DOORBRAAK IN GROENE ENERGIE DANKZIJ WETENSCHAPPERS VAN KU LEUVEN

Om onze huizen warm te houden gebruiken we propaan, aardgas en olie. Deze 3 grondstoffen komen ons milieu duur te staan. Ze zorgen er immers voor dat er gevaarlijke hoeveelheden kooldioxide in de atmosfeer worden gepompt. Om de voortdurende klimaatverandering een halt toe te roepen, heeft de EU beloofd om de uitstoot van broeikasgassen tegen 2030 met minstens 40 procent te verminderen. Bio-ingenieurs aan KU Leuven hebben misschien een manier ontdekt om dat proces behoorlijk te versnellen: een zonnepaneel dat zonlicht en lucht omzet in waterstof, die we proper en zonder uitstoot kunnen verbranden.

Waterstofpaneel zet zonlicht om in milieuvriendelijk gas

Als onderdeel van het klimaat- en energiekader 2030 van de EU én in lijn met de overeenkomst van Parijs, heeft de EU een wetgeving ingevoerd om de uitstoot tegen 2030 met minstens 40 procent te verlagen tegenover de uitstoot in de jaren ‘90. De nieuwe klimaatstrategie die de Europese Commissie lanceerde in november 2018 bevat zelfs verschillende scenario’s om tegen 2050 een nuluitstoot te bereiken. Om die doelstelling te realiseren is er een extra investering van minstens (naar schatting) 290 biljoen euro per jaar nodig. Recent is gebleken dat innovatie – vooral op het vlak van hernieuwbare energie en energie-efficiëntie – het grootste effect heeft op die uitstootverlaging. Hoog tijd dus om op een andere manier om te gaan met onze energievoorzieningen.

Het wordt hoog tijd dat we anders leren omgaan met onze energievoorzieningen. Daar hebben bio-ingenieurs van KU Leuven iets op gevonden.

Wanneer fysica en chemie samenkomen

Een team van bio-ingenieurs van het Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse van KU Leuven komt met een oplossing. Al meer dan 10 jaar zijn professor Johan Martens, dr. Tom Bosserez, dr. Jan Rongé en dr. Christos Trompoukis bezig met de ontwikkeling van een ‘waterstofpaneel’. Met dit zonnepaneel is het mogelijk om waterstof te onttrekken aan de waterdamp in de lucht. Men gebruikt zonlicht om vocht in de lucht – geen vloeibaar water – te splitsen in waterstof- en zuurstofmoleculen.

Het waterstofpaneel zet maar liefst 15 procent van het zonlicht rechtstreeks om in waterstofgas. Dat is een wereldrecord. Het proces gaat zelfs zo snel dat je letterlijk waterstofbelletjes ziet verschijnen zodra het zonlicht het oppervlak raakt. Door deze unieke combinatie van fysica en chemie kan je met één paneel gemiddeld 250 liter waterstofgas per dag produceren. Bovendien zijn de panelen veel efficiënter dan de conventionele methodes om waterstofgas te creëren. Met slechts 20 panelen produceer je voldoende warmte en elektriciteit om de winter te overbruggen (in een goed geïsoleerde woning).

Het waterstofpaneel kan per dag gemiddeld 250 liter waterstofgas produceren

Waterstof is een prima element om onze koolstofvoetafdruk te verkleinen en onze energie-efficiëntie te verhogen. Wanneer het wordt verbrand met zuurstof, produceert waterstof bijna enkel water. Waterstofbrandstof is dus een emissieloze brandstof. Daarnaast bevat waterstofenergie drie keer zoveel energie per kg als benzine en andere fossiele brandstoffen. Waterstof kan bijvoorbeeld worden gebruikt om een raket te lanceren.

In 75 procent van het heelal is waterstof het meest voorkomende element. Vermits waterstof echter extreem reactief en licht is, heeft het de neiging om ofwel te reageren met andere elementen binnen onze atmosfeer, of gewoon weg te drijven. Om waterstof succesvol als brandstof te kunnen gebruiken, hebben we dus een uitgekiend productieproces nodig met een kleine ecologische voetafdruk.

Gezocht: een ecologisch productieproces

Tegenwoordig wordt de meeste waterstof gewonnen uit aardgas. Dit proces zorgt echter voor de uitstoot van koolstofdioxide, wat het lang niet zo milieuvriendelijk maakt als soms beweerd wordt. Methodes om waterstof te produceren uit hernieuwbare bronnen bestaan, maar blijken vaak te duur en kennen nog een heel aantal technische beperkingen.

Net daarom is het waterstofpaneel van KU Leuven zo baanbrekend. Het biedt een aantal belangrijke voordelen in vergelijking met de hernieuwbare alternatieven. Zo ligt de kostprijs om waterstof te produceren via het paneel veel lager dan de prijs om elektriciteit te genereren via “traditionele” zonnepanelen (elektrolyse). Daarnaast kan elektrolyse enkel in bepaalde omstandigheden gebeuren. Lucht, daarentegen, is overal waardoor we waterstofpanelen altijd, overal en op gelijk welke schaal kunnen gebruiken. Bovendien heeft de techniek geen vloeibaar water nodig, enkel het vocht in de lucht. 

In tegenstelling tot elektriciteit uit zonnepanelen of windmolens kan waterstof in grote hoeveelheden worden opgeslagen voor een lange periode

Een andere eigenschap van waterstof is dat het, in tegenstelling tot elektriciteit uit zonnepanelen of windmolens, in grote hoeveelheden kan worden opgeslagen voor een lange periode. Als in de zomer grote hoeveelheden waterstof worden geproduceerd, dan kunnen we die makkelijk opslaan en in de winter gebruiken om te verwarmen of stroom te produceren. Daarnaast zijn de panelen, in vergelijking met “traditionelere” systemen die waterstof genereren, niet afhankelijk van vloeibaar water. Ze kunnen dus om het even waar worden geplaatst. De energie kan bovendien als waterstof worden opgeslagen in brandstofcellen, zonder dat er een aansluiting op het elektriciteitsnet nodig is. Dit opgeslagen waterstofgas kan altijd worden omgezet in gelijkstroom met laagspanning, perfect om voertuigen en gebouwen te voorzien van energie.

Waterstof in elk gezin?

De panelen zijn nog niet klaar voor grootschalige commerciële productie, maar er wordt volop getest hoe ze concreet kunnen werken. In Oud-Heverlee wordt momenteel het laatste nieuwe prototype onderzocht in dagelijkse levensomstandigheden. Leen Peeters, een 41-jarige ondernemer en PhD aan KU Leuven, woont in een huis dat erop voorzien is om eigen stroom te genereren en op te slaan. Naast zonnepanelen, een warmtepomp, enkele gigantische batterijen en een Tesla, heeft het huis nu ook twintig unieke waterstofpanelen. Met deze testopstelling wil het team van KU Leuven onder meer onderzoeken welk effect de weersomstandigheden hebben op de panelen. Als dit experiment (gefinancierd door VLAIO) goed uitpakt, zullen nog 39 gezinswoningen in de buurt worden voorzien van panelen. Op die manier zetten de bio-ingenieurs stappen in de richting van commerciële productie van het paneel.

Door het waterstofpaneel gaandeweg te perfectioneren, hopen professor Martens en zijn team het uiteindelijk op de markt te brengen

Wanneer zullen de waterstofpanelen te koop zijn? Het team is optimistisch, maar een exacte datum is er nog niet. De onderzoekers bereiden zich momenteel voor op de kleinschalige ontwikkeling van panelen. Dit kan enkele jaren duren. Door gaandeweg alle gebreken aan te pakken, hopen professor Martens en zijn team uiteindelijk een uitstekend commercieel product af te leveren. Op termijn moeten de panelen in verschillende situaties kunnen worden ingezet: in de landbouw, de detailhandel, de transportsector, maar ook in afgelegen gebieden.

De uitputting van energievoorraden en de uitstoot van kooldioxide vormen vandaag een grote uitdaging voor onze planeet. Het is duidelijk dat waterstof een essentiële rol kan spelen in de overgang naar een koolstofneutrale wereld.