Beter dan de natuur

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 (circa 250 miljard tot nu toe) 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 de 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 vijf 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 aan 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.

Opslag

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 tot 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 (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.

Rendement

De onderzoekers scoorden er in juli een publicatie in Nature Communicationsi mee omdat niemand eerder een rendement van vijf procent had weten te behalen met zo’n geïntegreerde unit bestaande uit goedkope materialen. Dat is twee keer meer dan de natuur doet; planten leggen hooguit 2 tot 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 van tien procent haalbaar is: “We zitten nu al op de helft van dat doel. En als we tien 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, bekend als presentator van de mooc solar energy, legt uit waarom. “Het foto-elektrochemisch 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 voor een deel 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.

Appel

Zo ver 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 vijftien 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 Appelii met een heel andere opzet dan Abdi en Han ontwikkelden. In feite keren ze het ontwerp om: waterstof ontstaat bij hun ontwerp aan een halfgeleidende fotokathode voorzien van een katalytische laag.

Het nieuwe ontwerp draait om het gebruik van amorf siliciumcarbide (SiC) als halfgeleidermateriaal. Dit is een kathodemateriaal dat als voordeel heeft 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 dat weer gebruikmaakt van een stapeling van verschillende op Si en SiC gebaseerde halfgeleiders, een beter rendement haalbaar is dan met verbetering van de bestaande celconfiguratie.

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? Het idee is een ‘passivatielaag’ te ontwikkelen die halfgeleider en water scheidt, maar wel elektronen doorlaat waarmee aan de kathode waterstof ontstaat.

Lange adem

Verder moeten er nieuwe katalysatoren ontwikkeld worden die zuurstof genereren, ter vervanging van het gebruikelijke platina. Ideaal zou zijn als de anode daarbij ook nog een deel van het licht zou absorberen. Hiertoe moet 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.

“Het is onderzoek met lange adem”, weet Dam. Veertig jaar geleden maakten Japanners voor het eerst waterstof met zonlicht en titaanoxide. Maar het heeft lang geduurd voordat er materialen gevonden werden die zowel efficiënt zijn als goedkoop geproduceerd kunnen worden. 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 toegepast onderzoek zich meer op nieuwe industrieën zou richten dan op de bestaande.

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-Photo Electrochemical Device toward 15% Solar-to-Hydrogen Conversion Efficiencies – Acroniem: APPEL

iii www.fom.nl/co2

Zeven wegen naar zonnegas

Het NWO/FOM/Shell programma CO2-neutrale brandstoffeniii ondersteunt zeven onderzoeken uit 32 ingediende voorstellen. De TU richt zich op productie van waterstof, de andere 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.