Bron: spectrum.ieee.org
Zonnepanelen vermenigvuldigen zich op daken en in tuinen over de hele wereld terwijl gemeenschappen schreeuwen om hernieuwbare elektriciteit. Maar ingenieurs in België zeggen dat de panelen meer zouden kunnen doen dan de lichten aanhouden - ze zouden ook ter plaatse waterstofgas kunnen produceren, waardoor gezinnen hun huizen kunnen verwarmen zonder hun ecologische voetafdruk te vergroten.
Een team bijKatholieke Universiteit Leuven, of KU Leuven,zegt dat het zich heeft ontwikkeldeen zonnepaneel dat met vocht uit de lucht zonlicht direct omzet in waterstof. Het prototype neemt de waterdamp en splitst deze in waterstof- en zuurstofmoleculen. Als het succesvol opschaalt, kan de technologie helpen bij het aanpakken van een grote uitdaging voor de waterstofeconomie.
Waterstof produceert, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen, geen uitstoot van broeikasgassen of luchtvervuiling wanneer het wordt gebruikt in voertuigen of gebouwen die op brandstofcellen werken. Toch wordt bijna alle waterstof die tegenwoordig wordt geproduceerd, gemaakt met behulp van eenindustrieel proceswaarbij aardgas betrokken is, en dit pompt uiteindelijk meer uitstoot in de atmosfeer.
Een klein maar groeiend aantal faciliteiten produceert "groene" waterstof met behulp van elektrolyse, die watermoleculen splitst met behulp van elektriciteit - idealiter uit hernieuwbare bronnen zoals wind en zon. Andere onderzoekers, waaronder het team in België, ontwikkelen zogenaamde directe zonne-watersplitsingstechnologieën. Deze gebruiken chemische en biologische componenten om water direct op het zonnepaneel te splitsen, waardoor er geen grote, dure elektrolyse-installaties nodig zijn.
"Het vinden van een manier om waterstof op een eenvoudigere of efficiëntere manier te maken, is misschien een zoektocht naar de Heilige Graal", zegtJim Fenton, die de leiding geeftZonne-energiecentrum in Floridaaan de Universiteit van Centraal-Florida.
KU Leuvenzit op een met gras begroeide campus in Vlaanderen, de Nederlandstalige noordelijke regio van België. Eerder deze maand, professorJohan Martensen zijn team bij deCentrum voor oppervlaktechemie en katalysekondigden aan dat hun prototype over een heel jaar gemiddeld 250 liter waterstof per dag zou kunnen produceren, wat volgens hen een wereldrecord is. Een gezin dat in een goed geïsoleerd Belgisch huis woont, zou een jaar lang ongeveer 20 van deze panelen kunnen gebruiken om in hun stroom- en verwarmingsbehoeften te voorzien, voorspellen ze.
Het zonnepaneel is 1,65 meter lang - ongeveer de hoogte van een keukenkoelkast, of deze reporter - en heeft een nominaal vermogen van ongeveer 210 watt. Het systeem kan 15 procent van de ontvangen zonne-energie omzetten in waterstof, zegt het team. Dat is een aanzienlijke sprong ten opzichte van de efficiëntie van 0,1 procent die ze 10 jaar geleden voor het eerst bereikten. (Apart, internationale onderzoekers vorig jaar)zei dat ze het hadden bereikt19 procent efficiëntie bij het produceren van waterstof uit directe zonne-watersplitsing.)
Martens' lab hield de lippen stijf op elkaar over de technologie ervan.Tom Bosserez, een postdoctoraal onderzoeker, weigerde details bekend te maken, daarbij verwijzend naar bezorgdheid over intellectueel eigendom. Hij zegt alleen dat het laboratorium gespecialiseerd is in 'katalysatoren, membranen en adsorbentia'.
"Met onze expertise op dit gebied hebben we een systeem kunnen ontwikkelen dat zeer efficiënt water uit de lucht haalt en met behulp van zonne-energie opsplitst in waterstof", schrijft Bosserez in een e-mail. Gevraagd naar enkele van de technische uitdagingen waarmee ze werden geconfronteerd tijdens een decennium van ontwikkeling, zegt hij: "Het moeilijkste is om het water uit de lucht te krijgen."
Academische papers bieden verspreide aanwijzingen over de technologie, hoewel Bosserez zegt dat hun onderzoek "verder gaat dan wat we publiceren". In de afgelopen jaren hebben de ingenieurs de werkzaamheid van een verscheidenheid aan materialen bestudeerd, waaronder poreuze, multi-junctionsilicium zonnecellenmet "porie-afmetingen op micrometerschaal";dunnefilmkatalysatorengemaakt van mangaan (III) oxide; en een poly (vinylalcohol)anionenuitwisselingsmembraanmet een kaliumhydroxide-oplossing en op nikkel gebaseerde katalysatoren.
Martens zegt over het algemeen dat zijn team "goedkope grondstoffen" gebruikt in plaats van edele metalen en andere dure componenten. "We wilden iets duurzaams ontwerpen dat betaalbaar is en praktisch overal kan worden gebruikt",hij vertelde VRT, een openbare omroep in België.
Onderzoekers zijn van plan hun prototype in de praktijk te testen in een huis in het landelijke Oud-Heverlee. Waterstof zou tijdens de zomermaanden worden opgeslagen in een klein, ondergronds drukvat en in de winter door het hele huis worden gepompt. Als alles volgens plan verloopt, zegt Martens dat het team 20 panelen bij het huis kan installeren, of een groter buurtsysteem kan bouwen zodat andere gezinnen de "groene" waterstof kunnen gebruiken.
Fenton van het Florida Solar Energy Center zegt dat het veel te vroeg is om te bepalen of en wanneer waterstofproducerende zonnepanelen economisch levensvatbaar kunnen worden. De technologie bevindt zich nog in een zeer pril ontwikkelingsstadium en - vooral in de Verenigde Staten - zijn bestaande verwarmingsbrandstoffen zoals aardgas relatief goedkoop. Naarmate landen echter werken aan de aanpak van klimaatverandering en naarmate meer gemeenschappen lokale infrastructuur voor hernieuwbare energie installeren, zoals zonne-energie op het dak, ziet hij een potentiële rol voor deze waterstofsystemen.
"Als de toepassing werkt, kan het zich heel goed lenen voor het genereren van waterstof die ik kan opslaan en gebruiken voor de verwarming van mijn huis, om te koken, misschien om het in mijn brandstofcelauto te laten werken", zegt Fenton. “Het zijn dit soort futuristische kansen. Maar het is nog steeds iets waar we ons op moeten voorbereiden."