Nu kunnen we waterstof uit de lucht halen
Dankzij waterstof rijden auto’s zonder uitstoot en worden huizen warm, maar het is moeilijk te produceren. Nu halen we het gas uit de lucht met een simpele nieuwe machine. Een nieuw tijdperk van waterstofbrandstof breekt aan.
Op een bureau in een lab draait een windmolentje hard rond.
De stroom van de windmolen loopt door een spons, en in een waterbadje naast de vreemde machine begint het te borrelen.
De belletjes bestaan uit waterstof, waardoor de machine een ware sensatie is – want deze waterstof is letterlijk uit de lucht geplukt.
Waterstof is voorbestemd om een sleutelrol te spelen als groene brandstof, maar tot nu toe werd het gas gewonnen uit water, een langzaam en duur proces.
Dat zal allemaal veranderen als de baanbrekende uitvinding zijn waarde kan bewijzen buiten het laboratorium.
In de toekomst kan de methode het mogelijk maken om overal op aarde waterstof te winnen, zelfs in de droogste en meest verlaten gebieden.
Maar daar houden de mogelijkheden niet op. De verrassend simpele machine zou bovendien de sleutel kunnen zijn tot de productie van waterstof in de ruimte.
Waterstof zorgt voor groene verbranding
Waterstof zal een grote rol krijgen in de wereldwijde groene transitie, want het gas is schoon en zit boordevol energie die gebruikt kan worden voor van alles en nog wat, van het verwarmen van huizen tot het aandrijven van auto’s.
In 2021 wist de waterstofauto Toyota Mirai een wereldrecord te vestigen door na één tankbeurt 1360 kilometer te rijden met slechts 5,7 kilo waterstof in de tank.
Waterstof kan verder de grote schepen van de toekomst aandrijven.
De boot Energy Observer vaart op waterstof, die wordt geproduceerd met behulp van stroom uit zonnecellen op het dek.
Waterstof is ook CO2-neutraal.
De ‘uitstoot’ bij de verbranding ervan is dus gewone waterdamp.
Waterstof is overal
Al is waterstof het meest voorkomende element in het heelal, op aarde tref je het zelden in zuivere vorm aan. Meestal is het samen met andere elementen gebonden in grotere moleculen, zoals water, dat bestaat uit waterstof en zuurstof – H2O.
Gelukkig is er genoeg water op aarde om waterstof uit te halen, maar vloeibaar water kan niet zomaar worden gebruikt.
97 procent van het water op aarde is zout, en zout verstoort het proces waarbij water door elektriciteit wordt gesplitst in zijn bestanddelen – elektrolyse.
Als chloride-ionen in zout zich binden aan een elektrode in een apparaat, breken ze de elektrode langzaam af door corrosie.
Daarom wordt er gewerkt aan andere methoden. Zo had een onderzoeksteam in Australië een slim idee: laten we de lucht om ons heen benutten.
Droge lucht houdt vocht vast
Oceanen, rivieren en meren zijn niet de enige bronnen van water. Een vaak over het hoofd gezien, enorm reservoir van water is overal om ons heen: de lucht.
Op elk moment bevat de lucht van de aarde zo’n 12,9 biljoen ton water, en dit hangt niet alleen in de lucht in koude, natte gebieden. Zelfs in een woestijn als de Sahel in Noord-Afrika is de relatieve luchtvochtigheid ongeveer 20 procent.
En omdat de lucht enorm veel water opslaat, slaat het ook veel waterstof op, dus nu moeten we alleen nog een manier vinden om het gas eraan te onttrekken.
De lucht slaat enorm veel waterstof op
De atmosfeer bevat water, zelfs in de droogste delen op aarde. Het vocht in de lucht is een bron van waterstof, als er maar energie is om het gas te winnen. Veel droge gebieden hebben ook het grootste potentieel aan zonne- en windenergie (rode gebieden). In de droogste gebieden kunnen we dus de meeste waterstof winnen met hernieuwbare energie.
Dit idee bracht onderzoekers van The University of Melbourne tot een heel nieuw type apparaat.
Ze gingen op zoek naar een machine die midden in de woestijn kan worden opgesteld en waterstof kan produceren.
Water splitsen met groene stroom
Om midden in de woestijn waterstof te kunnen winnen, moeten we eerst het water uit de lucht zuigen en dat vervolgens splitsen in waterstof (H2) en zuurstof (O2).
Dit gebeurt meestal door een proces waarbij elektriciteit de watermoleculen uit elkaar trekt – elektrolyse.
Voor elektrolyse is echter veel energie nodig, en tot nu toe werd waterstof vooral geproduceerd met behulp van aardgas en steenkool – met een grote CO2-uitstoot.
Maar de onderzoekers uit Melbourne pakten de elektrolyse heel anders aan. Hun proefopstelling maakt gebruik van een windturbine met een spanwijdte van maar 25 centimeter, gekoppeld aan een spons met zwavelzuur die voortdurend water opzuigt uit de omringende lucht.
De door de windmolen opgewekte stroom wordt vervolgens gebruikt voor elektrolyse, waardoor waterstof en zuurstof naar verschillende elektroden in het kleine circuit trekken.
Het resultaat: waterstofbelletjes die in een klein badje stromen.
Zwavelspons is het hart van de waterstofmachine
1. Spons haalt vocht uit de lucht
De spons is zeer poreus en heeft dus een groot inwendig oppervlak om water in op te nemen. Hij wordt eerst in zwavelzuur (H2SO4) gelegd, dat watermoleculen uit de lucht bindt en ze vervolgens helpt afbreken.
2. Windturbine levert stroom
Een windmolen is verbonden met de positieve en negatieve elektroden van het apparaat, die rond de spons liggen die vocht uit de lucht haalt. Stroom van de windmolen in de vorm van elektronen met negatieve lading stroomt via de spons door het circuit.
3. Stroom scheidt water in waterstof en zuurstof
De positief geladen waterstofionen (H+) trekken naar de negatief geladen elektrode bovenaan en vormen samen waterstofmoleculen (H2), terwijl de zuurstofionen (O2-) in het water worden aangetrokken door de positief geladen elektrode onderin.
Het team wist waterstof te produceren bij een relatieve luchtvochtigheid van slechts 4 procent, waardoor het proces zelfs in de droogste regio’s kan werken.
Volgens de Australische onderzoekers kan hun uitvinding dus ook bijdragen aan een klimaatvriendelijke transitie in de energieproductie over de hele wereld, ook in woestijngebieden.
Windturbine blaast waterstofbellen
Onderzoekers van The University of Melbourne hebben aangetoond dat hun apparaat waterstof kan produceren met energie van een windmolen, zoals in deze video, of van zonnecellen.
Tijdens een proef produceerde een prototype waterstofmachine zo’n 745 liter waterstof per dag. Volgens het team is dat genoeg om de dagelijkse energiebehoefte van een huishouden te dekken.
Maar niet alleen hier op aarde kunnen we baat hebben bij het nieuwe apparaat. Raketten gebruiken ook al jaren waterstof en zuurstof, dus het apparaat kan ook helpen raketbrandstof te maken.
Het apparaat kan zelfs werken op een andere planeet – zolang er maar wind of zonlicht is om te benutten.
Op een planeet met waterdamp in de atmosfeer – zoals Mars, al is het maar een beetje – kunnen bemande ruimteschepen die op de planeet landen, in principe bij de waterstofmachine tanken.
Dus een kleine proefopstelling met een groene windturbine en een spons kan cruciaal blijken te zijn om astronauten een retourticket naar de aarde te geven.