Hoewel in de afzonderlijke onderzoeksstations op Antarctica slechts enkele mensen wonen, moeten ook zij van energie worden voorzien. In de regel betekent dit dat ruwe olie en benzine per schip daarheen moeten worden vervoerd. Dat kost veel geld en brengt kost ook veel energie. Bovendien kunnen zelfs minieme lekken schade toebrengen aan het gevoelige ecosysteem.
Toen milieufysicus Dr. Kira Rehfeld van de Universiteit van Heidelberg deelnam aan een Antarctica-expeditie, werd zij zich bewust van dit probleem. Tegelijkertijd viel het haar op hoe intens de zon daar schijnt. Samen met collega’s zocht Rehfeld daarom naar manieren om fossiele grondstoffen te vervangen door milieu- en klimaatneutrale stoffen. Een team van het HZB-Instituut voor Zonnebrandstoffen van de Universiteit van Ulm en de Universiteit van Heidelberg heeft nu onderzocht hoe waterstof op de Zuidpool met behulp van zonlicht kan worden geproduceerd en welke methode daarvoor het meest geschikt is.
Minder efficiënt
Niet elke methode werkt namelijk bij extreem lage temperaturen. Hoewel koude over het algemeen het rendement van de meeste zonnemodules verhoogt, is de situatie bij elektrolyse heel anders. Hier kan kou de efficiëntie aanzienlijk verminderen. Een van de voordelen van waterstof is dat het enerzijds op verschillende manieren kan worden gebruikt en anderzijds zeer goed kan worden opgeslagen bij lage temperaturen.
“Ons idee was dus om tijdens de Antarctische zomer ter plaatse met zonnemodules klimaatneutrale waterstof te produceren door water via elektrolyse in waterstof en zuurstof te splitsen”, legt Dr. Matthias May uit. Hij is hoofd van de Emmy Noether onderzoeksgroep SPECSY aan de Universiteit van Ulm. Na iets meer dan twee jaar is de conclusie van de onderzoekers dat het het meest zinvol is de fotovoltaïsche modules rechtstreeks aan de elektrolyse-installatie te bevestigen. ,De afvalwarmte van de fotovoltaïsche modules verhoogt namelijk het rendement van de elektrolyse.
Om dit te testen hebben May en zijn collega Dr. Moritz Kölbach twee verschillende benaderingen vergeleken in experimenten. In de conventionele opstelling is de fotovoltaïsche module gescheiden van het elektrolysevat. In het nieuwere, thermisch gekoppelde ontwerp staat de fotovoltaïsche module in nauw contact met de wand van de elektrolysetank. Zo kan een directe warmte-uitwisseling plaatsvinden. De experimenten werden uitgevoerd in een vrieskist. Daarin had Kölbach een venster van kwartsglas aangebracht. Hierdoor konden de onderzoekers de binnenkant van de kast bestralen met een zonnesimulator en zo de omstandigheden op Antarctica simuleren.
Duidelijke voordelen
De elektrolysetank was voor de experimenten gevuld met 30 procent zwavelzuur. Deze stof, ook bekend als accuzuur, heeft een vriespunt van ongeveer -35 graden Celsius en is een goede elektrische geleider. Na het opzetten van de twee experimentele cellen, voerde Kölbach de reeks metingen uit. Het bleek dat de thermisch gekoppelde cel meer waterstof produceerde dan de thermisch ontkoppelde cel. In de cel met de thermisch gekoppelde PV-modules waren de bestraalde modules in staat hun afvalwarmte rechtstreeks aan de elektrolyseerder af te geven.
“We konden zelfs de efficiëntie verhogen door de elektrolyser thermisch te isoleren. Hierdoor steeg de temperatuur van de elektrolyt bij blootstelling van -20 tot maar liefst + 13,5 graden Celsius”, aldus de wetenschapper. Mathias May geeft echter toe dat het nog maar de vraag is of de voordelen van thermisch gekoppelde systemen ook economisch kunnen worden benut.
“Daarom willen we in de volgende fase prototypes testen onder realistische omstandigheden. Dat zal zeker spannend worden. We zijn momenteel op zoek naar partners hiervoor”, zegt hij. De resultaten van de studie, gepubliceerd in Energy & Environmental Science, bieden ook kansen voor andere extreem koude gebieden van de wereld dan Antarctica. Zo zou waterstof fossiele brandstoffen kunnen vervangen en de CO2-uitstoot elimineren in Noord-Canada, Alaska, de Himalaya, de hoge Alpen of de Andes. “Misschien zal door zonne-energie geproduceerde waterstof als eerste economisch zijn in dergelijke afgelegen regio’s van de wereld”, zegt May.
Foto: In polaire gebieden en op extreme hoogten zou de omzetting van zonlicht in waterstof wel eens rendabel kunnen zijn.. © Energy&Env.Science
Ook interessant:
Voor energie heb je straks de grote stroomproducenten niet meer nodig
Oostenrijkers bootsen proces van aardgas maken na met duurzame waterstof
