07/12/2009 - Waterstof produceren met zonlicht

Gerelateerde berichten

Nieuw fonds financiert Enfinity’s zonne-energieprojecten (03 Februari 2012)

Investeringen in 'groene' energie pieken in 2011 (24 Januari 2012)

Paradigma Benelux op HVAC vakbeurs Brussel, 22-23/09/11 (15 September 2011)

Waterstof maken is niet moeilijk. De chemische industrie doet dagelijks niets anders, maar dan vooral met behulp van aardgas of methaan. Bij het maken van duurzame waterstof komt meer kijken, zo blijkt uit een bezoek bij het Duitse Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium in Jülich.

In een hoekje van een laboratorium op het terrein van het Duitse Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (DLR) in Jülich staat een brandkast. Twee gaten in de deur op de plek waar voorheen de sloten hebben gezeten suggereren dat iemand zich met geweld toegang tot de inhoud van de kast heeft verschaft.

‘De werkelijkheid is niet iets anders, ‘vertelt dr. ing. Hans-Gerd Dibowski. ‘In verband met een open publieksdag hebben we deze brandkast in onze zonneoven behandeld, om te demonstreren hoe krachtig de energie van de zon is’. Het branden van de gaten van ongeveer 15 cm doorsnee heeft plaatsgevonden met een installatie, die werkt met het gebundelde licht van de zon.

Op het terrein van het laboratorium staat een heliostatische spiegel van ruim 8 bij bijna 7,5 meter. De met de zon meedraaiende, 3.000 kilo zware spiegel richt het zonlicht op een tweede spiegel van 42 vierkante meter. Dit spiegelend oppervlak is opgebouwd uit enkele tientallen kleine zeshoekige spiegels die onder een hoek zijn opgesteld. Hierdoor komt het zonlicht in geconcentreerde vorm op een ontvanger, de zonneoven. De twee spiegels weerkaatsen, als ze nieuw zijn op deze manier minstens 87 procent van het zonlicht terug. Door deze dubbele reflectie, waarbij een concentratie van het zonlicht met 5.200 keer plaatsvindt, haalt de zonneoven zelfs in het relatief noordelijk gelegen Jülich, vlakbij Aken, temperaturen tot 2.500 graden Celsius. Het maximale vermogen van de zonneoven ligt op 22 kW bij een zoninstraling van 850 W per vierkante meter. Met behulp van een snel bewegende sluiter, die vlak voor de absorber in de muur van het laboratorium is aangebracht, is de toevoer van het geconcentreerd zonlicht nauwkeurig te doseren.

Nanomateriaal

Een van de studies die hier plaatsvinden is het produceren van waterstof met behulp van zonlicht. Momenteel maakt de industrie wereldwijd ruim 95 procent van al de waterstof uit fossiele brandstoffen, voornamelijk uit aardgas en steenkool. Slechts 5 procent van de huidige hoeveelheid aan waterstof ontstaat door elektrolyse, iets wat vooral in Noorwegen met Hydro-elektriciteit gebeurt. Volgens Dibowski is het gebruik van zonne-energie naast dat van kernenergie de enige manier om op CO2-neutrale wijze waterstof te maken. ‘Bij een temperatuur van 800 tot 1.000 graden Celcius is het mogelijk om uit water waterstof te onttrekken,’ aldus Dibowski. ‘De reactor heeft geen bewegende delen, de van keramisch materiaal opgebouwde absorber is voorzien van een speciale coating van nanomateriaal. Dit materiaal is in staat om waterdamp te splitsen, waarbij afvang van het zuurstof plaatsvindt terwijl het zuivere waterstof doorstroomt’. Het onderzoek is zeven jaar geleden onder de naam Hydrosol I in Jülich begonnen. Inmiddels is het Europees onderzoeksproject Hydrosol II, waar ook onder meer het Griekse Aerosol and Particle Laboratory bij betrokken is, op grotere schaal bij het Plataforma de Almeria in Zuid-Spanje voortgezet. Hier staat een zonneoven op een 25 meter hoge toren met een vermogen van 100 kW. De onderzoekers bestuderen onder meer de stabiliteit van de metaaloxiden en van het keramisch materiaal. Door de gedoseerde cyclische toevoer van het geconcentreerde zonlicht kunnen ze tevens het splitsingsproces van de waterdamp beheersen. De 100 kW installatie is modulair van opzet, door verschillende installaties aan elkaar te koppelen en meerdere heliostatische spiegels toe te passen is uitbreiding naar vermogens van minstens 1 MW mogelijk.

Corrosief

Binnen het DLR vindt ook onderzoek plaats naar andere manieren om waterstof met behulp van zonne-energie te produceren. Het Solref-programma is bijvoorbeeld gebaseerd op stoomreforming van methaan, een onderzoek dat onder leiding van het DLR bij de zonnetoren van het Weizmann Instituut in Israël gebeurt. Bij de zonneoven in het Franse Odeillo doet het DLR studie naar het kraken van methaan, terwijl het onderzoeksinstituut dichter bij huis in Jülich in het kader van het HyCycles programma de thermochemische fabricage van waterstof onderzoekt. Bij dit laatste proces zijn een of meer reageermiddelen nodig, die dankzij hergebruik in principe in het chemisch proces blijven.

Een voordeel van de thermochemische aanpak is dat zuurstof en waterstof niet tegelijk in hetzelfde chemisch proces vrijkomen, zoals bij de hierboven beschreven splitsing van water in de zonneoven gebeurt. Dat vermindert de kans op explosies. ‘De huidige productiemethode van waterstof binnen de industrie, zoals bij de hierboven beschreven splitsing van water in de zonneoven gebeurt. Dat vermindert de kans op explosies. ‘De huidige productiemethode van waterstof binnen de industrie, zoals reforming, kraken of vergassing met partiële oxidatie van fossiele brandstoffen is goedkoop maar niet duurzaam,’ vertelt dr. Martin Roeb, projectmanager Solar Research van het in Keulen gevestigde Institute of Technical Thermodynamics van het DLR. ‘’We hebben met HyCycles een zonneproces, dat goed blijkt te werken. We willen nu het proces op grotere schaal toepassen, waarbij we samenwerken met partners uit de Verenigde Staten, Japan en Australië.’

Er zijn twee soorten thermochemische cycli: de methode die gebruikt maakt van metalen of metaaloxiden en de aanpak gebaseerd op de inzet van anorganische stoffen met zwavel, zoals zwavelzuur. Binnen de laatste categorie is het gebruik van zwaveljodium en de hybride zwavel cyclus het meest gebruikelijk. De toegevoerde energie gaat vooral zitten in het met behulp van een katalysator splitsen van zwavelzuur bij een temperatuur van 850 graden Celcius. Een lastig probleem is het corrosieve karakter van de chemische reactoren, waardoor er in de installatie materialen nodig zijn, met een hoge weerstand tegen agressieve chemicaliën.

Een hamvraag blijft in dat verband wat de prijs is van het produceren van waterstof met behulp van zonne-energie. Roeb vertelt dat de duurzame waterstof, geproduceerd met behulp van de hybride zwavel cyclus 3,9 tot 5,6 euro per kilo gaat kosten, met metaaloxiden ligt de prijs op 3,5 tot 12,8 euro per kilo, terwijl een elektrolyseproces de prijs op 2,1 tot 6,8 euro per kilo brengt. ‘Het potentieel om tot prijsverlaging te komen is enorm,’ aldus Roeb. ‘Dat laat een gevoeligheidsanalyse zien voor de drie scenario’s. Roeb wijst erop dat de grote marge van de productieprijs bij elektrolyse vooral toe te schrijven is aan de heersende elektriciteitsprijzen. ‘Momenteel is stoomreforming van aardgas vanuit technisch-economisch oogpunt de meest gebruikelijke manier om waterstof te produceren,’ aldus Roeb. ‘Maar een belangrijk punt van aandacht zijn de stijgende aardgasprijzen.’

Bron: Energie Plus