SeaHydrogen: elektriciteit, waterstof, zoet water en mineralen (waarinder lithium) produceren uit zeewater

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. SeaHydrogen biedt een andere aanvliegroute.

grote golf in zee
Afbeelding van WikiImages via Pixabay

Water produceren in plaats van consumeren, dat is één van de kernelementen van SeaHydrogen, de Nexus-benadering voor groene waterstofproductie, van Wageningen University & Research (Wur).

Momenteel lijkt de oplossing een lineaire aanpak met omgekeerde osmose (RO) te zijn, waarbij zeewater wordt ontzilt, of drinkwater als bron wordt gebruikt. Deze benadering heeft echter een aantal nadelen. In beide gevallen ontstaat veel restwarmte die moet worden weg gekoeld. Bovendien vraagt zeewaterontzilting veel elektriciteit en worden er chemicaliën bij gebruikt. Bovendien wordt drinkwater steeds schaarser.

Watertechnologie-experts van de Wur bevelen aan om een geïntegreerd systeem te implementeren dat de nadelen van RO aanpakt, terwijl er diverse waardevolle nutsvoorzieningen voor de samenleving aan worden toegevoegd: het SeaHydrogen-concept.

De aanpak gebruikt de restwarmte van de elektrolyseapparatuur om zuiver water en waardevolle mineralen uit zeewater te produceren. Volgens berekeningen en voorlopige pilotstudies kan er meer zuiver water kan worden geproduceerd dan nodig is voor de waterstofproductie. Bovendien is er minder koeling van de elektrolyseapparatuur nodig.

Zoetwaterschaarste

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 verder zullen toenemen.

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.

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 leidt tot verzilting van zoetwaterbronnen. Lozen in zee verhoogt het lokale zoutgehalte aan de bij de kust en kan het leven in zee beïnvloeden.

Een belangrijk nadeel van elektrolyzers voor waterstof is de gegenereerde afvalwarmte. Momenteel zijn er geen plannen om deze 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, wat 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 verder toeneemt.

Linaire aanpak

De geïntegreerde aanpak van SeaHydrogen

Seahydrogen bestaat uit drie configuraties, waarbij elk deel gebruikmaakt van de restwarmte van de elektrolyzer. Binnen elke configuratie wordt een specifieke generatie van een membraandestillatietechnologie (MD) geïntegreerd. MD benut restwarmte om water van hoge kwaliteit te produceren uit zeewater en wordt gekenmerkt door een laag elektriciteitsverbruik en vermijden van chemicaliën.

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.

Lithium oogsten

De resulterende pekelwaterstroom kan verder worden geconcentreerd met een hybride variant van de MD-technologie, opnieuw met restwarmte van de elektrolyzer. Hiermee kunnen zouten worden teruggewonnen door middel van membraandestillatiekristallisatie (MDC). 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.

In het winterseizoen heeft Nederland minder water 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 om in druk en vervolgens in elektriciteit.

SeaHydrogen concept

Meerdere toepassingen

SeaHydrogen is landelijk en lokaal toepasbaar en ook 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, mineralen en elektriciteit te produceren.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *