PEC-hydrolyse nog niet concurrerend
Zonlicht kan rechtstreeks uit het water in foto-elektrochemische (PEC) cellen groene waterstof produceren, zo blijkt uit onderzoek van wetenschappers van het Berlijnse HZB Institute for Solar Fuels. Eerdere systemen op basis van deze ‘directe methode’ bleken energetisch ongunstig. De nieuwe studie wijst op een drastisch ingekorte energieterugverdientijd van foto-elektrochemische groenewaterstofproductie.
Indirecte methode
Wat betreft de splitsing van water door middel van zonne-energie, op dit gebied is er de afgelopen tien jaar een flinke vooruitgang geboekt. De beste elektrolyzers, die de benodigde spanning uit PV-modules of windenergie halen, halen al een rendement tot 30%. Dit is de indirecte aanpak.
Directe methode
Verschillende teams van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) Institute for Solar Fuels werken aan een directe aanpak van de watersplitsing door zonne-energie. Zij ontwikkelen foto-elektroden die zonlicht omzetten in elektrische energie. Deze foto-elektroden bestaan uit lichtabsorbers gekoppeld aan katalysatormaterialen om de actieve component van een foto-elektrochemische cel (PEC) te vormen.
De beste PEC-cellen op basis van goedkope en stabiele metaaloxideabsorbers bereiken reeds rendementen van bijna 10%.
PEC versus PV elekotrolyzers
Hoewel PEC-cellen nog steeds minder efficiënt zijn dan door PV aangedreven elektrolyzers, hebben zij ook belangrijke voordelen: in PEC-cellen kan bijvoorbeeld de warmte van het zonlicht de reacties verder versnellen. En omdat de stroomdichtheid bij deze aanpak tien tot honderd keer lager is, kunnen overvloedige en zeer goedkope materialen als katalysator worden gebruikt.
Nog niet concurrerend
Tot dusver is uit analyses gebleken dat de PEC-aanpak nog niet concurrerend is voor grootschalige toepassing. Waterstof uit PEC-systemen kost vandaag ongeveer 10 USD/kg, ongeveer 6 keer meer dan waterstof uit fossiele methaanstoomreforming 1,5 USD/kg. Bovendien wordt de cumulatieve energiebehoefte voor PEC-watersplitsing geschat op 4-20 keer hoger dan voor waterstofproductie met windturbines en elektrolyzers.
“We wilden het anders aanpakken,” zegt Dr. Fatwa Abdi van het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen. Abdi’s groep onderzocht hoe de balans verandert wanneer een deel van de geproduceerde waterstof in dezelfde reactor verder reageert met itaconzuur (IA) tot methylsuccinezuur (MSA).
Flexibel systeem
“Het systeem is flexibel en kan ook andere waardevolle chemicaliën produceren die momenteel op de locatie nodig zijn,” legt Abdi uit.
Het voordeel is dat de vaste componenten van de PEC-eenheid, die het grootste deel van de investeringskosten vertegenwoordigen, hetzelfde blijven; alleen de hydrogeneringskatalysator en de grondstof moeten worden vervangen.
“Deze aanpak biedt een manier om de productiekosten van groene waterstof aanzienlijk te verlagen en verhoogt de economische haalbaarheid van de PEC-technologie,” zegt Abdi. “We hebben het proces zorgvuldig doordacht en de volgende stap is om in het laboratorium te testen hoe goed de gelijktijdige productie van waterstof en MSA in de praktijk werkt.”
Terugverdientijd energie
Ze berekenden eerst de benodigde hoeveelheid energie om de PEC-cel te produceren uit lichtabsorbers, katalysatormaterialen en andere materialen zoals glas, en hoe lang deze cel moet functioneren om de energie in de vorm van chemische energie zoals waterstof of MSA te maken. Voor waterstof alleen bedraagt deze 'energieterugverdientijd' ongeveer 17 jaar, uitgaande van een bescheiden rendement van 5% van zonne-energie naar waterstof.
Als slechts 2% van de geproduceerde waterstof wordt gebruikt om IA om te zetten in MSA, wordt de energieterugverdientijd gehalveerd. Als 30% van de waterstof wordt omgezet in MSA, kan de productie-energie na 2 jaar worden teruggewonnen. “Dit maakt het proces veel duurzamer en concurrerender,” zegt Dr. Abdi.
Eén reden: de energie die nodig is om MSA te synthetiseren in een dergelijke PEC-cel is slechts een zevende van de energie die nodig is voor conventionele MSA-productieprocessen.
Bron: Innovation Origins