Bron:sec.ucf.edu
Het gebruik van zonne-energie om waterstof te produceren kan worden uitgevoerd door twee processen: waterelektrolyse met behulp van door zonne-energie opgewekte elektriciteit en directe zonnewatersplitsing. Bij het beschouwen van door zonne-energie opgewekte elektriciteit heeft bijna iedereen het over PV-elektrolyse. Het proces werkt. In feite werd het voor het eerst gedemonstreerd in het Florida Solar Energy Center in 1983 met financiering door het NASA Kennedy Space Center. Hoewel technologisch haalbaar, is het nog niet economisch haalbaar. Naast de kosten is er de vraag waarom elektriciteit, een zeer efficiënte energiedrager, wordt gebruikt om waterstof, een andere energiedrager, op te wekken en dit vervolgens weer om te zetten in elektriciteit voor gebruik? Met andere woorden, elektriciteit is zo waardevol als elektriciteit, onze meest gewilde energiedrager, dat we het misschien voor niets anders willen gebruiken. Dit geldt met name als elektriciteit wordt gemaakt van fotovoltaïsche cellen. PV als energiebron komt overeen met de piekbelasting van de airconditioning van de nationale's nutsbedrijven. Het is veel beter om PV-elektriciteit als elektriciteit te gebruiken, omdat het te verspillend is om het anders te gebruiken.
Wanneer is het zinvol om waterstof te maken uit door zonne-energie opgewekte elektriciteit? Het antwoord is dat we waterstof willen maken wanneer elektriciteit niet kan worden gebruikt - daluren in afgelegen gebieden en tijdens seizoensschommelingen. Waterstof uit wind, waterkracht, geothermie of enige andere vorm van door zonne-energie opgewekte elektriciteit is waardevol wanneer de hulpbron niet overeenkomt met het belastingsprofiel van het elektriciteitsnet.
Als zonne-elektriciteit via PV-elektrolyse-brandstofcel geen zin heeft, hoe zit het dan met PV-elektrolytische waterstof? In feite gaat het grootste deel van de discussie over PV-elektrolyse over waterstofproductie voor gebruik als autobrandstof. Nogmaals, dit scenario lijkt niet haalbaar. Beschouw het geval van een waterstoftankstation dat 1.000 gallons benzine per dag afgeeft, ongeveer de helft van het nationale gemiddelde. Merk op dat één gallon benzine ongeveer dezelfde hoeveelheid energie bevat als in één kilogram (kg) waterstof. Zo zal een tankstation ongeveer 1.000 kg waterstof per dag nodig hebben. Met de lagere stookwaarde van waterstof is de elektrische energie die nodig is om één kg waterstof op te wekken 51 kWh (bij een elektrolyserendement van 65%). Dit betekent dat voor 1.000 kg waterstof per dag 51.000 kWh per dag elektriciteit nodig is. De hoeveelheid PV die nodig is om 51.000 kWh te leveren kan worden geschat door de kWh te delen door 5 uur/dag. Er is dus 10.200 kWp of 10,2 megawatt aan PV-vermogen nodig om een waterstoftankstation van 1000 kg/dag te laten draaien. Houd er rekening mee dat 1 kWp ongeveer 10 vierkante meter oppervlak nodig heeft voor PV met een rendement van 10%.
De tweede categorie, directe zonnewatersplitsing, verwijst naar elk proces waarbij de zonne-energie direct wordt gebruikt om waterstof uit water te produceren zonder de tussenliggende elektrolysestap te doorlopen. Voorbeelden zijn:
foto-elektrochemische watersplitsing - deze techniek maakt gebruik van halfgeleidende elektroden in een foto-elektrochemische cel om lichtenergie om te zetten in chemische energie van waterstof. Er zijn in wezen twee soorten foto-elektrochemische systemen: een die halfgeleiders of kleurstoffen gebruikt en een andere die opgeloste metaalcomplexen gebruikt.
fotobiologisch - deze omvatten de opwekking van waterstof uit biologische systemen met behulp van zonlicht. Bepaalde algen en bacteriën kunnen onder geschikte omstandigheden waterstof produceren. Pigmenten in algen absorberen zonne-energie en enzymen in de cel fungeren als katalysatoren om water te splitsen in waterstof- en zuurstofbestanddelen.
thermochemische cycli op hoge temperatuur - deze cycli maken gebruik van zonnewarmte om waterstof te produceren door watersplitsing met behulp van thermochemische stappen.
biomassavergassing – hierbij wordt warmte gebruikt om biomassa om te zetten in een synthetisch gas dat rijk is aan waterstof.
De foto-elektrochemische en fotobiologische processen zijn die welke moeten worden ontwikkeld om aan de energiebehoefte op lange termijn te voldoen. Tegenwoordig zijn de systemen van' minder dan 1 procent efficiënt (van zonne-energie naar waterstof) en moeten ze veel hogere efficiëntie bereiken om zuinig te zijn. Ook zijn er geen grootschalige installaties van beide technologieën.
De thermochemische cycli bij hoge temperaturen kunnen uitstekende efficiënties bereiken (meer dan 40 procent), maar ze moeten geconcentreerde zonne-ontvangers/reactoren gebruiken die temperaturen van meer dan 800º C kunnen bereiken. Er is een grote verscheidenheid aan thermochemische cycli die zijn bestudeerd. (Zie Productie van waterstof door thermochemische watersplitsingscycli op zonne-energie).
Bij biomassavergassing wordt warmte gebruikt om biomassa (hout, grassen of landbouwafval) om te zetten in een synthetisch gas. De samenstelling van de gassen hangt af van het type grondstof, de aanwezigheid van zuurstof, de temperatuur van de reactie en andere parameters. Biomassavergassers zijn ontwikkeld als reactoren met een vast bed, een gefluïdiseerd bed en een meegesleept bed.