Japanse onderzoekers hebben een belangrijke stap gezet richting een toekomst waarin waterstof rechtstreeks wordt gewonnen uit water met behulp van zonlicht. Een proefreactor toont aan dat grootschalige productie haalbaar is, maar er zijn nog veel uitdagingen te overwinnen.
Waterstof, vaak geprezen als een veelbelovende energiedrager, wordt momenteel vooral geproduceerd uit aardgas. Dit proces draagt echter bij aan de uitstoot van broeikasgassen en vermindert onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen nauwelijks. Onderzoekers van de Japanse Shinshu University menen een oplossing te hebben bedacht. Zij hebben een reactor ontwikkeld die waterstof rechtstreeks uit water kan halen door zonlicht te gebruiken. Bij dit proces, bekend als zonlichtgedreven watersplitsing, wordt het zonlicht niet eerst omgezet in elektriciteit, wat het veel efficiënter maakt. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het vakblad Frontiers in Science.
Hoe werkt zonlichtgedreven watersplitsing?
Om water te splitsen in waterstof en zuurstof zijn zogenoemde fotokatalysatoren nodig. Deze materialen bevorderen chemische reacties onder invloed van licht. Het eenvoudigste systeem, bekend als éénstaps-excitatie, gebruikt één type fotokatalysator om water te splitsen. Dit proces werkt en is zeer eenvoudig, maar het is erg inefficiënt. Tweestaps-excitatie, waarbij twee verschillende fotokatalysatoren samenwerken om waterstof en zuurstof afzonderlijk te produceren, is veel efficiënter.
Uitdagingen en oplossingen
Hoewel tweestaps-excitatie efficiënter is, zijn de huidige systemen nog niet klaar voor grootschalige toepassing. De materialen moeten tegen een stootje kunnen om dagelijkse opstart- en stopcycli te doorstaan, en de conversie-efficiëntie (de hoeveelheid energie die wordt omgezet in bruikbare brandstof) moet worden verhoogd om de reactor economisch rendabel te maken. Daarnaast vormt de productie van het bijproduct oxywaterstof, een mengsel van zuurstof en waterstof dat zeer explosief is, een veiligheidsrisico. Het onderzoeksteam heeft echter ontdekt dat dit risico kan worden beheerst door nauwkeurige ontwerpcriteria toe te passen en veilige materialen, zoals zacht PVC-plastic, te gebruiken.Proof-of-concept toont potentie
De Japanse onderzoekers hebben een reactor van 100 vierkante meter gedurende een periode van drie jaar getest. De prestaties overtroffen alle verwachtingen en waren zelfs beter dan experimenten in het laboratorium. Onder natuurlijke zonnestraling was de hoeveelheid zonlicht die werd omgezet in chemische energie ongeveer anderhalf keer hoger dan onder gesimuleerd zonlicht. Toch is de huidige maximale efficiëntie slechts 1 procent. Er is dus nog werk aan de winkel. Om de techniek rendabel te maken, zeggen de wetenschappers dat de efficiëntie minstens 5 procent moet bedragen.Om die magische grens te bereiken, willen de onderzoekers grotere experimentele reactors bouwen, met efficiëntere fotokatalysatoren. Eenmaal ze de grens van 5 procent halen, zijn ze optimistisch dat er veel interesse zal zijn vanuit de industrie om de technologie verder te ontwikkelen en uiteindelijk te commercialiseren. “Als we de efficiëntie van zonne-naar-chemische energieomzetting verbeteren tot een praktisch niveau, zal dit meer onderzoekers aantrekken en de ontwikkeling van massaproductietechnologieën en infrastructuur versnellen”, zegt Kazunari Domen, mede-auteur van de studie.
Waterstof als energiedrager: groen, grijs en blauw
Om te begrijpen waarom deze technologie zo belangrijk zou kunnen zijn, is het handig om te weten hoe waterstof momenteel wordt geproduceerd en welke impact dat heeft op het milieu. Waterstof wordt doorgaans in drie categorieën verdeeld.- Grijze waterstof wordt geproduceerd uit aardgas of steenkool, waarbij CO2 vrijkomt. Het is momenteel de meest gebruikte vorm van waterstof, maar draagt bij aan klimaatverandering.
- Blauwe waterstof is vergelijkbaar met grijze waterstof, maar hier wordt de uitgestoten CO2 opgevangen en opgeslagen. Hoewel dit de uitstoot vermindert, blijven er zorgen over de kosten en de langetermijnveiligheid van CO2-opslag.
- Groene waterstof wordt geproduceerd met hernieuwbare energie, zoals wind of zon, via elektrolyse, een proces waarbij water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof met elektriciteit. Het is volledig koolstofvrij, maar aanzienlijk duurder dan grijze en blauwe waterstof.
Groene waterstof wordt gezien als de ideale oplossing vanwege de duurzaamheid, maar de hoge kosten en het grote energieverbruik vormen uitdagingen. Innovaties zoals de fotokatalytische technologie van het Japanse team kunnen helpen deze obstakels te overwinnen en waterstofproductie betaalbaarder en efficiënter te maken.
Meer wetenschap? Lees de nieuwste artikelen op Scientias.nl .
Deze Japanse uitvinding brengt massaproductie van groene waterstof stapje dichterbij
Geen opmerkingen:
Een reactie posten