STH-efficiëntie: hoeveel zonlicht wordt echt waterstof?
Als je op zoek gaat naar groene waterstof, kom je vroeg of laat de term STH-efficiëntie tegen. STH staat voor solar-to-hydrogen, oftewel "zon-naar-waterstof". Het is een percentage dat aangeeft hoeveel van de zonne-energie die op een apparaat valt, uiteindelijk wordt omgezet in chemische energie die is opgeslagen in waterstofgas. Hoe hoger dat percentage, hoe efficiënter het systeem zonlicht benut om waterstof te maken.
Een vergelijking maakt het concreet. Het rendement van een gewoon zonnepaneel geeft aan welk deel van het invallende zonlicht wordt omgezet in elektriciteit; bij de beste commerciële panelen is dat grofweg 20 tot 23 procent. STH-efficiëntie is het equivalent daarvan, maar dan voor een systeem dat zonlicht direct omzet in een brandstof: waterstofgas. Een STH-efficiëntie van 10 procent betekent dat van elke 100 joule zonne-energie die op het apparaat valt, 10 joule wordt opgeslagen in de chemische bindingen van geproduceerde waterstof.
Wat is het precies?
Waterstof maken uit zonlicht gebeurt in de kern via elektrolyse: water (H₂O) wordt met behulp van elektrische stroom gesplitst in waterstof (H₂) en zuurstof (O₂). De meest gangbare route is indirect: een zonnepaneel wekt elektriciteit op, die vervolgens naar een aparte elektrolyser gaat die het water splitst.
STH-efficiëntie wordt echter meestal gebruikt voor een meer geïntegreerde aanpak: fotoelektrochemische cellen (PEC-cellen). Dit zijn apparaten met speciale halfgeleidermaterialen die, wanneer ze worden beschenen door zonlicht, zelf de elektrische lading opwekken die nodig is om water te splitsen, zonder dat daar een aparte elektrische stap voor nodig is. Zonlicht en waterstofproductie vinden dus in hetzelfde apparaat plaats.
De formule achter STH is in woorden eenvoudig: je deelt de chemische energie die is opgeslagen in de geproduceerde waterstof (de hoeveelheid waterstofgas maal de energie-inhoud daarvan) door het vermogen van het invallende zonlicht. Om metingen onderling vergelijkbaar te maken, gebeurt dit altijd onder een gestandaardiseerd zonlichtspectrum, aangeduid als AM1.5, wat overeenkomt met de intensiteit en samenstelling van zonlicht op een gemiddelde plek op aarde op een heldere dag.
Een belangrijke nuance, waar onderzoekers scherp op letten: een STH-waarde telt alleen als het systeem "unassisted" werkt, dus zonder dat er van buitenaf extra elektrische spanning wordt bijgeleverd. Sommige laboratoriumresultaten gebruiken zo'n externe hulpspanning om de reactie op gang te houden; die getallen zijn dan geen eerlijke STH-waarde, ook al lijken ze op papier indrukwekkend.
Al sinds de late jaren negentig geldt in de sector ruwweg 10 procent STH-efficiëntie als de drempel waarboven directe zonne-waterstofproductie economisch interessant zou kunnen worden. Dit richtgetal wordt vaak toegeschreven aan onderzoeker John Turner van het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL), al lopen bronnen uiteen over het precieze jaar waarin dit voor het eerst als benchmark werd voorgesteld.
Wat wil men ermee bereiken?
Waterstof is aantrekkelijk als energiedrager omdat het, anders dan elektriciteit, relatief eenvoudig op te slaan en te transporteren is, en omdat het als grondstof of brandstof kan dienen in sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals staalproductie, scheepvaart en de chemische industrie. "Groene" waterstof, gemaakt met hernieuwbare energie in plaats van aardgas, is daarbij het doel.
De gangbare manier om groene waterstof te maken is via de indirecte route: eerst zonne- of windstroom opwekken, die vervolgens naar een elektrolyser sturen. Dat werkt, maar vraagt twee aparte, dure installaties. Het idee achter directe solar-to-hydrogen technologie is dat je die twee stappen combineert in één apparaat, wat in theorie goedkoper en compacter kan zijn.
Efficiëntie is daarbij cruciaal, simpelweg omdat zonlicht een verdunde energiebron is: er valt maar een beperkte hoeveelheid vermogen per vierkante meter op aarde. Hoe hoger de STH-efficiëntie van een systeem, hoe minder oppervlakte aan zonnecollectoren nodig is om een bepaalde hoeveelheid waterstof te produceren. Dat scheelt materiaal, ruimte en dus kosten, iets wat vooral relevant wordt als deze technologie ooit op grote schaal moet worden uitgerold.
Voorbeelden uit de praktijk
De techniek is grotendeels nog experimenteel, maar er zijn wel degelijk concrete projecten die laten zien waar de sector staat.
Aan de KU Leuven in België ontwikkelde de onderzoeksgroep van chemicus Johan Martens een "zonnepaneel dat waterstof maakt": een paneel dat vocht uit de lucht opneemt en dit met zonlicht rechtstreeks omzet in waterstofgas. In gepubliceerd onderzoek rond 2019-2021 rapporteerde de groep buiten, onder reële weersomstandigheden, STH-efficiënties in de orde van 15 procent voor kleinschalige testopstellingen, een van de hogere waarden die ooit buiten het laboratorium zijn gemeten. Voor exacte cijfers en meest actuele resultaten is het gepubliceerde onderzoek de beste bron.
Bij NREL in de Verenigde Staten zijn in laboratoriumomgeving nog hogere STH-waarden gehaald met zogeheten multijunction PEC-cellen, opgebouwd uit gestapelde III-V-halfgeleidermaterialen (dezelfde dure, hoogwaardige materialen die ook in ruimtevaart-zonnepanelen worden gebruikt). Hier zijn in de loop der jaren waarden ruim boven de 10 procent, en in sommige gepubliceerde experimenten zelfs richting 20 procent gerapporteerd, al gaat het om kleine, kostbare labcellen met beperkte levensduur.
In China werkt het Dalian Institute of Chemical Physics aan een andere aanpak: fotokatalytische deeltjes die vrij in water zweven, in plaats van vaste elektroden. Deze route is potentieel veel goedkoper omdat er geen dure elektroden nodig zijn, maar haalt doorgaans lagere STH-efficiënties, meestal in de enkele procenten. Het instituut heeft desondanks grootschalige buitentesten uitgevoerd op oppervlaktes van honderden vierkante meters, wat vooral relevant is om te bewijzen dat opschaling mogelijk is.
In Japan bouwde de groep van Kazunari Domen, verbonden aan onder meer de Universiteit van Tokio, mee aan een van de grootste veldtests met fotokatalytische panelen wereldwijd, eveneens gericht op deeltjes- of paneelsystemen op grote oppervlakte in plaats van hoogefficiënte maar dure laboratoriumcellen.
In Nederland is het bedrijf HyET Solar actief met dunnefilm-zonnetechnologie die kan worden gekoppeld aan waterstofproductie, onderdeel van een breder Nederlands en Europees onderzoeksveld naar geïntegreerde zonne-waterstofsystemen.
Hoe ver is de techniek?
Op laboratoriumschaal is het 10 procent-benchmark inmiddels meerdere keren gehaald en zelfs overtroffen, wat aantoont dat de fysica geen onoverkomelijk obstakel is. Toch is er een groot verschil tussen een record in een gecontroleerde labomgeving gedurende enkele uren, en een systeem dat jarenlang buiten, in weer en wind, betrouwbaar waterstof produceert.
Stabiliteit is op dit moment het grootste knelpunt. Veel van de best presterende materialen corroderen (roesten of lossen chemisch op) in het waterige milieu waarin ze moeten werken, waardoor prestaties na uren tot weken merkbaar terugvallen. Voor commerciële toepassing wordt vaak een levensduur van vele duizenden bedrijfsuren als vereiste genoemd, een orde van grootte die de meeste hoogefficiënte laboratoriumcellen nog niet aantoonbaar halen.
Daarnaast spelen kosten een rol: de hoogste STH-waarden worden vaak gehaald met zeldzame of dure materialen, zoals de III-V-halfgeleiders bij NREL of platina-achtige katalysatoren. Goedkopere materialen, zoals metaaloxiden, zijn duurzamer betaalbaar te produceren maar presteren doorgaans (nog) minder goed.
Belangrijk om eerlijk te zijn over de context: de indirecte route, dus apart zonnepaneel plus losse elektrolyser, is op dit moment praktisch gezien vaak concurrerender en dichter bij grootschalige toepassing dan directe solar-to-hydrogen systemen. Directe STH-technologie blijft daarom vooralsnog vooral een onderzoeksveld, met potentieel op de langere termijn maar zonder harde garantie op commercieel succes. Wanneer, of zelfs of, deze technologie ooit de indirecte route inhaalt, is onder onderzoekers nog geen uitgemaakte zaak.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn het National Renewable Energy Laboratory (NREL) en het Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), verbonden aan Caltech, toonaangevende onderzoekscentra op dit gebied, met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) via het Hydrogen Program.
In Europa vormen de KU Leuven (België), de EPFL in Lausanne (Zwitserland) en Nederlandse technische universiteiten zoals TU Delft en TU Eindhoven belangrijke onderzoeksknooppunten, vaak met steun van Europese onderzoeksprogramma's.
In Azië zijn Japan, via onderzoeksgroepen rond Kazunari Domen, en China, met instituten als het Dalian Institute of Chemical Physics, zeer actief, met name op het gebied van fotokatalytische deeltjessystemen en grootschalige veldtests.
Op bedrijfsniveau is de sector nog klein en vooral onderzoeksgedreven; in Nederland is HyET Solar een van de partijen die zonnetechnologie en waterstofproductie probeert te combineren. Internationale coördinatie en kennisdeling verlopen mede via samenwerkingsverbanden zoals het Hydrogen Technology Collaboration Programme van het Internationaal Energieagentschap (IEA).