De belangrijkste verschillen tussen alkalische en PEM-waterstofproductiesystemen

Nu de wereld overschakelt op schone energie, is waterstof – met name groene waterstof geproduceerd via waterelektrolyse – uitgegroeid tot een cruciale energiedrager. Twee toonaangevende elektrolysetechnologieën domineren de markt: alkalische systemen en protonuitwisselingsmembraansystemen (PEM). Hoewel beide waterstof produceren door water te splitsen, verschillen ze aanzienlijk in ontwerp, efficiëntie, kosten en operationele flexibiliteit.

Laten we de belangrijkste verschillen eens op een rijtje zetten, zonder in vakjargon te vervallen.

1. Elektrolyt- en kernreactiemechanisme

Alkalische systemen

Gebruik een vloeibare alkalische elektrolyt (meestal kaliumhydroxide, KOH).

Hydroxide-ionen (OH⁻) dragen de lading tussen elektroden.

Vereist een poreus membraan om waterstof- en zuurstofgassen te scheiden.

PEM-systemen

Gebruik een vast polymeermembraan (meestal Nafion) als elektrolyt.

Protonen (H⁺) bewegen door het membraan heen, waardoor de reactie efficiënter wordt.

Geen vloeibare elektrolyt, alleen ultrazuiver water en het membraan.

Waarom het belangrijk is:

PEM-systemen vermijden corrosieve alkali-oplossingen, waardoor onderhoudsrisico's worden verminderd.

Alkalische systemen zijn toleranter voor verontreinigingen in het water, maar moeten periodiek de elektrolyt vervangen.

2. Efficiëntie en bedrijfsomstandigheden

Alkalische systemen

Lagere efficiëntie (60–70%) vanwege de hogere elektrische weerstand in vloeibare elektrolyten.

Werkt bij lagere stroomdichtheden (0,2–0,4 A/cm²).

Vereist hogere celspanningen (1,8–2,4 V).

PEM-systemen

Hogere efficiëntie (70–80%) dankzij snellere protongeleiding in het membraan.

Werkt met hogere stroomdichtheden (1–2 A/cm²).

Werkt op lagere spanningen (1,6–2,0 V), waardoor energie wordt bespaard.

Waarom het belangrijk is:

PEM-systemen produceren meer waterstof per kWh, waardoor ze beter geschikt zijn voor toepassingen in hernieuwbare energie.

Alkalische systemen zijn minder efficiënt maar goedkoper om te bouwen, waardoor de kosten op de lange termijn worden gecompenseerd.

3. Reactie op de variabiliteit van hernieuwbare energie

Alkalische systemen

Kan het opgenomen vermogen aanpassen tussen 40-110% van de nominale capaciteit.

Langzamere reactie op snelle veranderingen in de belasting (minuten om te stabiliseren).

PEM-systemen

Kan direct omhoog of omlaag gaan (aanpassing in seconden).

Beter geschikt voor intermitterende hernieuwbare energiebronnen (zon/wind) vanwege de dynamische werking.

Waarom het belangrijk is:

PEM is ideaal voor hybride projecten met hernieuwbare waterstof, waarbij de stroomvoorziening fluctueert.

Alkalische systemen zijn beter geschikt voor stabiele netwerken of industriële toepassingen.

4. Kosten en schaalbaarheid

Alkalische systemen

Lagere initiële kosten (geen dure katalysatoren of membranen).

Maakt gebruik van elektroden op nikkelbasis, die goedkoop en duurzaam zijn.

Gemakkelijker op te schalen voor grote industriële installaties (100+ MW).

PEM-systemen

Hogere kapitaalkosten vanwege edelmetaalkatalysatoren (platina, iridium).

Membraandegradatie kan de onderhoudskosten op lange termijn verhogen.

Momenteel beter geschikt voor projecten van kleine tot middelgrote omvang (1–50 MW).

Waarom het belangrijk is:

Alkaline is de beste optie voor grootschalige, goedkope waterstofproductie.

PEM heeft de voorkeur voor compacte, zeer efficiënte systemen waarbij ruimte en reactievermogen van belang zijn.

5. Zuiverheids- en onderhoudsbehoeften

Alkalische systemen

Periodieke vervanging van de elektrolyt en onderhoud van het membraan.

PEM-systemen

Produceert waterstof met een hogere zuiverheidsgraad (geen verontreiniging door vloeibare elektrolyt).

Minder bewegende onderdelen, maar membraandegradatie kan een probleem vormen.

Waarom het belangrijk is:

PEM-waterstof is vaak direct klaar voor gebruik in brandstofcellen, zonder uitgebreide zuivering.

Alkalische systemen hebben extra stappen nodig, maar blijven betrouwbaar voor de levering van industrieel gas.

Welke moet u kiezen?

Voor grootschalige, goedkope waterstof: Alkaline wint op het gebied van betaalbaarheid en schaalbaarheid.

Voor integratie van hernieuwbare energie en snelle reactie: PEM is de duidelijke keuze.

Voor waterstof met een hoge zuiverheidsgraad in mobiliteits-/brandstofcellen: PEM elimineert extra zuiveringsstappen.

Toekomstperspectief

Verbeteringen op basis van alkali: geavanceerde membranen en elektrodecoatings kunnen de efficiëntie verhogen.

PEM-kostenverlaging: onderzoek richt zich op het vervangen van edelmetalen door goedkopere alternatieven.

Beide technologieën zullen een cruciale rol spelen in de waterstofeconomie: Alkaline voor massaproductie en PEM voor flexibiliteit en efficiëntie.