Zonnepaneel splitst water om waterstof te produceren

- Jan 11, 2021-

Bron: spectrum.ieee.org


Solar Panel Splits Water To Produce Hydrogen


Zonnepanelen vermenigvuldigen zich op daken en in tuinen wereldwijd als gemeenschappen schreeuwen om hernieuwbare elektriciteit. Maar ingenieurs in België zeggen dat de panelen meer kunnen doen dan de lichten aan houden – ze kunnen ook waterstofgas ter plaatse produceren, waardoor gezinnen hun huizen kunnen verwarmen zonder hun CO2-voetafdruk uit te breiden.


Een team bijKatholieke Universiteit Leuven, of KU Leuven,zegt dat het zich heeft ontwikkeldeen zonnepaneel dat zonlicht direct omzet in waterstof met behulp van vocht in de lucht. Het prototype neemt de waterdamp en splitst het in waterstof- en zuurstofmoleculen. Als het succesvol schaalt, kan de technologie helpen een grote uitdaging aan te pakken waarmee de waterstofeconomie wordt geconfronteerd.


Waterstof, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen, produceert geen uitstoot van broeikasgassen of luchtvervuiling bij gebruik in brandstofcel-aangedreven voertuigen of gebouwen. Toch wordt bijna alle waterstof die vandaag wordt geproduceerd gemaakt met behulp van eenindustrieel procesdat gaat om aardgas, en dit pompt uiteindelijk meer uitstoot in de atmosfeer.


Een klein maar groeiend aantal faciliteiten produceren "groene" waterstof met behulp van elektrolyse, die watermoleculen splitst met behulp van elektriciteit- idealiter uit hernieuwbare bronnen zoals wind en zonne-energie. Andere onderzoekers, waaronder het team in België, ontwikkelen zogenaamde directe zonnewatersplijtende technologieën. Deze gebruiken chemische en biologische componenten om water direct op het zonnepaneel te splitsen, afzien van de noodzaak van grote, dure elektrolyseplanten.


"Het vinden van een manier om waterstof te maken in een of andere eenvoudigere of efficiëntere manier is misschien een Heilige Graal zoektocht," zegtJim Fenton, die de leiding geeft aan deFlorida Solar Energy Centeraan de Universiteit van Centraal Florida.


KU Leuvenligt op een grascampus in Vlaanderen, de Nederlandstalige noordelijke regio van België. Eerder deze maand, professorJohan Martensen zijn team bij deCentrum voor oppervlaktechemie en katalyseaangekondigd hun prototype kon produceren 250 liter waterstof per dag gemiddeld over een volledig jaar, die zij beweren is een wereldrecord. Een gezin dat in een goed geïsoleerd Belgisch huis woont, kan ongeveer 20 van deze panelen gebruiken om gedurende een heel jaar aan hun stroom- en verwarmingsbehoeften te voldoen, voorspellen ze.


Het zonnepaneel meet 1,65 meter lang- ongeveer de hoogte van een keuken koelkast, of deze verslaggever-en heeft een nominaal vermogen van ongeveer 210 watt. Het systeem kan 15 procent van de zonne-energie die het ontvangt omzetten in waterstof, aldus het team. Dat is een aanzienlijke sprong van 0,1 procent efficiëntie die ze 10 jaar geleden voor het eerst bereikten. (Afzonderlijk, internationale onderzoekers vorig jaarzei dat ze bereikt19 procent efficiëntie in de productie van waterstof uit directe zonne-water splitsing.)


Martens's lab was echter strak gesneupel over zijn technologie.Tom Bosserez, een postdoctorale onderzoeker, weigerde om alle bijzonderheden bekend te maken, onder vermelding van bezorgdheid over intellectuele eigendom. Hij zegt alleen dat het lab is gespecialiseerd in "katalysatoren, membranen en adsorberen."


"Met behulp van onze expertise op dit gebied, waren we in staat om een systeem dat is zeer efficiënt in het nemen van water uit de lucht en splitsen in waterstof met behulp van zonne-energie te ontwikkelen," Bosserez schreef in een e-mail. Gevraagd naar enkele van de technische uitdagingen waarmee ze werden geconfronteerd tijdens een decennium van ontwikkeling, zegt hij: "Het moeilijkste deel is het krijgen van het water uit de lucht."


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,silicium zonnecellenmet "micrometer-schaal porieafmetingen";dunne-film katalysatorengemaakt van mangaan (III) oxide; en een poly (vinyl alcohol)anionuitwisselingsmembraanmet een kaliumhydroxideoplossing en katalysatoren op basis van nikkel.


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 vrijwel overal kan worden gebruikt,"hij vertelde VRT, een publieke omroep in België.


Onderzoekers zijn van plan om hun prototype te testen in een huis in de landelijke stad Oud-Heverlee. Waterstof zou worden opgeslagen in een klein, ondergronds drukvat tijdens de zomermaanden, dan gepompt door het huis tijdens de winter. Als alles volgens plan verloopt, zegt Martens dat het team 20 panelen in het huis kan plaatsen, of een groter buurtsysteem kan bouwen om andere gezinnen de "groene" waterstof te laten gebruiken.


Fenton, van de Florida Solar Energy Center, zegt dat het veel te vroeg om te bepalen of en wanneer waterstof-producerende zonnepanelen economisch levensvatbaar zou kunnen worden. De technologie is nog in de zeer vroege ontwikkelingsfase, en- met name in de Verenigde Staten- bestaande verwarmingsbrandstoffen zoals aardgas zijn relatief goedkoop. Echter, als landen werken aan de klimaatverandering aan te pakken, en als meer gemeenschappen installeren lokale hernieuwbare energie-infrastructuur zoals zonne-energie op het dak, ziet hij een potentiële rol voor deze waterstofsystemen.


"Als de toepassing werkt, kan het zich heel mooi lenen voor het genereren van waterstof die ik kon opslaan en gebruiken voor de verwarming van mijn huis, voor het koken, misschien draaien in mijn brandstofcel auto," zegt Fenton. "Het zijn dit futuristische kansen. Maar het is nog steeds iets waar we ons op moeten voorbereiden."