Nieuwe zonnepanelen produceren direct groene waterstof.
Geplaatst door Erol Aslan op
Nieuwe zonnepanelen produceren direct groene waterstof.
Na 10 jaar onderzoek en ontwikkeling, stellen onderzoekers van de Belgische universiteit KU Leuven met een speciaal zonnepaneel waterstofgas uit vocht in de lucht te kunnen maken.
Er was 10 jaar ontwikkeling voor nodig, maar inmiddels zou uit één zonnepaneel tot 250 liter waterstof per dag uit waterdamp kunnen worden geproduceerd. Volgens het onderzoeksteam van professor Johan Martens betreft het een wereldrecord. Twintig van deze waterstof producerende zonnepanelen kunnen een gezin gedurende een jaar van voldoende stroom en warmte voorzien en is waterstof een alternatief voor de cv-ketel.
Rechtstreeks waterstof maken.
Een standaard zonnepaneel zet 18 tot 20 procent van de zonne-energie om in elektrische energie. Als je vervolgens met die opgewekte energie ook nog water moet splitsen in waterstof en zuurstof, dan gaat er door omzettingsverliezen veel energie verloren. De onderzoekers zouden dat rendementsprobleem hebben opgelost met een zonnepaneel dat via een chemisch proces direct waterstof maakt. Met het Leuvense zonnepaneel (1,65 m²) zou 15 procent van het zonlicht rechtstreeks worden omgezet in waterstofgas.
Op zoek naar waterstofmoleculen.
“Het is eigenlijk een unieke combinatie van fysica en chemie. In het begin hadden we 0,1 procent opbrengst en moesten we echt zoeken naar die waterstofmoleculen,” zo vertelt professor Martens aan de redactie van VRT Nieuws, “Vandaag zie je de waterstofmoleculen in bellen naar boven komen. Dus dat is tien jaar werken, altijd maar verbeteren, de problemen zoeken. Zo kom je uiteindelijk tot iets dat effectief kan werken.”
250 liter waterstof per dag.
“Over een heel jaar genomen produceert het paneel gemiddeld 250 liter per dag” vult onderzoeker Jan Rongé aan, “Met 20 van die panelen kun je een jaar zonder elektriciteit of gas van het net leven. Als je er nog eens 20 bijdoet kun je er ook een heel jaar met een auto op waterstof rijden.” Dat rendement lijkt onwaarschijnlijk hoog, maar bij navraag bevestigt professor Martens de hoge efficiëntie van de waterstofproductie: “Het omzettingsrendement is inderdaad zeer hoog: 80 – 90 procent. Veel hoger dan commerciële elektrolysetoestellen.”
De veelbelovende technologie lijkt zich te concentreren rond een katalysator (twee kamers gescheiden door een membraan). In het midden professor Johan Martens.
Energiedichtheid van waterstof.
De energiedichtheid van waterstof bij 1 bar is ongeveer 11 kJ per liter. Dat betekent dat bij een opbrengst van gemiddeld 250 liter per dag bij atmosferische druk (normale aardse omstandigheden, red.), het waterstofzonnepaneel per jaar circa 1000 MJ (250 liter x 365 dagen x 11 kJ per liter) aan waterstof produceert. Omdat een kilowattuur gelijk is aan 3,6 MJ, komt dat overeen met 278 kWh per jaar. Bij twintig panelen kom je dan op ruim 5500 kWh.
Katalysator.
De basis van de technologie lijkt zich te concentreren rond een zogeheten katalysator (twee kamers gescheiden door een membraan). In 2017 kwam de universiteit al naar buiten met een dergelijk apparaat. “Aan de ene kant wordt lucht gezuiverd, terwijl aan de andere kant waterstofgas wordt geproduceerd uit een deel van de afbraakproducten,” zo verklaarde professor Sammy Verbruggen (UAntwerpen / KU Leuven) al in 2017, “In het verleden werden dergelijke cellen vooral gebruikt om waterstof te winnen uit water.”
Efficiënt waterstof maken.
Onderzoeker Tom Bosserez uit het team van professor Martens antwoordt op onze vragen naar de werking: “Ik kan u niet veel zeggen over de exacte werking maar ons geïntegreerd systeem zorgt ervoor dat we de waterstof produceren daar waar de zon invalt en dus minder verliezen hebben.” Het systeem zou niet snel werken, maar vooral efficiënt. “Klassieke elektrolyse werkt aan een hoog tempo, hetgeen minder efficiënt is. Bovendien gebruiken we geen edelmetalen.”
Warmtepomp en waterstof.
Bosserez vervolgt: “Onze analyse toont aan dat we met 20 panelen ongeveer 160 kg waterstof per jaar kunnen produceren. Omgezet in een brandstofcel levert dit 2400 kWh warmte en 2400 kWh elektriciteit op. Gekoppeld met een warmtepomp kun je uit een deel van de elektriciteit 4600 kWh warmte uithalen om de grootste warmtevraag in de winter in te vullen en hou je nog 1250 kWh elektriciteit over. Wij zien onze panelen natuurlijk in combinatie met klassieke zonnepanelen en zonneboilers. Elke woning is natuurlijk anders en moet steeds geval per geval gedimensioneerd worden.”
Praktijktest waterstofpanelen.
Nu de hoge verwachtingen zijn geschapen, staat er een eerste praktijktest op de planning. In de Belgische gemeente Oud-Heverlee wordt de woning van energiedeskundige Leen Peeters reeds gebruikt als een energielaboratorium, met onder meer zonnepanelen voor elektriciteit, zonnecollectoren voor warmte en vele accu’s voor energieopslag. Het goed geïsoleerde huis wordt verwarmd met een warmtepomp. Daar komen nu in de praktijkproef 20 zogeheten waterstofpanelen bij. De in de zomer geproduceerde waterstof zal worden opgeslagen en in de winter worden omgezet in elektriciteit en warmte.
Geen dure componenten.
Voor Martens en zijn team is dit proefproject een belangrijke mijlpaal: “We wilden iets duurzaams ontwerpen dat betaalbaar is en overal kan worden ingezet. We werken met goedkope grondstoffen en we hebben geen edelmetalen of andere dure componenten nodig.”
Differ en Toyota.
In Nederland is soortgelijk onderzoek gaande. Ook het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (Differ) ontwikkelt samen met autofabrikant Toyota een dergelijke ‘foto-elektrochemische cel’. De onderzoeksgroep werkt eveneens aan een methode om water te splitsen in de dampfase, die veel vaker voorkomt dan de vloeibare fase. “Werken met gas in plaats van met vloeistof heeft verschillende voordelen”, verklaart onderzoeker Mihalis Tsampas van Differ. Het doel is gelijk aan die van de Belgische collega’s: met zonnepanelen direct waterstof maken uit waterdamp. Maar de weg ernaar toe zou anders zijn.
Promovendus Georgios Zafeiropoulos met fotoelektrochemische cel in het Differ artificial leaf laboratorium – foto: Differ / Bram Lamers
Waterstof uit luchtvochtigheid.
“Het lukt in het laboratorium om uit zonlicht en luchtvochtigheid waterstof te produceren,” zo vertelt voorlichter Gieljan de Vries van Differ in berichtgeving van NOS. “Het onderzoeksproject dat nu gaat starten met subsidie van NWO, is erop gericht de apparaten ook in de buitenlucht te laten werken en de efficiëntie en levensduur te verhogen.” Voor het project is vier jaar uitgetrokken, maar de persvoorlichter verwacht over twee jaar een opstelling die buiten getest kan worden.