Solar thermochemical hydrogen, of STCH, is de naam van de methode die gebruikt wordt om waterstof te winnen uit de warmte van zonlicht. Dit is anders dan elektrolyse; het proces dat elektriciteit gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof.
STCH bestaat al langer, maar de gangbare systemen wisten slechts 7 procent van het binnenkomende zonlicht om te zetten in waterstof. Daarom wogen de kosten nooit op tegen de baten. Maar daar kan verandering komen nu het MIT claimt een efficiëntie te kunnen behalen van 40 procent.
Zonlicht en een hoop spiegels
Het ontwerp van het MIT kan toegepast worden op bestaande zonnewarmte-installaties, ook wel concentrated solar plants, of CSP’s genoemd. Een CSP is een verzameling van honderden spiegels die in cirkels rond een centraal punt zijn opgesteld. De spiegels reflecteren licht naar een centrale toren die het licht omzet in warmte. De warmte wordt vervolgens gebruikt om bijvoorbeeld een stoomturbine aan te draaien die elektriciteit produceert.
Metaal roesten
Het MIT wil de warmte van het weerkaatste licht niet gebruiken voor het opwekken van elektriciteit. In plaats daarvan is de warmte nodig om water te splitsen in zuurstof en waterstof. In de eerste fase wordt water in de vorm van stoom blootgesteld aan metaal. De zuurstof bindt zich aan het metaal, zodat waterstof overblijft. Door de aanraking met zuurstof oxideert, ofwel roest, het metaal.
Vervolgens wordt dit metaal opnieuw verwarmd in een vacuüm, waardoor het roestproces wordt omgedraaid en het metaal herstelt. Als de zuurstof weer uit het metaal is verwijderd, kan het materiaal afkoelen. Daarna kan het metaal opnieuw worden blootgesteld aan stoom zodat er weer waterstof vrijkomt. Dit proces kan zich honderden keren herhalen.
MIT heeft een opstelling bedacht waarbij twee cirkels reactoren op een rails langs elkaar draaien en warmte en koude uitwisselen | Credit: Massachusetts Institute of TechnologyExtreme hitte
Dit proces benut de extreme hitte die CSP’s kunnen opwekken, met temperaturen tot 1.500 graden Celsius. Deze hitte is nodig om het metaal te ‘ontroesten’. Op een andere, koelere plek (tot 1.000 graden Celsius) in het proces wordt dit metaal blootgesteld aan stoom. MIT heeft een opstelling bedacht waarbij twee cirkels reactoren op een rails staan opgesteld rond de centrale toren van een CSP. De reactoren draaien in tegengestelde richting langs elkaar heen en wisselen met behulp van warmtewisselaars verdurend warmte en koude met elkaar uit, waarmee met metaal verwarmd of juist gekoeld wordt. Zo blijft energieverlies tot een minimum beperkt.
“Helemaal nieuw is deze methode niet. Er is inmiddels aardig wat literatuur die de techniek achter STCH beschrijft”, ligt Lennart van der burg, clustermanager groene waterstof bij TNO toe in een mail. “Bij hoge temperaturen – in dit geval tot 1.500 graden – wordt de levensduur van de materialen wel een uitdaging. Dat zeggen ze zelf ook, aangezien het proces zich ‘slechts’ honderden keren kan herhalen. De potentiële kostprijsreductie van STCH is interessant, maar er zijn in mijn ogen nog wel veel systeem- en materiaaluitdagingen.”
Prototype in de maak
Voor het MIT zijn de resultaten uit de simulaties in ieder geval hoopgevend. “We moeten nadenken over elk stukje energie in het systeem en hoe we het kunnen gebruiken, om de kosten te minimaliseren”, zegt Ahmed Ghoniem, hoofdauteur van het onderzoek. “Met dit ontwerp ontdekten we dat alles kan worden aangedreven door de warmte van de zon.” Het komende jaar zal het team een prototype bouwen dat ze willen testen in de praktijk bij een CSP.
