Landbouw-PV-tomaten telen en tegelijkertijd waterstof produceren voor slimme ramen

Een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Exeter onderzocht een modulair, agrivoltaïsch-aangedreven waterstofproductieconcept voor huishoudens. Agrivoltaïsche zonnepanelen op het dak drijven een elektrolysator aan die waterstof produceert voor waterstofvoertuigen en voor geïsoleerde gasochrome slimme ramen. De ramen zijn een vorm van thermisch isolerend glas dat donker of helder wordt door omkeerbare reacties met waterstof en zuurstof, waardoor controle over licht en warmte mogelijk wordt.

"Dit onderzoek presenteert een nieuw gebouw-geïntegreerd energieconcept, dat landbouwvoltaïsche energie, waterstof, slimme gevels en mobiliteit met elkaar verbindt. Het biedt een fris perspectief op hoe gebouwen actieve, multifunctionele energiehubs kunnen worden, een idee dat steeds relevanter wordt voor toekomstige stedelijke energiesystemen", vertelde onderzoeker Aritra Ghosh aan pv magazine. "Hoewel het beperkte dakoppervlak uiteraard de totale waterstofproductie beperkt, ligt de waarde van het concept in de systeemintegratie en nieuwheid ervan, in plaats van grootschalige productie."

Met behulp van meerdere softwaretools simuleerde het team een ​​echt woonhuis met twee- verdiepingen in Birmingham, Engeland. Het gebouw heeft een totale vloeroppervlakte van ongeveer 142,7 vierkante meter, een hoogte van 4,8 meter en een dakoppervlak van 55 vierkante meter dat beschikbaar is voor agrivoltaïsche energie. Het omvat 16 ramen verdeeld over negen thermische zones. Birmingham ervaart gematigde extreme temperaturen, met piektemperaturen in de zomer van ongeveer 21 graden Celsius en minimumtemperaturen in de winter rond de 1 graad.

Op het platte dak werden twaalf zonnepanelen geïnstalleerd in drie configuraties: verticaal, koepel-vormig met een helling van 20 graden of een geoptimaliseerde helling van 30 graden. Elke configuratie werd getest met monofaciale modules van 600 W of bifaciale modules van 605 W. Onder de panelen werden tomaten gekweekt, waarvoor zes tot acht uur direct zonlicht per dag en nachttemperaturen van ongeveer 13 graden nodig waren.

Een elektrolyseur van 7 kW met een rendement van 88% werd gebruikt om waterstof te produceren uit de zonne-energie. De waterstof werd gemodelleerd voor drie toepassingen: het van brandstof voorzien van een Toyota Mirai uit 2017, het aandrijven van de gasochrome ramen, of beide. De prestaties van vacuüm-gasochroomramen werden ook vergeleken met dubbel-beglazing, elektrochromisch en standaard gasochroomalternatieven.

"Met behulp van een dakoppervlak van 55 m2 kon het systeem voldoende waterstof produceren om te voldoen aan de jaarlijkse vraag naar slimme beglazing, die werd berekend op slechts 52,56 gram per jaar", aldus Ghosh. "Bovendien, wanneer de waterstofproductie wordt beoordeeld in termen van mobiliteit, zou hetzelfde daksysteem - met behulp van een bifaciale PV-configuratie, gekanteld op 30 graden, theoretisch tot 64,23 km rijden per dag kunnen ondersteunen. Deze schatting is gebaseerd op de prestaties van een Toyota Mirai uit 2017, die een waterstoftankcapaciteit van 5,6 kg heeft."

Uit de resultaten bleek dat het tweezijdige systeem met een kanteling van 30-graden de meeste elektriciteit genereerde, namelijk 7.919 kWh per jaar, terwijl de monofaciale configuratie van 30-graden de laagste genivelleerde elektriciteitskosten opleverde, namelijk GBP 0,061 ($0,082)/kWh. De tomatenopbrengsten waren consistent in alle configuraties, namelijk 0,31 kg per vierkante meter. Van de beglazingsopties bereikten vacuümgasochroomramen de beste thermische prestaties, met een U-waarde van 1,32 W per vierkante meter Kelvin, maar met een grotere dikte van 24,62 mm.

"Hoewel de absolute waterstofvolumes bescheiden zijn, laten de resultaten zien hoe kleine dakoppervlakken meerdere waterstoftoepassingen op bouw-schaal kunnen ondersteunen, waardoor het potentieel van modulaire, lokale PV-waterstofsystemen wordt versterkt", aldus Ghosh. “De impact van agrivoltaïsche energie op woningisolatie en het optimale gebruik van de geproduceerde waterstof voor woningverwarming zal het doel zijn van ons verdere onderzoek.

De resultaten zijn gepubliceerd in Energy and Buildings onder de titel "Agrivoltaïsch aangedreven waterstofproductie op het dak op locatie voor geïsoleerde gasochrome slimme beglazing en waterstofvoertuigen: een holistische benadering van duurzame woningbouw."