SeaHydrogen: uit zeewater waterstof, zoet water, mineralen en elektriciteit produceren

De Nederlandse overheid streeft naar een groene waterstofeconomie met een productiecapaciteit van 8 GW in 2032. Dit vereist aanzienlijke hoeveelheden zuiver water als grondstof voor de benodigde electrolyzers. Momenteel lijkt de oplossing een lineaire aanpak met omgekeerde osmose (RO) te zijn, waarbij ofwel zeewater wordt ontzilt, ofwel het drinkwater als bron wordt gebruikt. Deze benadering heeft echter een aantal nadelen. Allereerst ontstaat er in beide gevallen veel restwarmte die moet worden weg gekoeld. Bovendien is bij zeewaterontzilting een hoog elektriciteitsverbruik vereist terwijl er ook chemicaliën worden gebruikt. Dit draagt bij aan een grote ecologische voetafdruk. Ten derde wordt drinkwater steeds meer een kostbare bron die ook voor andere doeleinden beschikbaar moet zijn.

Als voorkeursroute bevelen watertechnologie-experts van Wageningen University & Research aan om een geïntegreerd systeem te implementeren. Met deze Nexus-benadering worden de nadelen van RO aangepakt, terwijl er diverse waardevolle nutsvoorzieningen voor de samenleving aan worden toegevoegd. Wij noemen dit het SeaHydrogen-concept.

Onze aanpak maakt gebruik van de restwarmte van de elektrolyseapparatuur om zuiver water en waardevolle mineralen uit zeewater te produceren. Het zuivere water wordt niet alleen als grondstof voor de waterstofproductie gebruikt, maar is ruim voldoende om een alternatieve zoetwaterbron te creëren. Hiermee kunnen de verwachte zoetwatertekorten in de nabije toekomst worden verminderd. Berekeningen en voorlopige pilotstudies bevestigen dat er meer zuiver water kan worden geproduceerd dan nodig is voor de waterstofproductie. Als extra voordeel van het benutten van de afvalwarmte is er minder koeling van de elektrolyseapparatuur nodig, waardoor het gebruik van koelwater wordt geminimaliseerd en bovendien energie wordt bespaard.

Zoetwaterschaarste

Jaarlijks worden er steeds meer meldingen gedaan van drinkwatertekorten in Nederland. Volgens Vitens zal Nederland in 2030 een tekort van 6 miljoen m³ zoet water hebben, om 100.000 nieuwbouwwoningen in de provincie Gelderland van drinkwater te voorzien. De verwachting is dat deze tekorten alleen maar zullen toenemen.

Met dit in het achterhoofd geeft de opkomende waterstofeconomie duidelijk meer druk op de zoetwaterbronnen, resulterend in extra uitdagingen. Voor de geplande waterstofcapaciteit van 8 GW in 2032 is ongeveer 11 miljoen m³ zuiver water nodig. Als hiervoor drinkwater als bron wordt gebruikt, zal dit jaarlijks 1% van de totale drinkwatercapaciteit verbruiken (gebaseerd op cijfers van 2021 van Nederland). Dit is de dubbele hoeveelheid van het verwachte tekort voor Gelderland in 2030.

Nadelen van waterstofproductie met zeewater

Omdat zeewater overvloedig beschikbaar is, zou dit de voorkeursbron kunnen zijn om waterstof elektrolyzers van zuiver water te voorzien. De huidige methode hiervoor is het gebruik van omgekeerde osmose (RO)-systemen. Vanwege het hoge zoutgehalte van zeewater is het elektriciteitsverbruik voor RO echter hoog in vergelijking met het gebruik van zoetwater als bron. Dit resulteert in een grote ecologische voetafdruk.

Tegelijkertijd wordt met RO een pekelwaterstroom (brijn) geproduceerd. Momenteel is dit een afvalstroom met een hoog zoutgehalte die bovendien chemicaliën bevat (anti-scalingmiddelen). Lozen in de grond of op zoet oppervlaktewater is geen optie omdat dit leidt tot verzilting van kostbare zoetwaterbronnen. Het lozen van pekelwater in zee wordt ook niet aanbevolen, omdat dit het lokale zoutgehalte aan de bij de kust verhoogt en het leven in zee nadelig kan beïnvloeden.

Een belangrijk nadeel van elektrolyzers voor waterstof is de gegenereerde afvalwarmte. Momenteel zijn er geen plannen om deze laagwaardige warmte van circa 80 °C te hergebruiken. Om rendabel te zijn voor het verwarmen van gebouwen moet het beschikbaar zijn in de buurt van een stedelijk gebied, waardoor het zeer onpraktisch is voor offshore-waterstofproductie. Voor toepassingen op land is restwarmte met name tijdens de winterperiode nuttig. Momenteel zijn dus uitgebreide koelingsmaatregelen nodig om de restwarmte af te voeren, waardoor de vraag naar water alleen maar verder toeneemt.

De geïntegreerde aanpak van SeaHydrogen

Om alle genoemde uitdagingen, zoals zoetwaterschaarste, pekelafvoer en afvalwarmteafvoer, aan te pakken, introduceert Wageningen University & Research het SeaHydrogen-concept voor waterstofproductie. Wij pleiten voor een totaalconcept (Nexus), in plaats van een lineaire stapsgewijze benadering met conventionele watertechnologieën. Door geschikte watertechnologieën te gebruiken en recente ontwikkelingen te integreren, kan de productie van groene waterstof gepaard gaan met de het maken van zuiver water, het extraheren van waardevolle mineralen én het opwekken van elektriciteit uit zeewater, brijnen of andere zoute stromen.

Het concept bestaat uit drie configuraties, waarbij in elk deel gebruikmaakt van de restwarmte van de elektrolyzer. Binnen elke configuratie wordt een specifieke generatie van een membraandestillatietechnologie (MD) geïntegreerd. MD is uniek in het benutten van restwarmte om water van hoge kwaliteit te produceren uit zeewater en wordt gekenmerkt door een laag elektriciteitsverbruik en vermijden van chemicaliën. In tegenstelling tot RO, waarbij elektriciteitskosten nodig zijn voor het maken van water, gebruikt MD alleen restwarmte om water te genereren dus nagenoeg zonder elektriciteit.

De eerste fase van het concept betreft de productie van zuiver water uit zeewater door middel van conventionele MD. Dit product kan worden gebruikt als watertoevoer voor de elektrolyzer. Berekeningen geven het potentieel aan om meer water te produceren met de beschikbare restwarmte dan nodig is voor de elektrolyzer. Dit surplus aan water kan worden gebruikt voor andere doeleinden, zoals voor productie van drinkwater, de agrofoodsector of industrieel gebruik. Hierdoor kan de druk op zoetwaterbronnen worden verminderd.

Omdat deze eerste stap resulteert in een pekelwaterstroom, kan dit concentraat in een tweede configuratie verder worden geconcentreerd met een speciale hybride variant van de MD-technologie, opnieuw met behulp van de restwarmte van de elektrolyzer. Hiermee kunnen zouten worden teruggewonnen door middel van membraandestillatiekristallisatie (MDC) -technologie. Deze zouten kunnen voor verschillende doeleinden worden gevaloriseerd, bijvoorbeeld natriumchloride voor een keur aan industriële en consumentenproducten of zelfs lithium voor batterijen. In 2024 zal WFBR samen met partners een start maken met het onderzoek van dit Combrine-concept in een Publiek-Private-Samenwerkingsproject.

Met name in het winterseizoen heeft Nederland minder waterproductie nodig. Op dat moment kan men de MD-installatie anders configureren om maximaal elektriciteit te produceren uit restwarmte, door gebruik te maken van de MemPower-aanpak. Dit concept zet restwarmte met een relatief hoog rendement om in druk en uiteindelijk in elektriciteit.

Meerdere toepassingen

Zoals hierboven blijkt, heeft SeaHydrogen substantiële voordelen voor een groene en duurzame samenleving. Een samenleving waarin energie en water niet alleen breed beschikbaar zijn, maar waarbij ook de kosten in balans blijven. Naast centrale toepassingen in binnen- en buitenland is het SeaHydrogen-concept ook toepasbaar op lokaal niveau en bij andere warmte- en/of waterbronnen. Als er maar restwarmte van 60 °C of hoger beschikbaar is, zijn er mogelijkheden om uit verschillende waterige grondstoffen zoet water, waardevolle mineralen en elektriciteit te produceren.

WUR beveelt ten zeerste aan dat zowel beleidsmakers als de watertechnologiesector deze aanpak omarmen in hun toekomstige samenwerking. De voorgestelde strategie zet waterstof weer terug op zijn rechtmatige plaats als een van de belangrijkste, realistische en haalbare maatregelen op weg naar een groene economie.