Nieuwe elektrolyser wekt zelf zonne-energie op voor groene waterstof

Een nieuwe elektrolyser is in staat met behulp van zonne-energie die het apparaat zelf opwekt groene waterstof te produceren. Het gaat om een volledig losstaande unit, waarin alle benodigde componenten zijn geïntegreerd.

De elektrolyser is ontwikkeld door het Fraunhofer Institute als onderdeel van het Neo-PEC-onderzoeksproject. Het Duitse organisatie voor toegepast wetenschappelijk onderzoek ziet een belangrijke rol weggelegd voor waterstof in het terugdringen van onze klimaatimpact. “Een brandstof die verbrand zonder CO2 af te geven, moet indien mogelijk zonder enige CO2-voetafdruk worden geproduceerd”, stelt het Fraunhofer Institute.

Groene waterstof

Concreet doelt het instituut daarbij op groene waterstof. Een elektrolyser zet water met behulp van elektriciteit om in waterstof en zuurstof. Indien hierbij gebruik wordt gemaakt van duurzame energiebronnen voor elektriciteit is sprake van groene waterstof. Gaat het om niet duurzame energiebronnen? Dan noemen we dit grijze waterstof.

Al langer is het mogelijk groene waterstof op te wekken. De elektrolysers die hiervoor nodig zijn zijn in de praktijk echter omvangrijk, complex, kostbaar en onderhoudsintensief. Daarnaast zijn de apparaten in de praktijk moeilijk leverbaar, onder meer door de grote vraag naar duurzame energiebronnen.

Foto-elektrochemische cellen

Het Fraunhofer Institute zet foto-elektrochemische cellen (photoelectrochemical cell / PEC) genoemd. Dit is een zonnecel die door foto-elektrochemie licht omzet in elektrische energie. Binnen het Neo-PEC-onderzoeksproject werken onderzoekers van drie Fraunhofer Instituten samen aan een modulaire oplossing op dit gebied: Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems (IKTS), Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films (IST) en Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics (CSP).

Een concrete ontwikkeling van het team is de zogeheten tandem-PEC-module. Deze is op veel vlakken vergelijkbaar met een traditionele PEC-module. Kenmerkend is echter dat zowel de productie van zonne-energie als het elektrolyseproces in dezelfde unit plaatsvindt. Dit in tegenstelling tot traditionele PEC’s, waarbij de opwekking van zonne-energie en het elektrolyse-proces op andere plekken plaatsvinden.

“Het volledige proces vindt plaats in een en dezelfde unit. Voorzichtigheid is daarbij geboden: aangezien het proces resulteert in waterstof en zuurstof moet de structuur zijn ontworpen om een strikte scheiding te behouden tussen de twee elementen gedurende generatie en daarna”, melden de onderzoekers.

Glasplaat met geleidende materiaal aan beide zijden

De tandemcel is voorzien van een glasplaat die aan beide kanten is voorzien van geleidende materialen. Indien het zonlicht het glas raakt, absorbeert een kant van de module de korte golf-straling. De lange golf-straling gaat juist door dit glas, en wordt door de coating aan de andere zijde geabsorbeerd. De module geeft waterstof vervolgens af op de ene zijde (die als kathode fungeert) en zuurstof aan de andere zijde (die als anode fungeert).

De onderzoekers zijn erin geslaagd een zeer puur geleidend materiaal te ontwikkelen, wat helpt de opbrengst van het elektrolyseproces te vergroten. “We gebruiken de dampfase voor het vormen van lagen van slechts nanometers dik op het glas. De structuren die we in het proces creëren hebben een enorme impact op de reactoractiviteiten naast de daadwerkelijke materiaaleigenschappen, die we eveneens hebben geoptimaliseerd”, licht Dr. Arno Görne, groepsmanager Functionele Materialen voor Hybride Systemen bij het Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, toe.

Goed voor bereik van 20.000 kilometer per jaar

Het resultaat is een reactor met een actief oppervlak van een halve vierkante meter. Geproduceerde waterstof kan direct worden opgevangen en gekwantificeerd. Op dit moment kan één enkele module die onder Europese omstandigheden wordt blootgesteld aan zonlicht ruim 30 kilogram waterstof per jaar genereren op een oppervlak van 100 vierkante meter. Met deze opbrengst kan een waterstofauto bijvoorbeeld 15.000 tot 20.000 kilometer afleggen, melden de onderzoekers.

“Wat betreft de afmetingen van de tandemcel worden we beperkt door het feit dat onze module het water direct splitst, maar daarvoor is het ook nodig dat elektriciteit van de ene naar de andere kant gaat. Naarmate het moduleoppervlak groter wordt, heeft de stijgende weerstand een ongunstig effect op het systeem. Zoals de zaken er nu voor staan, is het bestaande format optimaal gebleken. Het is stabiel, robuust en aanzienlijk groter dan welke vergelijkbare oplossing dan ook”, stelt Görne. De compacte elementen kunnen naar behoefte zonder negatieve bijwerkingen worden aangesloten, van een enkele module tot grote oppervlakken. Dit noemen de onderzoekers een belangrijk voordeel van hun oplossing.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Beeld: PublicDomainPictures via Pixabay