Waterstof uit zonlicht met record efficientie

Duurzame opwekking van elektriciteit gaat een steeds grotere rol spelen in onze samenleving. Het is echter niet eenvoudig elektriciteit met een grote dichtheid langdurig op te slaan. Dit maakt de ontwikkeling  van energie-opslagsystemen noodzakelijk. Het gaat daarbij om zowel de ontwikkeling van artificiële brandstoffen voor transportmiddelen, als het vinden van een oplossing voor de variabiliteit die inherent is aan de opwekking van duurzame elektriciteit.

De meest simpele brandstof is waterstof, dat geproduceerd wordt middels de electrolyse van water. Deze methode is echter zeer kostbaar, mede door het gebruik van edelmetalen als katalysator. Daarom worden er alternatieve methodes voor de duurzame productie van waterstof ontwikkeld.  In ons onderzoek richten we ons op de foto-electrochemische productie van waterstof. Het doel daarbij is om met goedkope en breed beschikbare materialen zonlicht direct om te zetten in waterstof en zuurstof. Zoals een recente studie van de DOE laat zien, zou deze methode commercieel interessant zijn als een rendement van 10% behaald wordt.

Wij menen dat dat haalbaar is, mits er gekozen wordt voor een hybride aanpak waarbij een fotoelectrochemische cel wordt gecombineerd met een PV zonnecel. In een artikel in Nature Communications laat onze promovendus Fatwa Abdi zien hoe dat moet. Het eerste ontwerp laat een efficiency van ~5% zien, gebruikmakend van zeer goedkope materialen. In het proefschrift dat hij op 10 September 2013 verdedigt, laat hij zien dat langs dezelfde lijn de gewenste 10% haalbaar moet zijn. Daar gaan we dus hard aan werken!

Zie ook het persbericht van de TUD en het bijbehorende filmpje

De toekomst van waterstof

Shell ziet weer toekomst in waterstof (http://nos.nl/artikel/505568-shell-ziet-toekomst-in-waterstof.html). Dat is goed nieuws.

Waterstof is nodig om de fluctuaties in de energieproductie door duurzame bronnen op te vangen. Deze fluctuaties treden zowel op korte als lange tijdschalen op (uren/seizoenen).

Waterstof kan in ondergrondse zoutkoepels worden opgeslagen (http://en.wikipedia.org/wiki/Underground_hydrogen_storage), maar het kan ook gebruikt worden om brandstofcel-auto’s van energie te voorzien. Met waterstof kan met zwaardere transportmiddelen een grotere afstand worden afgelegd. Waterstof en batterijen zijn beide nodig om op electrisch transport over te schakelen. In Duitsland wordt voor dat doel langs de snelwegen een netwerk van waterstofstations opgezet (http://en.wikipedia.org/wiki/Clean_Energy_Partnership).

Waterstof kan ook aan het aardgasnetwerk worden toegevoegd. Tot een zeker percentage kan het met het methaan worden meeverbrand. Het zou handig zijn als er een techniek ontwikkeld werd om het waterstof op een goedkope manier van het aardgas te scheiden. Dan zouden de waterstofauto’s hun waterstof uit het aardgasnetwerk kunnen betrekken.

Tenslotte is het mogelijk met waterstof en CO2 koolwaterstoffen (bijvoorbeeld methaan) te produceren. Het voordeel daarvan is dat we zo voorkomen dat de CO2 concentratie in de lucht verder oploopt.

Carbon tracker

In het rapport dat Lord Stern in 2007 maakte voor de Engelse regering, noemde hij global warming het grootst mogelijke voorbeeld van marktfalen. Zowel de onbekendheid met de gevolgen van CO2 emissie als het niet beprijzen van de externe kosten die deze emissie tot gevolg heeft, maken dat de markt niet adequaat op dit probleem reageert.

In een gemeenschappelijk studie van het Grantham institute en Carbontracker benadert Stern dit probleem van een andere kant:

Vroeg of laat zullen overheden inzien dat de maatschappelijk kosten van CO2 emissie enorm zijn. Zij zullen dus regels opstellen om te voorkomen dat de gevaarlijke grens van 2 graden wordt overstegen. Het is makkelijk uit te rekenen, hoeveel CO2 uitstoot er dan nog mogelijk is. Dat blijkt substantieel lager te zijn dan de nu bekende/winbare fossiele reserves.

De conclusie is nu dat het zeer riskant is te investeren in bedrijven die geen rekening houden met deze ontwikkeling. De waardering van bedrijven, voor zover die uitgaat van een ongeremde productie van CO2 zou dus naar beneden moeten worden bijgesteld.

 

fossiele brandstofreserve

Voor diegenen die geinteresseerd zijn in de fossiele brandstofreserves en daar een onafhankelijk rapport over willen lezen, is er goed nieuws. Er is weer een update van de Energy watch group verschenen.

Conclusie: De gecombineerde piek van alle fossiele brandstoffen wordt voor 2020 verwacht. Dat betekent dat we binnen kort een groot verschil kunnen verwachten tussen de vraag naar en de productie van energie.

Over schaliegas en -olie is het rapport skeptisch.

schaliegas

Er is grote opwinding over schaliegas, met name in de Verenigde Staten. In de afgelopen jaren is de productie van schaliegas met een faktor 5 gestegen. Er wordt al geroepen dat de VS in 2020 weer onafhankelijk van de import van fossiele brandstof zullen zijn. Dat is hoogst onwaarschijnlijk. In een recente studie – Drill Baby Drill– laat David Hughes zien dat  bij de zgn fracking methode slechts 10% van het aanwezige gas gewonnen wordt. Een put produceert slechts enkele jaren gas, waarna honderd meter verderop een nieuwe put moet worden geslagen. Bij de belangrijkste gasvelden is de productie alweer aan het dalen, wat betekent dat er een enorme hoeveelheid putten (7000) per jaar moet worden geslagen om de productie op peil te houden. Bovendien zijn de CH4-lekkage en de productiekosten (in energietermen) zo hoog dat het zelfs onwaarschijnlijk is dat dit schaliegas beter voor het milieu zou kunnen zijn dan het gebruik van kolen.

De vraag is dan ook hoe europa met deze schaliegas voorraden zou moeten omgaan. Zie ook het blog van Evert Wesker!

Gashydraten

Het journaal meldde het afgelopen weekend dat Japan een geslaagde proef heeft gedaan om methaan te winnen uit ‘ijs’, de zogenaamde gashydraten zeer diep op de zeebodem. Zie ook de Japan Times. Het gaat hier om een vorm van onconventionele fossiele brandstof, die, in tegenstelling tot conventionele brandstof, moeilijk winbaar is.

De vraag is wat de kosten van deze winning zijn, in geld en voor het milieu. Is het mogelijk dit gas te winnen zonder schade aan de zeebodem en zonder dat er methaan (een sterk broeikasgas) de atmosfeer in lekt?

Nog interessanter is de vraag wat de verhouding tussen de geinvesteerde hoeveelheid energie en de daarmee gewonnen energie. Ik heb nog geen data voor gashydraten gevonden, maar voor teerzandolie is dat rond de 1:7. Vergelijk dat met windenergie. Daar wordt 50x de energie teruggewonnen die voor de fabricage van de turbine nodig is!

Reductie CO2-emissie

Om het broeikaseffect tegen te gaan zal de wereldwijde CO2 emissie moeten worden teruggedrongen. Dat is zeker geen onmogelijke opgaaf. Maar we moeten er wel zo snel mogelijk mee beginnen. Een emissiedaling van 3% per jaar is wellicht haalbaar. Een emissiereductie van 10% of meer is nauwelijks denkbaar zonder grote economische schade. In Science laat Stocker aan de hand van een eenvoudig model zien dat, indien we de temperatuurstijging tot 2 graden willen beperken, we uiterlijk in 2020 met een reductie van 3% CO2 emissie per jaar moeten beginnen. Wachten we tot 2040, dan wordt het onmogelijk deze doelstelling te halen.

Tijd voor actie dus!