Gas uit licht en water

SolarFuelCell_2362

De overheid is op zoek naar technieken om nieuwe brandstof te maken uit CO2, licht en water. Vijf miljoen euro kwam daarvoor eind vorig jaar beschikbaar van FOM, NWO en Shell. De TU deed een van de zeven ­gehonoreerde voorstellen.

Meer aardbevingen in Groningen en een Kamermeerderheid die de gaswinning daar wil verminderen. Het tekent het eind van een tijdperk waarin aardgas een vanzelfsprekende bron van energie en staats-inkomsten was. Ondertussen beschikt Nederland over een unieke infrastructuur aan gasleidingen. Zonde om die niet te gebruiken. Gas importeren uit Rusland is even onvermijdelijk als onverstandig. Zijn er op termijn wel alternatieven? Het onderzoeksprogramma ‘CO2-neutrale brandstoffen’, dat NWO, FOM en Shell vorig voorjaar lanceerden, stelt vijf miljoen euro ter beschikking voor de schone productie van CO2-neutrale brandstoffen uit water en kooldioxide. In een vrolijk filmpje is te zien wat de bedoeling is: elektriciteit uit zonnepanelen voedt een fabriek waarin water en kooldioxide (CO2) omgevormd worden tot methaan (CH4). Het gas stroomt door leidingen tot aan de verste uithoeken van ons land. Bij verbranding van het zonnegas komt kooldioxide en water vrij waarmee de kring weer rond is. Zo kunnen we nog lang en gelukkig leven.

Ook vanuit het groeiende aandeel zonne-energie is het verstandig om over opslag na te denken, vindt dr.ir. Arno Smets (EWI). Dat is nu met één procent nog klein, maar wat doe je met al die zonnestroom als het tien tot twintig procent wordt? “Opslag wordt de bottleneck”, denkt Smets. “We moeten stroom kunnen dumpen via een chemische omzetting.” Dat kan bijvoorbeeld door waterstof op te wekken met elektrolyse (elektrische splitsing van H2O in H2 en O2) en die met CO2 om te vormen tot methaan (CH4). Anders dan waterstof is methaan wel goed op te slaan, desnoods in de dan lege Groninger gasvelden.

Een filmpje* over het onderzoek van Lihao Han (EWI) en Fatwa Abdi (TNW) naar een waterstof producerende zonnecel toont een glimp van de toekomst: we zien een eenvoudig vierkant plexiglas bakje. Het bakje staat los – er zijn geen draden aan bevestigd. Dan floept een spot aan op de cel. De camera zoomt in en vanaf een roostertje in het midden van de cel borrelen kleine belletjes omhoog: waterstof uit licht.

De onderzoekers scoorden er in juli een publicatie in Nature Communications1 mee omdat niemand eerder een rendement van vijf procent had weten te behalen met zo’n geïntegreerde unit bestaande uit goedkope materialen. Dat is twee keer meer dan de natuur doet; planten leggen hooguit twee tot drie procent van de ingevangen zonne-energie vast als biomassa.

Abdi denkt dat uiteindelijk een rendement van tien procent haalbaar is: “We zitten nu al op de helft. En als we zoveel rendement halen met grootschalige installaties kunnen we de fossiele brandstoffen achter ons laten.” Dan bedekken we onze daken met combicellen die waterstof opwekken waarmee we onze waterstofauto bijtanken. Gratis en zonder accijns.

Appel
Met het geld van FOM en anderen (750 duizend euro) gaan twee nieuwe promovendi aan het werk met een herzien model waarvan de onderzoekers hoge verwachtingen hebben. In de aanvraag naar NWO/FOM stellen ze zelfs een totaalrendement (solar to hydrogen) van vijftien procent in het vooruitzicht.

“Nu we weten hoe de cel werkt, weten we ook waar de knelpunten zitten”, legt Abdi’s promotor chemicus prof.dr. Bernard Dam uit. Hij denkt aan de verbetering van de ladingscheiding (voorkomen dat elektron-gat paren verloren gaan doordat het elektron terugvalt), verbetering van de absorptie van het licht en optimalisatie van de mobiliteit van de ladingsdragers (zodat er meer op de elektroden aankomen).

Aanvragers Arno Smets en dr. Wilson Smith (uit de groep van Dam) komen in hun aanvraag Appel2 met een heel andere opzet dan Abdi en Han. In feite keren ze het hele ontwerp om: waterstof ontstaat bij hun ontwerp aan een halfgeleidende fotokathode voorzien van een katalytische laag.

De komende jaren zullen de twee promovendi het nieuwe ontwerp verder uitwerken. Hoe, bijvoorbeeld, bescherm je de halfgeleider tegen corrosie door het water? Het idee is een ‘passivatielaag’ te ontwikkelen die halfgeleider en water scheidt, maar wel elektronen doorlaat waarmee aan de kathode waterstof ontstaat.

Lange adem
Verder moeten er nieuwe katalysatoren ontwikkeld worden die zuurstof genereren, ter vervanging van het gebruikelijke platina. Ideaal zou zijn als de anode daarbij ook nog een deel van het licht zou absorberen. Hiertoe moet het gelige bismutvanadaat aan de oppervlakte van de cel vervangen door een ander, donkerder oxide dat een groter deel van het spectrum absorbeert. De hoop is dat daarmee een grotere stroom op gang komt die moet uitmonden in een hogere waterstofproductie. Kritisch is natuurlijk wel of de achterliggende zonnecellen met minder licht evenveel of meer stroom kunnen opwekken.

“Het is onderzoek met lange adem”, weet Dam. Daarom zou Dam graag een meer structurele ondersteuning van het onderzoek zien. “Productie van waterstof uit zonlicht is essentieel voor een duurzame samenleving”, zegt Dam die graag zou zien dat financiering van toegepast onderzoek zich meer op nieuwe industrieën zou richten dan op de bestaande.
Lees het uitgebreidere artikel op

delta.tudelft.nl/27734

1 Fatwa F. Abdi, Lihao Han, Arno H. M. Smets, Miro Zeman, Bernard Dam & Roel van de Krol, Efficient solar water splitting by enhanced charge separation in a bismuth vanadate-silicon tandem photoelectrode, Nature, 29 July 2013.
2 Earth Abundant Materials based Monolithic Photovoltaic-Photo Electrochemical Device toward 15% Solar-to-Hydrogen Conversion Efficiencies – Acroniem:
APPEL
3 www.fom.nl/co2

Blijf op de hoogte van het onderzoek

Ontvang de Delft Integraal nieuwsbrief 4 keer per jaar