Ontwikkeling, bouw en demonstratie van een systeem om uit zonlicht via foto- elektrolyse waterstof te produceren

Beschrijving:
Zoals eerder vermeld zijn de in deelactiviteit 1.1 beschreven verplaatsbare waterstoftankstations gebaseerd op de elektrolyse van water.

Met deze technologie is het mogelijk tientallen tot honderden Nm³ waterstof per uur te produceren; bij de elektrolysestap gaat actueel evenwel circa 25% van de ingaande elektriciteit verloren.

Hoewel er in deelactiviteit 1.1 ook innovaties worden ontwikkeld om dit verlies te beperken zijn er perspectieven om waterstof om een meer directe wijze uit zonlicht te produceren, via het proces van foto-elektrolyse.

Dit proces is gebaseerd op een directe foto elektrolyse cel, waarbij het invallen van zonlicht op een dergelijke cel, die zich in een vloeistof bevindt, aanleiding geeft tot het vormen van waterstofbellen aan het oppervlak. De geproduceerde waterstof wordt opgevangen en gebruikt voor de opwekking van elektriciteit met behulp van een brandstofcel.

Er zijn reeds directe foto elektrolyse cellen gebouwd, maar meest heeft het gebruikte materiaal maar een beperkte chemische stabiliteit en dus een beperkte levensduur. Het gebruik van indium gallium nitrides kan de chemische stabiliteit verhogen. Bij IMEC is de kennis aanwezig voor de productie van kwalitatieve nitride materialen. Ook is bij IMEC een veelbelovende structuur ontwikkeld, die efficiënt gebruik maakt van het nitride oppervlak en die een eenvoudige scheiding van waterstof en zuurstof mogelijk maakt.

In dit project wordt de beschikbare kennis bij IMEC vertaald naar de productie van indium gallium nitride met de juiste compositie voor waterstofproductie en het construeren van een waterstofproductie cel. Daarnaast wordt de chemische stabiliteit gedurende de productie van waterstof onderzocht. Op basis van de testresultaten wordt een demonstratieopstelling gebouwd bestaande uit een directe foto elektrolyse cel, een waterstofopvang systeem en een brandstofcel.

Binnen dit project wordt op basis van het geselecteerde meest geschikte materiaal de technologie te demonstreren op een schaal van 1 m², daar waar deze tot nu toe op enkele cm² is gedemonstreerd.

Deze demonstratie zal aangeven wat de status van deze technologie is op grootte van 1 m² en welke perspectieven deze technologie biedt voor bijvoorbeeld de woningbouw. Hierbij zal de vergelijking gemaakt worden van gerealiseerde rendementen met dit systeem in vergelijking met de rendementen van de verplaatsbare waterstoftankstations op basis van gescheiden elektrolyse technologie.

Daarnaast zal uit de demonstratie volgen welke verbetertrajecten noodzakelijk zijn om de technologie technisch-economisch meer marktrijp te maken. Aangezien de provincie Nederlands Limburg inzet op het gebruik van zonnepanelen op daken in woonwijken, wordt bekeken op welke wijze op termijn deze technologie een toegevoegde waarde kan betekenen in een duurzame energievoorziening

Concreet bestaat het project uit twee fasen, die elk uitmonden in een demonstratie van de technologie:

• zonnecel + elektrolyseur 
• directe waterelektrolyse

1.Zonnecel + elektrolyseur
In de eerste demonstratie opstelling zal gebruik gemaakt worden van een uiterst efficiënte III-V zonnecel in plaats van de gebruikelijke, laag efficiënte silicium zonnecellen. Deze zonnecel zal volledig binnen IMEC geproduceerd worden en behoort tot de meeste efficiënte enkelvoudige junctie zonnecellen ter wereld. Verder zal hierbij een collimator systeem gebruikt worden dat toelaat om een oppervlak van ongeveer 1 m² zonlicht te gebruiken om waterstof te genereren. Dit leidt tot een uniek prototype op een nooit vertoonde schaal.

2. Direct waterelektrolyse
Voor dit systeem zal IMEC, buiten dit project om, nog onderzoek en ontwikkeling van materialen uitvoeren, waarbij vooral gewerkt op aan de stabiliteit van de gebruikte materialen.

Beoogde resultaten:

• demonstratie zonnecel (III-V) materiaal met externe elektrolyseur 
• demonstratie directe foto-elektrolyse op een schaal van 1 m² 
• inzicht in de mogelijkheden van het gebruik van foto-elektrolyse voor de productie van waterstof in de gebouwde omgeving