Waterstof zal een sleutelrol spelen bij het verminderen van onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen. Het kan duurzaam worden geproduceerd door zonne-energie te gebruiken om watermoleculen te splitsen. De resulterende schone energie kan worden opgeslagen, gebruikt om auto's van brandstof te voorzien of op verzoek omgezet in elektriciteit. Maar het betrouwbaar maken op grote schaal en tegen een betaalbare prijs is een uitdaging voor onderzoekers. Efficiënte productie van waterstof op zonne-energie vereist zeldzame en dure materialen - zowel voor de zonnecellen als voor de katalysator - om energie te verzamelen en vervolgens om te zetten.

Wetenschappers van EPFL's Laboratory of Renewable Energy Science and Engineering (LRESE) kwamen op het idee om zonnestraling te concentreren om een ​​grotere hoeveelheid waterstof te produceren over een bepaald gebied tegen lagere kosten. Ze ontwikkelden een verbeterd foto-elektrochemisch systeem dat, bij gebruik in combinatie met geconcentreerde zonnestraling en slim warmtebeheer, kan zonne-energie omzetten in waterstof met een conversieratio van 17% en een ongekende stroom- en stroomdichtheid. Bovendien, hun technologie is stabiel en kan de stochastische dynamiek van de dagelijkse zonnestraling aan.

De resultaten van hun onderzoek zijn zojuist gepubliceerd in Natuur Energie . "In ons apparaat een dun laagje water loopt over een zonnecel om deze te koelen. De systeemtemperatuur blijft relatief laag, waardoor de zonnecel betere prestaties kan leveren, " zegt Saurabh Tembhurne, een co-auteur van de studie. "Tegelijkertijd, de door het water onttrokken warmte wordt overgebracht naar katalysatoren, waardoor de chemische reactie wordt verbeterd en de waterstofproductie wordt verhoogd, " voegt Fredy Nandjou toe, een onderzoeker aan de LRESE. De waterstofproductie wordt daarom bij elke stap van het conversieproces geoptimaliseerd.

De wetenschappers gebruikten de unieke zonnesimulator van de LRESE om de stabiele prestaties van hun apparaat te demonstreren. De resultaten van de demonstraties op laboratoriumschaal waren zo veelbelovend dat het apparaat is opgeschaald en nu buiten wordt getest, op de campus van EPFL in Lausanne. Het onderzoeksteam installeerde een parabolische spiegel met een diameter van 7 meter die de zonnestraling met een factor 1 concentreert. 000 en stuurt het apparaat aan. De eerste testen zijn bezig.

Waterstofstations

De wetenschappers schatten dat hun systeem meer dan 30, 000 uur — of bijna vier jaar — zonder vervanging van onderdelen, en tot 20 jaar als sommige onderdelen om de vier jaar worden vervangen. Hun zonneconcentrator draait en volgt de zon langs de hemel om de opbrengst te maximaliseren. Sophia Haussener, het hoofd van de LRESE en de projectleider, legt uit:"Bij zonnig weer, ons systeem kan tot 1 kilogram waterstof per dag genereren, dat is genoeg brandstof voor een auto op waterstof om 100 tot 150 kilometer af te leggen."

voor gedistribueerde, grootschalige waterstofopwekking, verschillende concentratorsystemen zouden samen kunnen worden gebruikt om waterstof te produceren in chemische fabrieken of voor waterstofstations. Tembhurne en Haussener zijn van plan om hun technologie van het laboratorium naar de industrie te brengen met een spin-off bedrijf genaamd SoHHytec.

Open source software

Dankzij een open interface, het zal mogelijk zijn om de onmiddellijke prestaties van het systeem te controleren.

Als onderdeel van hun onderzoek hebben de wetenschappers voerden ook een technologische en economische haalbaarheidsstudie uit en ontwikkelden een open-source softwareprogramma genaamd SPECDO (Solar PhotoElectroChemical Device Optimization, http://specdo.epfl.ch). Dit programma kan ingenieurs helpen bij het ontwerpen van componenten voor goedkope foto-elektrochemische systemen voor de productie van waterstof op zonne-energie. Aanvullend, ze leverden een dynamische benchmarking-tool genaamd SPECDC (Solar PhotoElectroChemical Device Comparison), voor de vergelijking en beoordeling van alle demonstraties van foto-elektrochemische systemen.