Fraunhofer ontwikkelt compacte energiecentrale voor groene waterstof

Specialisten van het Fraunhofer Institut hebben een apparaat ontwikkeld dat, ‘zelfvoorzienend en betrouwbaar’, groene waterstof opwekt met zonne-energie .

Elektrolyzers zijn doorgaans grote, complexe systemen, duur en onderhoudsintensief, en ook steeds schaarser. Direct gebruik van zonne-energie om water te splitsen met behulp van een zogenaamde foto-elektrochemische cel (PEC) biedt een spannend alternatief. In het gezamenlijke onderzoeksproject Neo-PEC zijn onderzoekers van drie Fraunhofer-instituten samengekomen om een ​​modulaire oplossing te ontwikkelen die een zeer flexibele waterstofopwekking en levering met zonne-energie mogelijk maakt.

Voorzichtigheid geboden

Het middelpunt van deze ontwikkeling is een tandem-PEC-module. Het is vergelijkbaar met zijn traditionele fotovoltaïsche tegenhanger, maar met één cruciaal verschil: de elektriciteit wordt niet opgewekt voor latere elektrolyse elders. Het gehele proces vindt plaats in één en dezelfde unit. Voorzichtigheid is overal geboden: aangezien het proces resulteert in waterstof en zuurstof, moet de structuur zo worden ontworpen dat een strikte scheiding tussen de twee elementen wordt gehandhaafd tijdens de productie en daarna.

Voor de productie van de tandemcel bekleden de experts standaardglas aan beide zijden met halfgeleidende materialen. Wanneer het zonlicht het glas raakt, absorbeert één zijde van de module het kortegolflicht. Tegelijkertijd dringt het licht met lange golflengte door de bovenste glaslaag heen en wordt aan de achterkant geabsorbeerd. De module geeft waterstof af aan de achterkant of kathodezijde en zuurstof aan de bovenzijde, de anodezijde.

Drie jaar onderzoek

Gedurende de driejarige looptijd van het project hebben de Fraunhofer-wetenschappers hoogzuivere halfgeleidermaterialen onderzocht en ontwikkeld, die ze aanbrengen met behulp van ultrazachte coatingmethoden. Hierdoor kunnen ze de waterstofopbrengst van de methode verhogen.

“We gebruiken de dampfase om lagen van slechts enkele nanometers dik op het glas te vormen. De structuren die daarbij ontstaan, hebben een enorme impact op de reactoractiviteit, naast de daadwerkelijke materiaaleigenschappen, die we ook hebben geoptimaliseerd”, zegt manager Arno Görne. De fotovoltaïsche elementen die in de module zijn gekoppeld, voorzien het systeem van extra spanning: een turbo die de activiteit versnelt en tegelijkertijd de efficiëntie verhoogt.

100 m₂ voor 20.000 km

Het resultaat is een reactor met een actief oppervlak van een halve vierkante meter. Gescheiden van de zuurstof genereert het de waterstof, die direct kan worden opgevangen en gekwantificeerd. Op dit moment kan een module van 100 vierkante meter onder de Europese zon 30 kilogram waterstof per jaar genereren. Hiermee zou een waterstofauto bijvoorbeeld 15.000 tot 20.000 kilometer kunnen afleggen.

Beperkt door compleetheid

“Wat betreft de afmetingen van de tandemcel worden we beperkt door het feit dat onze module het water direct splitst, waarvoor het ook nodig is dat elektriciteit van de ene naar de andere kant gaat. Naarmate het moduleoppervlak groter wordt, heeft de stijgende weerstand een ongunstig effect op het systeem. Zoals de zaken er nu voor staan, is het bestaande format optimaal gebleken. Het is stabiel, robuust en aanzienlijk groter dan welke vergelijkbare oplossing dan ook”, merkt Görne op. De compacte elementen kunnen naar behoefte zonder negatieve bijwerkingen worden gekoppeld, van een enkele module tot grote oppervlakken.