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.
Tumult in het dorpje Doodstil, meer en zwaardere 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 staatsinkomsten (12 miljard per jaar) was. Een halve eeuw lang heeft Nederland zorgeloos kunnen leunen op de welvaart van het aardgas, maar nu begint aan die vanzelfsprekendheid een eind te komen. Ondertussen beschikt Nederland wel over een unieke infrastructuur aan gasleidingen waarvan het zonde zou zijn die niet te gebruiken. Dus wat nu? Gas importeren uit Rusland? Dat is even onvermijdelijk als onverstandig. Vraag maar aan inwoners van de Oekraïne hoe het is om afhankelijk te zijn van Russisch aardgas. Maar hebben we op termijn wel alternatieven?
Het onderzoeksprogramma ‘CO2-neutrale brandstoffen’, dat NWO, FOM en Shell vorig voorjaar lanceerden, stelt 5 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 de verste uithoeken van ons land. Bij de verbranding van het aardgas, eh … zonnegas, komt kooldioxide en water vrij waarmee de kring weer rond is. Zo kunnen we nog lang en gelukkig leven.
Ook vanuit de groeiende zonne-energie is het verstandig om over opslag na te denken, vindt dr.ir. Arno Smets (EWI). Het aandeel zonne-energie is nu met 1 procent nog klein, maar wat als het straks 10-20 procent wordt? Wat doe je dan met al die zonnestroom op een zomerse dag? “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 (Chemtech, 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 warempel: 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[i] mee omdat niemand eerder een rendement van 5 procent had weten te behalen met zo’n geïntegreerde unit. Dat is twee keer meer dan de natuur doet; planten leggen hooguit 2-3 procent van de ingevangen zonne-energie vast als biomassa.
Abdi’s promotor, chemicus prof.dr. Bernard Dam (ChemE, faculteit TNW) zegt over de waterstofcel: “We wilden een goedkope en stabiele cel ontwikkelen uit een fotoanode in combinatie met een zonnecel. Bismutvanadaat (BiVO4)is een goedkoop en stabiel oxide voor de fotoanode. Maar tot nu toe was het niet erg efficiënt. Abdi heeft er gradiënt van wolfraam aan toegevoegd waardoor het rendement van de fotoanode enorm verbeterd is.”
Abdi zelf denkt dat uiteindelijk een rendement 10 procent haalbaar is: “We zitten nu al op de helft van dat doel. En als we 10 procent 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.
De combicel van Abdi en Han is een uitgekiende samenwerking tussen de vakgroepen Materials for Energy Conversion and Storage (ChemE, TNW) van prof.dr. Bernard Dam en Photovoltaic Materials and Devices (EWI) van prof.dr. Miro Zeman. Smets, tegenwoordig bekend als presentator van de MOOC Solar Energy, legt uit waarom. “Het fotoelektrochemisch proces van het splitsen van water (in H+ en OH–) vindt plaats op het oppervlak van het bismutvanadaat. Een foton maakt lading vrij in het materiaal, maar de elektrische spanning over de laag komt van de zonnecel erachter. Die zonnecel moet precies dezelfde stroom leveren als het bismutvanadaat. En ook hebben we een vrij hoge spanning nodig, meer dan de 0,9 volt die één zonnecel oplevert. Vandaar dat we twee PV-cellen achter elkaar hebben gemaakt die in serie staan. Het invallende licht wordt in drie stappen gebruikt: het blauwe deel van het spectrum in de gele oxidelaag, het groene deel in de eerste zonnecel en het rode in de tweede. De elektrische stromen en de absorptiespectra van de drie onderdelen zijn dus precies op elkaar afgestemd.” Om het verhaal af te maken volgt de vorming van zuurstof aan de anode met een kobaltfosfor laagje als katalysator. Waterstofgas, waar het allemaal om begonnen was, ontstaat aan de platina kathode.
Zover waren de onderzoekers dus vorig jaar. Met het geld van FOM en anderen (7,5 ton) gaan nu 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 15 procent in het vooruitzicht.
“Nu we weten hoe de cel werkt, weten we ook waar de knelpunten zitten”, legt 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 APPEL[ii] met een heel andere opzet dan Abdi en Han ontwikkelden. In feite keren ze het hele ontwerp om zodat nu de waterstof niet aan de platina kathode ontstaat, maar aan een katalytisch oxidelaagje bovenop de cel.
Het nieuwe ontwerp draait om het gebruik van amorf siliciumcarbide (SiC) als halfgeleidermateriaal. Dat materiaal heeft als voordeel dat het gevoeliger is voor het rode deel van het spectrum, dus ook met het laatste restje zonlicht nog een aardige spanning kan opwekken. Er zijn nog heel wat hobbels te overwinnen voor het zover is, maar de onderzoekers denken dat met het nieuwe ontwerp een beter rendement haalbaar is dan met verbetering van de bestaande cel.
De komende jaren zullen de twee promovendi onder leiding van Smets en Smith het nieuwe ontwerp verder uitwerken. Hoe, bijvoorbeeld, bescherm je de halfgeleider tegen corrosie door het water? Dam stelt voor een ‘passivatielaag’ te ontwikkelen die halfgeleider en water scheidt, maar wel elektronen doorlaat waarmee aan de kathode waterstof ontstaat.
Ook wil hij 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.
De benodigde spanning van de zonnecel kan misschien verlaagd worden door het gebruik van beter katalysatormateriaal aan anode en kathode.
In de tekening is de anode nog van platina, maar ook dat moet veranderen willen we waterstofcellen ooit een grootschalig succes worden.
“Het is onderzoek met lange adem”, weet Dam. Veertig jaar geleden maakten Japanners voor het eerst waterstof met zonlicht en titaanoxide. Maar toen bleek dat waterstof veel goedkoper uit aardgas te winnen was, zakte de belangstelling in. Dat is nu aan het veranderen. Maar omdat dergelijk onderzoek makkelijk meer dan tien jaar duurt zou Dam graag een meer structurele ondersteuning van het onderzoek zien. “Productie van waterstof uit zonlicht is een thema dat essentieel is voor een duurzame samenleving”, zegt Dam die graag zou zien dat financiering van onderzoek zich meer op nieuwe industrieën zou richten dan op bestaande.
KADER:
Zeven wegen naar zonnegas
Het NWO/FOM/Shell programma CO2-neutrale brandstoffen[iii] ondersteunt zeven onderzoeken uit 32 ingediende voorstellen. De TU richt zich op productie van waterstof, de anderen op de productie van brandstoffen uit CO2 en waterstof. De financiers roepen de onderzoekers op om aansluiting te zoeken tussen de verschillende projecten.
Prof. Koper (Leiden) werkt aan verfstoffen (poryfines) waarvan gebleken is dat die actief zijn in de elektrochemische omzetting van CO2 in methaan en methanol. Dr. Juurlink (Leiden) en Gleeson (FOM) willen CO2 moleculen kapot trillen om chemische reacties ermee te vereenvoudigen. Prof. van Rooij (FOM) gaat CO2 omzetten in het meer reactieve CO met behulp van plasmatechnologie. Prof. Gardeniers en Huskens (Twente) gaan microdraden en membranen ontwikkelen die waterstof en zuurstofgassen gescheiden houden. Dr. Gleeson (FOM) en Prof. Lefferts (Twente) gaan het vrijmaken van CO2 uit absorptiematerialen optimaliseren met plasmatechnologie. Prof. de Leeuw en Dr. Barosso (Utrecht) en Dr. Hofmann (Eindhoven) tot slot willen biologisch geïnspireerde ijzer-zwavel katalysatoren ontwikkelen die met invang van zonlicht CO2 omzetten in bijvoorbeeld methanol.
i. 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.
[ii] Earth Abundant Materials based Monolithic Photovoltaic-PhotoELectrochemical Device toward 15% Solar-to-Hydrogen Conversion Efficiencies – Acroniem: APPEL
