Zonlicht kan rechtstreeks uit het water in foto-elektrochemische (PEC) cellen groene waterstof produceren, verklaren wetenschappers van het Holmholtz Zentrum Berlin in een persbericht.
Tot dusver waren systemen op basis van deze “directe aanpak” energetisch niet concurrerend. Deze studie toont echter aan dat de energieterugverdientijd van foto-elektrochemische “groene” waterstofproductie drastisch kan worden verkort.
Waterstof kan worden geproduceerd door elektrolyse van water, idealiter met zonnecellen of windenergie, die de benodigde elektrische energie leveren. Deze “groene” waterstof zal naar verwachting een belangrijke rol spelen in het energiesysteem van de toekomst. In het afgelopen decennium heeft de splitsing van water op zonne-energie aanzienlijke vooruitgang geboekt: de beste elektrolyzers, die de benodigde spanning uit PV-modules of windenergie halen, halen al een rendement tot 30%. Dit is de indirecte aanpak.
De directe aanpak
Verschillende teams van het HZB Institute for Solar Fuels werken aan een directe aanpak van de watersplitsing door zonne-energie: zij ontwikkelen foto-elektroden die zonlicht omzetten in elektrische energie. Deze foto-elektroden bestaan uit lichtabsorbers gekoppeld aan katalysatormaterialen om de actieve component van een foto-elektrochemische cel (PEC) te vormen. De beste PEC-cellen op basis van goedkope en stabiele metaaloxide-absorbers bereiken reeds rendementen van bijna 10%. Hoewel PEC-cellen nog steeds minder efficiënt zijn dan door PV aangedreven elektrolyzers, hebben zij ook belangrijke voordelen: in PEC-cellen kan bijvoorbeeld de warmte van het zonlicht de reacties verder versnellen. En omdat de stroomdichtheid bij deze aanpak tien tot honderd keer lager is, kunnen overvloedige en zeer goedkope materialen als katalysator worden gebruikt.
Nog niet concurrerend
Tot dusver is uit analyses gebleken dat de PEC-aanpak nog niet concurrerend is voor grootschalige toepassing. Waterstof uit PEC-systemen kost vandaag ongeveer 10 USD/kg, ongeveer 6 keer meer dan waterstof uit fossiele methaanstoomreforming 1,5 USD/kg. Bovendien wordt de cumulatieve energiebehoefte voor PEC-watersplitsing geschat op 4-20 keer hoger dan voor waterstofproductie met windturbines en elektrolyzers.
“We wilden het anders aanpakken,” zegt Dr. Fatwa Abdi van het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen. Abdi’s groep onderzocht hoe de balans verandert wanneer een deel van de geproduceerde waterstof in dezelfde reactor verder reageert met itaconzuur (IA) tot methylsuccinezuur (MSA).
Een flexibel systeem
“Het systeem is flexibel en kan ook andere waardevolle chemicaliën produceren die momenteel op de locatie nodig zijn,” legt Abdi uit. Het voordeel is dat de vaste componenten van de PEC-eenheid, die het grootste deel van de investeringskosten vertegenwoordigen, hetzelfde blijven; alleen de hydrogeneringskatalysator en de grondstof moeten worden vervangen. “Deze aanpak biedt een manier om de productiekosten van groene waterstof aanzienlijk te verlagen en verhoogt de economische haalbaarheid van de PEC-technologie,” zegt Abdi. “We hebben het proces zorgvuldig doordacht en de volgende stap is om in het laboratorium te testen hoe goed de gelijktijdige productie van waterstof en MSA in de praktijk werkt.”
Terugverdientijd energie
Ze hebben eerst berekend hoeveel energie er nodig is om de PEC-cel te produceren uit lichtabsorbers, katalysatormaterialen en andere materialen zoals glas, en hoe lang deze cel moet functioneren om de energie in de vorm van chemische energie zoals waterstof of MSA te maken. Voor waterstof alleen bedraagt deze “energieterugverdientijd” ongeveer 17 jaar, uitgaande van een bescheiden rendement van 5% van zonne-energie naar waterstof. Als slechts 2% van de geproduceerde waterstof wordt gebruikt om IA om te zetten in MSA, wordt de energieterugverdientijd gehalveerd. Als 30% van de waterstof wordt omgezet in MSA, kan de productie-energie na 2 jaar worden teruggewonnen. “Dit maakt het proces veel duurzamer en concurrerender,” zegt Dr. Abdi. Eén reden: de energie die nodig is om MSA te synthetiseren in een dergelijke PEC-cel is slechts een zevende van de energie die nodig is voor conventionele MSA-productieprocessen.
Geselecteerd voor jou!
Innovation Origins is het Europese platform voor innovatienieuws. Naast de vele berichten van onze eigen redactie in 15 Europese landen, selecteren wij voor jou de belangrijkste persberichten van betrouwbare bronnen. Zo blijf je op de hoogte van alles wat er gebeurt in de wereld van innovatie. Ben jij of ken jij een organisatie die niet in onze lijst met geselecteerde bronnen mag ontbreken? Meld je dan bij onze redactie.
