RO‑permeaat: de sleutel tot duurzaam watergebruik in waterstofproductie?

Waterstof is een veelbesproken onderwerp met betrekking tot de energietransitie, maar hoe duurzaam is grootschalige waterstofproductie werkelijk? Terwijl de aandacht vooral uitgaat naar elektriciteit en efficiëntie, blijft één grondstof vaak onderbelicht: water. Bij de productie van waterstof zijn twee cruciale waterstromen te onderscheiden: water als grondstof en water voor koeling. Koelwater vraagt in de praktijk grote volumes. Tegelijkertijd neemt de druk op beschikbare waterbronnen toe. Iv onderzocht of het permeaat (voorgezuiverd productwater) van een RO-installatie ook kan worden ingezet als koelwater, met verrassend grote waterbesparingen als resultaat.

Groene waterstof ontstaat via elektrolyse: een proces waarbij water met behulp van elektriciteit wordt gesplitst in waterstof en zuurstof. Er bestaan verschillende elektrolysetechnologieën. Op dit moment worden vooral alkalische en proton-exchange-membrane-elektrolysers (PEM) commercieel toegepast. Andere technologieën zijn nog in ontwikkeling en worden op pilotschaal getest, zoals solid-oxide- en anion-exchangesystemen.

Het belang van water in de installatie

In economische analyses van waterstofproductie krijgt water nog weinig aandacht. Dat is op het eerste gezicht logisch: elektriciteit bepaalt ongeveer 75 tot 80 procent van de totale waterstofkosten, en overige investeringen nog eens 15 tot 20 procent. Water – inclusief behandeling en zuivering – vertegenwoordigt minder dan één procent van de totale kosten.

”Maar dat kleine aandeel zegt weinig over het belang van water in de installatie zelf”, zegt Amir Haidari, senior water technology specialist bij Iv. “Voor iedere kilogram geproduceerde waterstof is theoretisch ongeveer negen liter water nodig. In de praktijk ligt dit nog iets hoger door verliezen en spoelstromen. Uitgaande van een energieverbruik van circa 50 kWh per kilogram waterstof, produceert een installatie van 100 MW ongeveer 2,4 GWh aan energie per etmaal. Dat komt neer op ongeveer 48.000 kilogram waterstof per dag. Inclusief spoel- en procesverliezen is daarvoor 400 tot 450 m³ ultrapuur water per dag nodig. En dat is nog niet alles.”

Voor waterstofproductie is niet alleen water nodig in de elektrolyser zelf, maar ook voor koelsystemen, gasdroging en verschillende veiligheids- en hulpsystemen. “Verreweg het meeste water gaat naar het koelwatersysteem, dat warmte afvoert uit de elektrolyserstacks, transformatoren, compressoren en gasdrogers”, zegt Amir. “En er is natuurlijk water nodig voor brandblus- en sprinklersystemen, instrumentatie en gasbehandeling, bijvoorbeeld bij droging en zuivering. In sommige installaties wordt ook nog water gebruikt als afdichtings- of scrubberwater.”

Maar hoeveel water is er eigenlijk nodig om waterstof te produceren? Tijdens het onderzoek dat Iv samen met de TU Delft uitvoerde, viel Amir al snel iets op. “Er wordt veel meer water gebruikt voor koeling dan voor de daadwerkelijke productie van waterstof”, vertelt hij. “Als we alle toepassingen meerekenen, blijkt dat een waterstoffabriek vijf tot tien keer meer water gebruikt dan alleen voor de elektrolyse nodig is. Dat is veel. En dat riep bij Iv de vraag op: kan dit niet efficiënter? En zo ja: hoe?”

Zuiverder water, hogere concentratiecyclus

De kwaliteit van het water bepaalt in grote mate de betrouwbaarheid en levensduur van een elektrolyse-installatie. Voor de elektrolyser is zeer zuiver water nodig, vrijwel vrij van zouten, organische stoffen, silica en micro-organismen. Zo wordt aantasting van membranen en elektroden voorkomen. Daarom wordt meestal een combinatie van omgekeerde osmose (RO) en elektrodeïonisatie (EDI) toegepast. Voor andere toepassingen, zoals koeling, gelden minder strenge eisen. “Waterstoffabrieken hebben daarom vaak meerdere waterlijnen: één voor ultrapuur water en één of meer voor proces- en koelwater”, zegt Amir. “Wij hebben onderzocht of dat eigenlijk wel zo efficiënt is.”

Het permeaat van een RO-installatie – het voorgezuiverde water dat normaal naar de EDI-stap gaat – kan volgens Amir namelijk ook worden ingezet als make-up-water voor het koeltorensysteem. Make-up water is het verse water dat aan een koelsysteem wordt toegevoegd om waterverliezen die ontstaan door verdamping, drift en spuien aan te vullen. “Doordat RO-permeaat vrijwel vrij is van zouten en micro-organismen, kan het koelwatersysteem met een hogere concentratiecyclus (COC) werken. Waar conventionele koeltorens meestal een COC van 2 tot 3 hebben, kan dit met zuiverder water oplopen tot 7 of 8. Daardoor is aanzienlijk minder vers water nodig. In sommige gevallen zelfs 60 tot 70 procent minder.”

Volgens Amir liggen juist in deze ondersteunende systemen belangrijke kansen. “Voor waterstofproductie moet je de kwaliteit van het water toch al sterk verbeteren”, zegt hij. “Waarom zouden we dat dan niet ook benutten voor andere onderdelen van de installatie?” Het resultaat is een stabieler koelsysteem met minder spuistroom en een lagere milieubelasting.

Een duurzamere waterstofketen

Waterstof moet een pijler worden van de toekomstige energievoorziening. Maar hoe duurzaam die keten werkelijk is, hangt ook af van slimme keuzes in het ontwerp van installaties. Het onderzoek van Iv en de TU Delft laat zien dat juist in de waterhuishouding nog veel winst te behalen valt: minder watergebruik, minder chemicaliën en een efficiënter systeem. “Door zuiver water slimmer in te zetten, kunnen we de waterstofketen duurzamer maken”, zegt Amir. “En daarmee bijdragen aan de energietransitie die onze industrie de komende decennia zal vormgeven.”