Compacte energiecentrales voor groene waterstof

Individueel module van een zelfstandige tandem PEC-reactor. © Fraunhofer IKTS / Individueel module van een standalone tandem PEC-reactor. © Fraunhofer IKTS

Waterstof dat door de kracht van de zon wordt opgewekt, zou in de toekomst op grote schaal fossiele energiebronnen kunnen vervangen en bijdragen aan de vermindering van CO2-uitstoot. In het samenwerkingsproject Neo-PEC hebben experts van Fraunhofer een tandem-module ontwikkeld die autonoom en veilig groene waterstof produceert die door zonne-energie wordt opgewekt.

Voor de klimaatvriendelijke herinrichting van industriële processen is waterstof een centraal uitgangspunt. Een energiedrager die zonder CO2-uitstoot verbrandt, zou idealiter ook zonder CO2-voetafdruk moeten worden geproduceerd. Een klassiek procédé hiervoor is elektrolyse, waarbij water met behulp van elektriciteit wordt gesplitst in waterstof en zuurstof. Als de benodigde elektriciteit voor elektrolyse afkomstig is uit hernieuwbare bronnen zoals zonne-energie, ontstaat groene waterstof. Het nadeel: de elektrolyseapparaten die voor dit proces nodig zijn, zijn meestal grote en zeer complexe installaties. Bovendien zijn de kosten- en onderhoudsintensieve apparaten, vooral onder de huidige mondiale en klimaatpolitieke omstandigheden, schaars.

Zonne-energie voor waterstofproductie

Een spannende alternatieve methode is directe zonne-energie-opwekking van water, in het Engels photoelectrochemical cell (PEC). In het samenwerkingsproject Neo-PEC hebben onderzoekers van drie Fraunhofer-instituten hiervoor een modulaire oplossing ontwikkeld die een zeer flexibele waterstofproductie en -voorziening met zonne-energie mogelijk maakt.

Het kernstuk van de Fraunhofer-ontwikkeling is een tandem-PEC-module. Deze lijkt op zijn klassieke fotovoltaïsche tegenhanger – met één belangrijk verschil: de stroom wordt niet opgewekt om later elders te elektrolyseren. Het hele proces vindt plaats in één en dezelfde eenheid. Hierbij is voorzichtigheid geboden: omdat in het proces waterstof en zuurstof ontstaan, moet de opbouw zodanig worden ontworpen dat deze elementen strikt gescheiden worden geproduceerd en blijven.

Voor de tandemcel bedekken de specialisten standaard float- of vlakglas aan beide zijden met halfgeleidend materiaal. Bij blootstelling aan zonlicht absorbeert één zijde van het module het kortgolvige licht. Tegelijkertijd dringt het langgolvige licht door de bovenste glaslaag en wordt op de omgekeerde zijde opgenomen. Daarbij produceert het module op de onder- of kathodenzijde waterstof en op de bovenste, de anodenzijde, zuurstof vrij.

De wetenschappers van Fraunhofer hebben gedurende de drie jaar durende looptijd van het project hoogzuivere halfgeleidermaterialen onderzocht en ontwikkeld, die zij met bijzonder milde coatings aanbrengen. Hierdoor kunnen ze de waterstofopbrengst van het proces verhogen.

„Via de gasfase bouwen we nanometer-dikke lagen op het glas. De structuren die daarbij ontstaan, hebben een grote invloed op de reactoractiviteit, naast de eigen materiaaleigenschappen die we eveneens hebben geoptimaliseerd,“ legt Dr. Arno Görne uit, groepsleider voor functionele materialen voor hybride microsystemen aan het Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. De in het module geïntegreerde fotovoltaïsche elementen voorzien het systeem van extra spanning: ze werken als een turbo die de activiteit versnelt en het rendement verder verhoogt.

Vierkant, praktisch – veilig

Het resultaat is een reactor met een actieve oppervlakte van een halve vierkante meter. Deze produceert waterstof die direct kan worden opgevangen en gekwantificeerd, los van de zuurstof. Momenteel levert een enkel module bij Europese zonnestraling een vermogen van meer dan 30 kilogram waterstof per jaar per 100 vierkante meter. Met deze opbrengst zou bijvoorbeeld een waterstofauto 15 tot 20.000 kilometer kunnen afleggen.

„De afmetingen van de tandemcel zijn zo bepaald dat ons module het water direct splitst, maar dat er ook stroom van de ene naar de andere zijde moet kunnen gaan. Naarmate de module groter wordt, werken de toenemende weerstanden nadelig voor het systeem. Op dit moment is dit formaat optimaal gebleken. Het is stabiel, robuust en aanzienlijk groter dan alle vergelijkbare oplossingen,“ benadrukt Görne. De compacte elementen kunnen zonder negatieve neveneffecten naar behoefte worden gekoppeld, van één enkel module tot grote gebieden – een groot voordeel van de Fraunhofer-oplossing.

Competenties koppelen

Het project is ook een geslaagd voorbeeld van interinstituut samenwerking en het combineren van complementaire Fraunhofer-competenties: binnen het nu afgeronde project onderzocht het Fraunhofer IKTS materialen en procestechnieken voor de fotochemische laag. De collega’s van het Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST brachten hun ervaring in oppervlaktecoating via fysische gasfase-depositie in. Het ontwerp van de reactor, de kosteneffectieve en betrouwbare productie en de daaropvolgende evaluatie van de modules lag in handen van experts van het Fraunhofer-Centrum für Silizium-Photovoltaik CSP.

Dat de module en de schakeling stabiel en probleemloos functioneren, hebben de projectpartners al bewezen in talrijke veldproeven. Maar de Fraunhofer-teams, die hun reactor in juni voor het eerst succesvol presenteerden op de beurs Achema 2024 in Frankfurt, plannen al de volgende stappen: enerzijds willen ze hun succesvolle samenwerking in een vervolgproject voortzetten, anderzijds willen ze hun oplossing verder ontwikkelen in samenwerking met bedrijven – gericht op een directe, veilige en efficiënte decentrale waterstofproductie en -voorziening.