MIT-ontdekking haalt groene waterstof uit zonlicht en roest

Bij de verbranding van waterstof komen geen broeikasgassen, fijnstof of andere vervuiling vrij, daardoor is het een zeer aanlokkelijke schone brandstof voor vrachtwagens, schepen en vliegtuigen. Alleen: voor de productie ervan worden nu nog wel vaak fossiele brandstoffen gebruikt. Een manier om efficiënt en goedkoop “groene waterstof” te produceren, zou een revolutie in de energiesector betekenen.

Vaak wordt daarbij gekeken naar de ongelimiteerde energie die de zon produceert. De technologie - “solar thermochemical hydrogen” (STCH) in het jargon bestaat al, maar het heeft tot nog toe een zeer lage efficiëntie: amper 7 procent van het zonlicht werd effectief ingezet om waterstof te produceren. Het resultaat is een erg dure technologie met een beperkte productie.

Treintjes en roest

Een nieuw concept van het gerenommeerde Massachusetts Institute of Technology brengt daar verandering in. Volgens simulaties kan tot 40 procent van het zonlicht gebruikt worden, en zo dus veel meer waterstof geproduceerd worden, tegen lagere kosten. Daarvoor werken de onderzoekers met een proces op basis van “roest”. In een eerste stap wordt waterdamp blootgesteld aan een metaal, dat zuurstof splitst en waterstof isoleert - een proces dat vergelijkbaar is met roesten, maar veel sneller verloopt. Eens het waterstof is opgevangen, wordt het metaal opnieuw verhit om het roestproces om te keren, en kan het metaal opnieuw gebruikt worden. Dat proces kan honderden keren herhaald worden.

Om dat vlot te doen, denken de onderzoekers aan een “treintje” van reactoren die op een gesloten baan circuleren en de verschillende stappen van het proces afleggen. Elke wagon zou eerst via een “heet station” passeren, met temperaturen tot 1500 graden, en dan naar een koelere fase van 1000 graden  doorrijden. Tussen de wagons bestaat een systeem van warmtewisseling om een deel van de energie te recupereren.

Efficiëntie

“We moeten aan elk beetje energie in het systeem denken, en hoe we dat kunnen recupereren, om de kosten naar beneden te halen”, zegt Ahmed Ghoniem, hoogleraar Mechanische Ingenieurskunde aan het MIT. “En met dit design hebben we ontdekt dat het met zonnewarmte kan: het systeem is in staat om 40 procent van de zonnewarmte te gebruiken voor de productie van waterstof.”

Het concept kan bovendien gekoppeld worden aan bestaande bronnen van zonnehitte, zoals zonnecentrales die met honderden spiegels het licht van de zon concentreren.

“Als dit concept gerealiseerd kan worden, zou dat onze energietoekomst drastisch kunnen veranderen, omdat het een vrijwel constante productie van waterstof mogelijk maakt”, zegt Christopher Muhich, hoogleraar Chemische Ingenieurstechnieken aan de Universiteit van Arizona, die niet betrokken is bij het onderzoek. “Waterstof is de sleutel tot de productie van vloeibare brandstoffen uit zonlicht.”

Het team wil volgend jaar een eerste prototype van het systeem bouwen en testen in een zonnecentrale van het Amerikaanse Ministerie van Energie.

“Het hele systeem past in een relatief klein gebouw in het midden van een zonneveld”, zegt MIT-onderzoeker Aniket Patankar. “Binnen dat gebouw kunnen één of twee treinen met zo’n vijftig reactoren rondrijden. En we denken aan een modulair systeem waarbij wagons toegevoegd kunnen worden om de productie op te drijven.”