Kunstmest voor de velden en brandstof voor landbouwvoertuigen zijn belangrijke kostenposten voor de landbouw. Kunstmest en dieselbrandstof zijn energie-intensieve producten en daarmee ook een belangrijke bron van CO2 emissies vanuit de landbouw. Technologie voor hernieuwbare energie zoals zonne- en wind energie wordt steeds goedkoper waardoor het rendabeler wordt deze technologie ook te gebruiken. Terug leveren van geproduceerde hernieuwbare elektriciteit aan het elektriciteitsnet is echter niet altijd voordelig. De hernieuwbare energie moet hier concurreren met gesubsidieerde fossiele elektriciteit opgewekt met kolen, gas en kerncentrales. Kleinschalige decentrale productie op het boerenbedrijf van zowel kunstmest als transportbrandstof met behulp van hernieuwbare energie levert de boer en zijn omgeving direct voordeel op:Inkoopkosten voor deze producten worden lagerVermindert de CO2-emissie van de landbouw aanzienlijk, de carbo-footprint wordt verminderdRendement op hernieuwbare energie technologie wordt hogerAmmoniak (NH3) is zowel grondstof voor kunstmest als brandstof voor motoren. Ammoniak kan diesel voor meer dan 90% vervangen in bestaande dieselmotoren. Daarmee is ammoniak een uitstekende vervanger voor diesel in het landbouw en wegverkeer. Ammoniak is ook grondstof voor waterstof (H2) in waterstofmotoren. De technologie om ammoniak te maken is gebaseerd op het Haber-Bosch proces uit het begin van de vorige eeuw. Deze technologie vraagt veel energie voor het creëren van de hoge druk en de hoge temperaturen. Daarom is het voordelig het Haber-Bosch proces in grote installaties uit te voeren.Nieuwe brandstofcel-technologie maakt het mogelijk het Haber-Bosch proces (elektro-katalytisch) op kleine schaal uit te voeren. Het Kiemkracht concept Greenfertilizer onderzoekt de mogelijkheden van deze technologie voor ammoniak productie en benutting op het eigen boerenbedrijf.Het onderzoek is uitgevoerd door TU-Delft en Hanzehogeschool. Het doel was een opgeschaald ammonia elektrolyse synthese proces te ontwikkelen waar een eerste schaal-sprong gemaakt zou worden.Het elektrochemisch ammonia synthese proces is gebaseerd op zuurstofgeleidende elektroden, (proces figuur3. zie onder). Het voordeel van deze zuurstofgeleidende electroden boven proton geleidende electroden is dat er met omgevingslucht gewerkt kan worden in plaats van met stoom. Stoom maakt technologische ontwikkeling van het proces gecompliceerder. Experimenteel en theoretisch onderzoek van TU-Delft laat zien dat met deze elektroden ammonia te produceren is. TU-Delft heeft met zuurstof geleidende electroden ammonia productiesnelheden behaald van 1,84x 10-10 mol s-1 cm-2 bij 650oC. Deze snelheden zijn een factor 100-1000 hoger dan tot nu toe gerapporteerd in literatuur (Kyriakou et al 2017). Simulatie-studies van TU-Delft laten zien dat het ammonia synthese proces met een factor 100-1000 versneld kan worden door het proces onder druk te brengen bij een temperatuur van 400-500C. Op basis van deze simulaties is een ontwerp gemaakt en uitgevoerd voor een “hoge-druk electrolyse reactor”. Technische complicaties met deze hoge druk elektrolyse reactor maakte het onmogelijk betrouwbare resultaten te verkrijgen. Met name gas lekkages bij hoge temperaturen maakten het onmogelijk ammonia massabalansen op te stellen. Bovendien was ammonia productie niet aan te tonen. Hiermee zijn de simulatie voorspellingen niet bevestigd en blijft het onduidelijk of de onderliggende hypothesen correct zijn. De Hanzehogeschool heeft onderzoek uitgevoerd naar het concentreren van ammonia voor toepassing als vloeibare kunstmest. Uitgangspunt hierbij waren de ammonia productieniveau van de experimentele opzet en de voorspelde gesimuleerde opzet. Met de juiste technologie is het mogelijk de ammonia te concentreren voor verdere verwerking als kunstmest. Echter dit proces is economisch rendabel bij een ammonia concentratie in de uitstroom van de elektrolyse reactor die een factor 1000 hoger is dan tot nu toe is gemeten. Het feit dat de TU-Delft er niet in is geslaagd een kleine schaalsprong (factor 10) te maken met de drukreactor betekent dat commerciële toepassing van dit proces voorlopig nog niet aan de orde is. Achteraf gezien was het wellicht beter geweest de keuze te maken voor de proton geleidende electroden die bij lagere temperaturen werkzaam zijn, hier is een schaalsprong van een factor 100 ten opzichte van de recent gerapporteerde ammonia synthese snelheden. Een recente review door Kyriakou et al 2017 geeft als aanbeveling onderzoek te verrichten naar verbeterde elektrodematerialen en geleidende elektrolyten in de reactorcellen. Uiteindelijk zal het elektrochemisch ammonia synthese proces er komen vanwege de vele voordelen die het beidt. Processen moeten met een factor 100-1000 verbeterd worden eer het proces economisch rendabel is. Op dit moment is het nog niet te voospellen wanneer dit moment er is.
The intermittency of renewable energy technologies requires adequate storage technologies. Hydrogen systems consisting of electrolysers, storage tanks, and fuel cells can be implemented as well as batteries. The requirements of the hydrogen purification unit is missing from literature. We measured the same for a 4.5 kW PEM electrolyser to be 0.8 kW for 10 min.A simulation to hybridize the hydrogen system, including its purification unit, with lithium-ion batteries for energy storage is presented; the batteries also support the electrolyser. We simulated a scenario for operating a Dutch household off-electric-grid using solar and wind electricity to find the capacities and costs of the components of the system.Although the energy use of the purification unit is small, it influences the operation of the system, affecting the sizing of the components. The battery as a fast response efficient secondary storage system increases the ability of the electrolyser to start up.
In the course of the “energie transitie” hydrogen is likely to become a very important energy carrier. The production of hydrogen (and oxygen) by water electrolysis using electricity from sun or wind is the only sustainable option. Water electrolysis is a well-developed technique, however the production costs of hydrogen by electrolysis are still more expensive than the conventional (not sustainable) production by steam reforming. One challenge towards the large scale application of water electrolysis is the fabrication of stable and cheap (noble metal free) electrodes. In this project we propose to develop fabrication methods for working electrodes and membrane electrode stack (MEAs) that can be used to implement new (noble metal free) electrocatalysts in water electrolysers.
In Gelderland at industriepark Kleefsewaard, a prominent knowledge hub for hydrogen technology has been developed, featuring key industry players and research groups contributing to innovative and cost-effective hydrogen technologies. However, the region faces a challenge in the lack of available test equipment for hydrogen innovations. In Anion Exchange Membrane (AEM) technology, a route to follow is to create hydrogen more efficiently with stacks that can operate under high pressure (50 bar – 200 bar). This results in compact hydrogen storage. Research must be done to understand crossover effects which become more apparent at these high pressure conditions. The overall goal is to design a Balanced of Plant (BOP) system, incorporating Process Flow Diagram (PFD) and Piping & Instrumentation Diagram (P&ID) elements, alongside hydrogen purification systems and gas-liquid separators, for a test setup operating AEM stacks at 200 bar. De Nooij Stainless contributes by designing and fabricating a gas liquid separator, addressing challenges such as compatibility, elevated temperatures, and hydrogen safety. ON2Quest collaborates in supporting the design of a hydrogen purification system and the Balance of Plant (BoP), ensuring flexibility for testing future stacks and hydrogen purification components. HyET E-Trol specializes in high pressure (up to 200 bar) AEM electrolyser stacks and is responsible for providing problem statements and engineering challenges related to the (Balanced of Plant) BoP of AEM systems, and contributes in solving them. Subsequent projects will feature test sequences centered on other stacks, allowing for testing stacks from other companies. The resulting framework will provide a foundation for ongoing advancements, with contributions from each partner playing a crucial role in achieving the project's goals.
Production of hydrogen from renewable power sources requires dynamic operation of electrolysers. A dedicated research activity is proposed to explore and study the impact of variable operation on electrolyser performance and the electricity grid. In addition optimal control strategies will be developed with the goal to improve overall operational efficiency. It is expected that by applying advanced control strategies 2 to 3% operational efficiency gain can be achieved. The research proposed in this project is aimed to explore, validate and demonstrate this potential efficiency gain on the PEM unit.
