Al zo’n veertig jaar werken wetenschappers aan manieren om zonne-energie direct om te zetten in brandstof. Verder dan fundamentele kennis kwamen ze tot dusverre niet. Eind dit jaar hoopt de TU Delft echter een tafelmodel proefopstelling te hebben.

Volgens Nobelprijswinnaar Steven Chu zullen we CO2 uit de lucht moeten halen om brandstof te maken. Dat kan op de biologische manier zoals planten het doen, maar ook kun je proberen zonne-energie technologisch om te zetten. De eerste stap in de richting van dergelijke zonnebrandstoffen is om waterstofgas te maken.

Kunstmatig blad

Wilson Smith van de TU Delft houdt zich bezig met waterstofgas maken. De Amerikaan kreeg er onlangs een NWO Vidi-beurs voor. ‘Traditioneel zoeken wetenschappers naar materialen die zowel de fotokatalyse als de elektrochemie voor hun rekening nemen’, vertelt Smith. ‘In de praktijk blijkt het efficiënter te zijn als je die processen splitst. Dan kun je ze afzonderlijk optimaliseren.’

Die filosofie leidde tot een eerste versie van het Dutch Artificial Leaf, een modulair opgebouwd apparaat met zonnecellen aan de bovenkant en daaronder een elektrochemisch element. Het geheim van het laatste is een bipolair membraan tussen de elektrodes, dat ervoor zorgt dat het water aan de ene kant basisch blijft en aan de andere kant zuur. Zo kun je anode en kathode van verschillende materialen maken om de prestaties te optimaliseren. Het huidige apparaat meet ruim 10 x 10 cm. Eind dit jaar hoopt Smith een model ter grootte van een forse koelbox te kunnen tonen.

In eerste instantie ligt de nadruk op goedkopere materialen.

‘We moeten niet wachten met opschalen tot we de perfecte materialen gevonden hebben’, vervolgt hij. ‘Voor een bruikbare technologie moet je bijvoorbeeld ook weten bij welke druk en temperatuur een systeem het beste werkt. Daarmee is nog vrijwel niemand in het veld bezig.’

Een van de grootste uitdagingen bij opschalen is energetische efficiëntie behouden, terwijl de kosten van materialen en productiemethodes omlaaggaan. In eerste instantie ligt de nadruk op goedkopere materialen. Dankzij het bipolaire membraan heeft Smith afscheid kunnen nemen van iridiumelektrodes; iridium is een van de duurste metalen. Zijn huidige proefmodel gebruikt echter nog wel galliumarsenide-zonnecellen, eveneens prijzig. Silicium is minder duur, maar ook minder efficiënt.

Even genoeg geweest

Een mogelijk alternatief zijn mineralen met een perovskietstructuur. De diëlektrische eigenschappen daarvan lenen zich goed om zonne-energie te absorberen. Onderzoekers van de Zwitserse École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) behaalden vorig jaar een record­efficiëntie van 12,3 % met een kunstmatig blad op basis van een perovskietzonnecel. De TU Delft heeft daar, in samenwerking met EPFL, dit jaar nog 0.4 % bovenop gedaan.

Voor Smith is het nu even genoeg geweest met een nog hogere efficiëntie najagen. ‘We gaan ons concentreren op goedkopere materialen en het opschalen van de technologie’, zegt de onderzoeker, wiens oorspronkelijke vakgebied de fotokatalyse is. ‘Perovskietzonnecellen zijn bijvoorbeeld instabiel. Ik heb een aantal ideeën om de stabiliteit te verhogen, maar daarvoor is praktisch onderzoek nodig.’

De € 800.000 van de Vidi-beurs wil hij dan ook vooral inzetten voor materiaalonderzoek. Een ander knelpunt in het huidige ontwerp is het verhogen van het potentiaalverschil dat de perovskietzonnecel opwekt. Dat is belangrijk om de elektrolyse efficiënter te laten verlopen.

Grootschalige productie

De TU Delft is niet de enige die de aandacht naar de grootschalige haalbaarheid van zonnebrandstof verlegt. Vorig jaar opende Chu een naar hem genoemd onderzoekscentrum aan het Amerikaanse Lawrence Berkeley Lab, waarvan hij ooit directeur was. De faciliteit, die ruim € 53 miljoen kostte, wordt het thuis van het Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), waarbinnen zo’n honderd onderzoekers werken aan een programma dat binnen tien jaar moet leiden tot groot­schalige waterstofproductie.

JCAP maakt veel werk van de ongesplitste benadering die Smith juist verlaten heeft. Vorig jaar openbaarde het lab een prototype, waarvan de kern bestaat uit twee galliumarsenide-elektrodes in water; een dun laagje titaniumoxide beschermt de elektrodes tegen roestvorming. Invallend licht zorgt voor een potentiaalverschil. Bij de anode wordt water gesplitst. Zuurstof komt vrij, terwijl protonen door een membraan naar de kathode worden geleid en daar recombineren tot waterstof. Het membraan zorgt ook voor gescheiden afvang van waterstof en zuurstof. De opzet is relatief eenvoudig, maar de efficiëntie is maar ruwweg de helft van de gesplitste aanpak.

Niet alleen het materiaal zelf is van belang, maar ook de structuur ervan.

Aan onze kant van de oceaan is er ook nog het Europese onderzoeksproject PecDemo, dat uitgaat van EPFL in Lausanne. Dit project heeft zich ten doel gesteld tegen het eind van dit jaar een werkend prototype op te leveren volgens een hybride benadering, met een efficiëntie van tenminste 8 %. Het meest geavanceerde prototype heeft het formaat van een boek en bevat één elektrode van fotoactief materiaal én een zonnecel om het potentiaalverschil met de andere elektrode te verhogen. Het element is zo ontworpen dat je het kunt koppelen tot een groter instrument.

De lijst van onderzoeksbehoeftes is lang. Niet alleen het materiaal zelf is van belang, maar ook de structuur ervan. Een nanostructuur verhoogt het reactieoppervlak en daarmee potentieel de efficiëntie, maar het moet wel betaalbaar blijven (bijvoorbeeld door het te vervaardigen met een 3D-prin­ter). Als je water splitst, bestaat altijd de mogelijkheid dat waterstof en zuurstof weer recombineren. Om dat zo veel mogelijk te voorkomen, moet je de vloeistofdynamica optimaliseren. Tegelijkertijd blijft Smiths standpunt overeind dat je niet kunt wachten met apparaten maken tot de ideale combinatie is gevonden.

Geen ideale brandstof

Alle ontwikkelingen gaan voorbij aan één ontegenzeglijk feit, namelijk dat waterstof weliswaar relatief eenvoudig te produceren is, maar op het gebied van energiedichtheid niet de ideale brandstof vormt. Liever zou je uit water en CO2 (uit de lucht) methanol of een andere brandbare koolwaterstof maken.

Regelmatig berichten media over wetenschappers die zo’n proces werkend gekregen hebben. Zo presenteerde de Austra­lische Monash University vorig jaar een systeem op basis van koperplaatjes waarop nanokorreltjes van koolstof als katalysator fungeerden. Eerder dit jaar kwam de University of Texas met een proces dat functioneert bij 200 °C en een druk van 600 kPa. Het is allemaal zinvol werk, maar nog niet heel praktisch.

Waterstof als brandstof maakt dus nog steeds kans.

‘Het probleem is dat je om koolstofverbindingen te synthetiseren een hoge potentiaal nodig hebt, die zonnecellen nu niet leveren’, legt Smith uit. ‘We moeten dus zoeken naar processen die bij een lager potentiaalverschil werken. Dat vergt opnieuw veel onderzoek naar duurzame materialen en nanostructuren.’

Waterstof als brandstof maakt dus nog steeds kans. Al is de daadwerkelijke toepassing nog decennia weg, erkent Smith. ‘Er zal CO2-belasting moeten komen en een tekort aan aardgas moeten ontstaan, om deze technologie economisch haalbaar te maken. Dat zo’n moment komt, weten we zeker. En als het moment er is, moet de technologie beschikbaar zijn.’