet water wordt gemaakt. Voor de productie van die 8 gigawatt in 2032 is naar schatting 11 miljard liter zuiver water nodig. Als elektrolysers daarvoor drinkwater gebruiken, verbruiken ze 1 procent van de jaarlijkse drinkwatercapaciteit in Nederland. Dat terwijl drogere zomers en lange periodes zonder regen nu al tot watertekorten leiden. Volgens het RIVM kampen alle tien de Nederlandse drinkwaterbedrijven in 2030 met tekorten als gebruikers niet zuiniger met water omgaan, regenwater niet beter opgevangen wordt en er geen nieuwe bronnen worden aangeboord. Het gebruik van zoet water voor waterstof kan dus leiden tot extra drinkwatertekorten, waarschuwen experts. “Bij alle plannen voor de waterstofproductie is de overheid een beetje vergeten dat je daar sloten water voor nodig hebt en dat het enorme druk legt op je drink- en zoetwaterbronnen”, zegt Steemers-Rijkse. “Wij willen helpen dat probleem op te lossen door tekorten weg te nemen.”
Nadelen van zout water
Dat kan door zeewater te gebruiken. Dat is er genoeg, maar dat wordt tot nu toe nauwelijks gebruikt omdat het zout de elektrolysers aantast. Met omgekeerde osmose (RO) kun je van zeewater zoet water maken – zoals in het Midden-Oosten en in toenemende mate in Europa al veel gebeurt – maar ook dat heeft nadelen. De methode kost veel elektriciteit en de overblijvende pekel (brijn) is te zout en bevat te veel chemicaliën om te kunnen lozen op zee, oppervlaktewater of in de bodem. “Lozen op land is een groot probleem. Dat kan niet zomaar. Opwerken en de zouten eruit halen kost veel energie. Op zee kun je het lozen, want die is al zout. Maar je ziet wel in gebieden als Spanje en in het Midden-Oosten dat door het gebruik van veel omgekeerde osmose-systemen extra verzilting ontstaat. Daardoor treedt een soort Dode Zee-effect op, waardoor het maritieme leven geen kans meer heeft”, legt Steemers-Rijkse uit.
Restwarmte ongebruikt
Een belangrijk nadeel van waterstof maken via elektrolysers is dat er veel restwarmte bij vrijkomt. Dat heeft een temperatuur van circa 80 graden Celsius en daar is nog geen toepassing voor gevonden. Sterker nog: om elektrolysers te koelen en de restwarmte af te voeren is water nodig, waardoor de vraag naar water nog verder toeneemt.
Economisch haalbare oplossing voor problemen
De voorgestelde Zeewaterstof-methode van de WUR lost al die problemen op. Het maakt gebruik van zout water en restwarmte en produceert niet alleen groene waterstof, maar ook nog eens zoet water en elektriciteit. Verder worden waardevolle mineralen uit de brijn geëxtraheerd. “Wat we zien in onze welvarende economieën is dat je pakt wat je nodig hebt en weggooit wat je er niet meer van wilt hebben. Zo ook met water. Wij denken dat het heel anders kan. Dat je alles intern kunt benutten, waardoor het én economisch haalbaar wordt en als businessmodel interessant is”, zegt Steemers-Rijkse.
Membraantechnologie
De methode maakt gebruik van membraantechnologie en restwarmte om water te destilleren. Zes jaar geleden is een voormalige TNO-afdeling ondergebracht bij de WUR, die veel onderzoek doet naar watertechnologieën, onder meer om water te zuiveren en stoffen terug te winnen met behulp van membranen. Zo hebben de experts van de WUR, jaren geleden bijgedragen aan de ontwikkeling en opschaling van de membraandestillatietechnologie (MD). In tegenstelling tot omgekeerde osmose is bij die techniek nauwelijks elektriciteit nodig. Met behulp van de restwarmte van de elektrolyser wordt van zout zeewater schoon drinkwater gemaakt door het te laten verdampen en weer te laten condenseren. Dat is de eerste stap. De methode gebruikt geen chemicaliën en heeft nauwelijks impact op het milieu.
Meer zoet water dan nodig voor waterstof
Dat zuivere water wordt gebruikt om in de elektrolyser groene waterstof te maken. Daarbij komt restwarmte vrij die weer gebruikt kan worden om opnieuw via membranen water te ontzilten. In een pilottest op Texel is gebleken dat je met de methode veel meer zuiver water kan maken dan de elektrolyser nodig heeft. “Dat zoete water kun je zelfs gebruiken om watertekorten op te lossen en van zeewater drinkwater te maken. Idealiter heb je dit soort systemen dan ook aan de kust, waar je aan de ene kant zeewater intrekt om waterstof te maken en aan de andere kant een zoetwaterleiding naar het binnenland legt”, zegt Steemers-Rijkse. “Op deze manier houden we de waterstofeconomie milieuvriendelijk en haalbaar.”
Tafelzout en lithium uit brijn
De tweede stap is om met dit proces brijn op te werken. Dat blijft automatisch over na de ontzilting. Door een combinatie van kristallisatie en membraandestillatietechnologie zijn daar waardevolle mineralen en zouten uit te halen. “Normaal ga je geen waardevolle zouten uit zeewater halen, want de concentraties zijn veel te laag om dat economisch rendabel te maken. Maar omdat je hier al een stap gemaakt hebt met de productie van puur water, wordt het nu misschien wel rendabel. Zeker in combinatie met de beschikbare restwarmte”, zegt Steemers-Rijkse. “Daarvoor moeten we de brijn verder indikken. Daar hebben we een patent op en dit jaar starten we een project om die mineralen er zo geconcentreerd mogelijk uit te halen. Eerst winnen we er gewoon keukenzout uit. Dan houd je nog een geconcentreerde zoutoplossing over met waardevolle andere componenten. Bijvoorbeeld lithium, dat gebruikt kan worden in batterijen.”
Elektriciteit uit restwarmte
In de derde stap wordt de restwarmte benut om van zeewater niet alleen zoet water, maar ook elektriciteit te maken. Dat kan bijvoorbeeld een goede oplossing zijn voor offshore elektrolysers. Daarbij wordt een andere vorm van membraandestillatie ingezet, die MemPower heet. “Dan maak je wel water voor je elektrolyser, maar het overschot zet je met je restwarmte om in elektriciteit”, zegt Steemers-Rijkse. In de winter, als er door overvloedige regenval minder watertekorten zijn, kunnen installaties op land zo geconfigureerd worden dat ze minder zoet water en meer elektriciteit maken.
Klaar voor de markt
De uitwerking van deze nieuwe methode is eind 2023 gepubliceerd. Nu is het zaak de technologie in de praktijk te gaan toepassen, onder andere om de druk op de drinkwatervoorraden te verkleinen. Met de eerste stap van de Zeewaterstof-methode kunnen overheden, private- en commerciële partijen al aan de slag. Aan het tweede deel voor mineraalextractie gaat de WUR dit jaar werken via een project. Het derde deel met MemPower vergt nog verdere ontwikkeling, voordat die methode klaar is voor de markt.
