Toyota en DIFFER starten samenwerking om waterstof uit lucht te produceren

Het klinkt als een goocheltruc: je brengt een speciaal apparaat in contact met lucht, laat er zonlicht op vallen, en het produceert gratis brandstof. Toch is dit het basisidee van onderzoeker Mihalis Tsampas van DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) in samenwerking met Toyota Motor Europe (TME). De onderzoekspartners willen een systeem ontwikkelen dat waterdamp absorbeert en zonne-energie gebruikt om die damp vervolgens op te splitsen in waterstof en zuurstof.

In het project verkennen Toyota en DIFFER een innovatieve manier om direct waterstof te produceren uit vochtige lucht. De motivatie voor dit onderzoeksproject is tweeledig. Er zijn nieuwe duurzame brandstoffen nodig om zowel de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen als de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Een van deze duurzame brandstoffen is waterstof, die kan worden gebruikt om zonne-energie direct op te slaan. Als waterstof wordt gecombineerd met zuurstof komt energie vrij in de vorm van elektriciteit en wordt er verder alleen schoon water geproduceerd.

Verschillende voordelen
Bij hun zoektocht naar oplossingen stuitte Toyota op de Catalytic and Electrochemical Processes for Energy Applications-groep van DIFFER, onder leiding van Mihalis Tsampas. De groep werkte aan een methode om water te splitsen in de dampfase, die veel vaker voorkomt dan de vloeibare fase. "Werken met gas in plaats van vloeistof heeft verschillende voordelen", legt Tsampas uit. "Met vloeistoffen zijn een paar technische problemen gemoeid, zoals ongewenste belvorming. Bovendien hebben we in de gasfase geen dure installaties nodig om het water te zuiveren. En ten slotte, omdat we alleen het water gebruiken dat in de omringende lucht aanwezig is, is onze technologie ook bruikbaar op afgelegen plaatsen waar geen water beschikbaar is."

Aangetoonde werking
Het afgelopen jaar hebben Toyota en DIFFER in een gezamenlijke haalbaarheidsstudie al aangetoond dat het beoogde principe inderdaad werkt. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe vaste stof foto-elektrochemische cel die in staat is om eerst water uit de omgevingslucht op te vangen om hieruit vervolgens onder invloed van zonlicht waterstof te produceren. Het eerste prototype haalde meteen al 60 tot 70 procent van de hoeveelheid waterstof die je kunt maken uit vloeibaar water. Het systeem is een membraanreactor waarin polymere elektrolytmembranen, poreuze foto-elektroden en materialen die water absorberen zijn gecombineerd.

Aanpak Toyota
"Met ons pionierswerk aan de eerste in massa geproduceerde sedan op waterstof, de Toyota Mirai, draagt Toyota actief bij aan manieren om waterstof te produceren zonder fossiele brandstoffen", zegt Isotta Cerri van Toyota Motor Europe, General Manager, Advanced Material Research. "Dat past binnen de Toyota Environmental Challenge 2050, waarin we mikken op nul CO2-uitstoot tijdens alle levensfases van onze voertuigen. Waterstof uit duurzame bron helpt aanzienlijk om de uitstoot van broeikasgassen terug te dringen. Met dit soort fundamenteel onderzoek werken we richting een maatschappij waar betaalbare, gemakkelijk te gebruiken waterstoftechnologie beschikbaar is voor onze eigen activiteiten en voor onze klanten."

Verbeteren en opschalen
In het nieuwe project gaan Toyota en DIFFER het bestaande systeem aanzienlijk verbeteren. "In ons eerste prototype gebruikten we model foto-elektroden, waarvan bekend is dat ze erg stabiel zijn. Maar het materiaal dat we daarvoor hebben gebruikt, absorbeert alleen UV-licht, dat minder dan vijf procent uitmaakt van al het zonlicht dat de aarde bereikt", legt Tsampas uit. In een volgende stap gaan de onderzoekers dan ook innovatieve materialen toepassen en de systeemarchitectuur optimaliseren om zowel de waterinname als de hoeveelheid geabsorbeerd zonlicht te vergroten.

Zodra die hindernis is genomen, verschuift de focus naar het opschalen van de technologie. De huidige foto-elektrochemische cellen voor waterstofproductie zijn erg klein, in de orde van een vierkante centimeter. Om economisch levensvatbaar te kunnen zijn, moet hun omvang ten minste twee tot drie ordes van grootte worden opgeschaald.

"Uiteindelijk stel ik me voor dat je dit soort systemen terug gaat zien in huizen, waar ze de waterstof produceren die nodig is om een waterstofauto zoals de Toyota Mirai voor dagelijks woon-werkverkeer van brandstof te voorzien", verwacht Tsampas.