Waterstof is schoon, veelzijdig en in potentie onuitputtelijk. Maar een groot struikelblok blijft de opslag. Waterstof is lastig te bewaren zonder dure en complexe systemen. Onderzoekers van ETH Zürich hebben nu een veelbelovende doorbraak bereikt: ze gebruiken ijzer, een alledaags en goedkoop materiaal, om waterstof efficiënt en veilig op te slaan. Deze innovatie kan de energietransitie een flinke stap vooruit helpen zonder de bank te breken.
Eenvoudig, maar vernuftig idee
Het idee achter de nieuwe methode is verrassend eenvoudig, maar technisch vernuftig. Roestend ijzerpoeder. Door ijzerpoeder te verhitten in stoom, wordt ijzeroxide, beter bekend als roest, gevormd en komt waterstof vrij. Dit proces is omkeerbaar: wanneer je waterstof toevoegt aan ijzeroxide, krijg je weer ijzer en water. Dit maakt het mogelijk om waterstof op te slaan in een stabiele, compacte vorm en het later weer vrij te maken wanneer dat nodig is. IJzer is overal beschikbaar, goedkoop en veel veiliger dan bijvoorbeeld vloeibare waterstofopslag onder hoge druk of bij extreem lage temperaturen.
Nadeel is wel dat het systeem weinig efficiënt is. In totaal gaat 60% van de energie verloren. Maar als de stroomprijzen negatief zijn is dat geen probleem. De warmte die vrijkomt in de winter is dan juist erg welkom. En zonnepanelen zijn nu spotgoedkoop.
Elegant en duurzaam
Wat deze aanpak extra aantrekkelijk maakt, is de duurzaamheid. Traditionele opslagmethoden voor waterstof, hebben nadelen. Tanks, zoals gasflessen onder hoge druk, zijn nogal lomp en erg gevaarlijk. Chemische verbindingen vereisen vaak zeldzame of dure materialen, zoals platina. Bovendien kosten ze veel energie om te produceren en te onderhouden. IJzer daarentegen is overvloedig aanwezig en de energie die nodig is voor het proces kan afkomstig zijn uit hernieuwbare bronnen, zoals zonne- of windenergie. IJzerpoeder is makkelijk te verdelen, op te slaan en mee te nemen. Dit maakt het systeem niet alleen goedkoper, maar ook milieuvriendelijker.
De kosten per kilowattuur capaciteit zijn volgens de ontwikkelaars een tiende van die van gangbare opslagmethoden. Dan zou je praten over bedragen tussen de vijf en vijftien euro per kWh opslagcapaciteit. Omdat de batterij alleen in het winterseizoen wordt ontladen, dus één keer per jaar volledig wordt gebruikt, is de terugverdientijd dus vrij lang, tussen de tien en twintig jaar. Daartegenover staat dat de installatie eeuwenlang meegaat.
Prototype werkt uitstekend
De onderzoekers hebben hun technologie getest in een laboratoriumopstelling, waarbij ze een reactor gebruikten om ijzer en stoom met elkaar te laten reageren. Ze ontdekten dat het proces efficiënt werkt bij relatief lage temperaturen, rond de 400 graden Celsius, wat het haalbaar maakt voor industriële toepassingen. Daarnaast is het systeem schaalbaar: het kan worden aangepast voor kleine energiecentrales, maar ook voor grote installaties die hele steden van energie voorzien. Een ander voordeel is dat ijzeroxide niet giftig is en geen speciale behandeling vereist na gebruik, in tegenstelling tot sommige andere opslagmedia.
Ondertussen is al een grotere reactor op de campus getest. Opschaling lijtk dus geen probleme te zijn.
Optimisme
De onderzoekers zijn optimistisch en hebben een startup, Iron Energy, gevormd. Ze schatten dat deze technologie binnen enkele jaren klaar kan zijn voor commerciële toepassing, vooral in sectoren zoals de industrie en transport, waar waterstof een cruciale rol kan spelen in het vervangen van fossiele brandstoffen. Seizoensopslag is HET probleem op dit moment. Dat kan je hiermee voor een groot deel oplossen. Voor scheepvaart is dit een interessant concept. Met een energiedichtheid van 1 kWh per kilo, is deze zeer behoorlijk en vergelijkbaar met die van lithium ion. Maar ook voor het ’transport’ van waterstof is dit zeer interessant.
Deze doorbraak laat zien hoe creatieve wetenschap kan leiden tot praktische oplossingen. Door een alledaags materiaal als ijzer slim in te zetten, brengen de onderzoekers een duurzame energietoekomst een stap dichterbij. Voor een wereld die snakt naar schone energie, is dat goed nieuws.
Bronnen
Safe seasonal energy and hydrogen storage in a 1 : 10 single-household-sized pilot reactor based on the steam-iron process, Sustainable Energy Fuels, 2024,8, 125-132
https://doi.org/10.1039/D3SE01228J