Rijksuniversiteit Groningen Archieven - Utilities

Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen en NHL Stenden Hogeschool ontwikkelden een polymeermembraan uit biobased appelzuur. Het superamfibisch vitrimere epoxyhars membraan scheidt water en olie en is volledig recyclebaar. Wanneer de poriën verstopt zijn door verontreinigingen, kan het worden gedepolymeriseerd, gereinigd en vervolgens tot een nieuw membraan worden geperst.

Superamfibische membranen, die zowel van olie als van water houden, zijn een veelbelovende oplossing voor het opruimen van olievlekken op water. Helaas zijn deze membranen  vaak niet robuust genoeg voor gebruik buiten de laboratoriumomgeving. Bovendien kunnen de membraanporiën dichtslibben door aangroei van algen en zand. Chongnan Ye en Katja Loos van de Rijksuniversiteit Groningen en Vincent Voet en Rudy Folkersma van NHL Stenden gebruikten een relatief nieuw type polymeer om een membraan te maken dat zowel sterk als gemakkelijk te recyclen is.

De wetenschappers maken het nieuwe vitrimeer membraan door polymeren uit het natuurlijke monomeer appelzuur te persen en sinteren. Dit membraan kan worden gerecycled door het te malen en vervolgens te persen en te sinteren.

Dynamisch netwerk

Vitrimeerplastics zijn polymeren met de mechanische eigenschappen en chemische resistentie van een thermohardende kunststof. Vitrimeer-kunststoffen kunnen zich echter ook gedragen als een thermoplast, omdat ze kunnen worden gedepolymeriseerd en hergebruikt. Dit betekent dat een vitrimeer kunststof alle kwaliteiten bezit om een goed membraan te vormen voor de sanering van olielekken.

De polymeren in het vitrimeer zijn op een omkeerbare manier verknoopt’, legt Voet uit. Ze vormen een dynamisch netwerk, dat recycling van het membraan mogelijk maakt.’ De wetenschappers produceren het vitrimeer via basegekatalyseerde ringopeningspolymerisatie tussen appelzuur en epoxy-gemodificeerd appelzuur.

Poriën

Zowel water als olie verspreiden zich over het resulterende superamfibisch membraan. Bij een olieramp is veel meer water aanwezig dan olie. Het overvloedig aanwezige water bedekt het membraan en passeert  vervolgens door de poriën. Voet: ‘De waterfilm aan het oppervlak van het membraan houdt de olie uit de poriën en scheidt deze van het water.’

Het membraan is stevig genoeg om olie uit het water te filteren. Als zand en algen de poriën verstoppen, kan het membraan na verwijdering van de verontreinigingen worden gedepolymeriseerd. Daarna kan men van de bouwstenen een nieuw membraan maken. ‘We testten dit op laboratoriumschaal van enkele vierkante centimeters’, zegt Loos. ‘En we zijn ervan overtuigd dat onze methoden schaalbaar zijn. Zowel voor de polymeer-synthese als voor de productie en recycling van het membraan.’ De wetenschappers hopen dat een industriële partner de verdere ontwikkeling op zich zal nemen.

Toepassingen

Het maken van dit nieuwe membraan voor olielekkagesanering toont de kracht van samenwerking tussen een onderzoeksuniversiteit en een toegepaste universiteit. Loos: ‘Een tijdje geleden besloten we dat de polymeergroepen van de twee instituten één moesten worden. Door studenten, staf en faciliteiten te delen. We startten onlangs de eerste hybride onderzoeksgroep in Nederland. Dat maakt het makkelijker om toepassingen te vinden voor nieuw ontworpen materialen. Voet: ‘Polymeerchemici streven ernaar moleculaire structuren te koppelen aan materiaaleigenschappen en toepassingen. Ons hybride onderzoeksteam heeft de ervaring om precies dat te doen.’

Groen waterstof is pas rendabel wanneer de prijs van aardgas langdurig hoog is. Bovendien moeten bedrijven dan over hun aardgasgebruik een hogere heffing gaan betalen. En hernieuwbare stroom moet beduidend goedkoper zijn dan nu. Dat stellen onderzoekers van de Rijks Universiteit Groningen.

In veel plannen voor het klimaatbeleid speelt groen waterstof een belangrijke rol. Machiel Mulder, Jose Luis Moraga en Peter Perey van de Rijksuniversiteit Groningen onderzochten daarom de economische voorwaarden waaronder het kan worden geproduceerd en verhandeld. Volgens de onderzoekers is het gunstig wanneer overheden hun klimaatbeleid intensiveren en de mondiale gasvraag toeneemt. Bijvoorbeeld wanneer aardgas steeds meer kolen verdringt.

Twintig euro

De ontwikkeling van groene waterstof is ook gebaat bij goedkopere elektriciteit. Er is immers veel stroom nodig om waterstof via elektrolyse uit water te maken.  Mulder en zijn collega’s berekenden dat groene waterstof pas rendabel is wanneer de verwachte prijs voor elektriciteit de komende decennia lager is dan twintig euro per megawattuur. De afgelopen tien jaar is de prijs echter nooit zo laag geweest: gemiddeld bedroeg de prijs van elektriciteit 45 euro per megawattuur.

Vaak wordt gesteld dat de elektriciteitsprijs in de toekomst zal dalen vanwege het groeiende aanbod hernieuwbare energie van windmolens en zonnepanelen. Mulder, hoogleraar Regulering van Energiemarkten aan de RUG, zet vraagtekens bij die verwachtingen. ‘Investeringen in hernieuwbare energie worden alleen gedaan wanneer de stroomprijzen voldoende hoog zijn om ze terug te verdienen. De stroomprijs zal op langere termijn dus niet lager worden dan het niveau dat nodig is om die investeringen terug te verdienen. Het zal heel lastig zijn om langdurig omstandigheden te creëren die gelijktijdig gunstig zijn om groene waterstof te laten groeien en hernieuwbare elektriciteitsproductie te stimuleren. Voor dat eerste zijn regelmatig lage stroomprijzen nodig, voor het laatste juist regelmatig hoge stroomprijzen.’

Google

Het maken van groene waterstof met Nederlandse groene stroom is nóg duurder, concluderen de onderzoekers. Mulder: ‘Om Nederlandse groene stroom te kunnen gebruiken, moet je certificaten kopen van producenten die in Nederland groene stroom opwekken. De prijs daarvan loopt de laatste jaren op, omdat veel bedrijven en huishoudens graag Nederlandse groene stroom gebruiken. Denk aan de NS of Google in de Eemshaven. Groene waterstofproductie concurreert dus met diverse andere grote stroomgebruikers om hernieuwbare stroom en dat drijft de prijs alleen maar op.’

Dilemma

Mulder, Moraga en Perey wijzen op een dilemma in het klimaatbeleid. Voor een doelmatig klimaatbeleid moet de prijs voor CO2-uitstoot omhoog. Stijgende CO2-prijzen betekenen dat de stroomprijzen voorlopig ook omhoog gaan, omdat de stroomprijs grotendeels nog wordt bepaald door de kosten van gascentrales (waaronder de prijs van CO2-uitstoot). Dat is gunstig voor investeringen in hernieuwbare energie, maar ongunstig voor de productie van groene waterstof. Mulder: ‘Doelmatig klimaatbeleid in de vorm van hogere CO2-prijzen verslechtert op korte termijn de positie van groene waterstof. Alleen wanneer die hogere stroomprijzen leiden tot meer investeringen in hernieuwbare elektriciteitsproductie, is dit op langere termijn gunstig voor groene waterstof.’

Op zee

Onlangs presenteerden netbeheerder TenneT en de Gasunie een rapport over de rol die waterstof kan spelen om stroom vanaf windparken op zee naar het vaste land te transporteren. Centraal staat het idee dat het voordelig is om stroom op zee meteen in waterstof om te zetten, en de waterstof daarna via de bestaande gaspijpleidingen naar het vaste land te brengen. Daarmee zouden veel kosten kunnen worden bespaard die anders nodig zijn om het stroomnetwerk uit te breiden. De onderzoekers schatten echter dat die voordelen onvoldoende groot zijn om dergelijke projecten rendabel te maken. Mulder: ‘Omdat je op zee alleen waterstof kunt maken wanneer het waait, is de bezettingsgraad van de waterstofinstallaties laag. Dat is slecht voor de economische efficiëntie. Deze methode wordt pas rendabel als de investeringskosten van zowel elektrolyse als hernieuwbare stroom fors zijn gedaald.’

Afrika

Er wordt wel gesteld dat het gunstiger zou zijn om groene waterstof in Noord-Afrika te maken, omdat daar de zon overvloedig schijnt en de stroom goedkoop is. Uit het onderzoek van Mulder, Perey en Moraga blijkt echter dat de kosten om de waterstof naar Nederland te transporteren zo hoog zijn, dat het voordeel van de lagere productiekosten teniet wordt gedaan. Uit hun berekeningen volgt dat de stroom in Noord-Afrika vrijwel gratis moet zijn, en dat op hetzelfde moment in Nederland een CO2-prijs van zo’n 100 euro/ton zou moeten gelden, om de kosten van de geïmporteerde groene waterstof gelijk te maken aan die van blauwe waterstof uit Nederland.

Blauw waterstof

Wanneer de condities voor groene waterstof ongunstig zijn, is blauwe waterstof volgens de onderzoekers mogelijk een alternatieve manier om de CO2-uitstoot te verminderen. Daarbij wordt waterstof traditioneel uit aardgas gemaakt, waarna de CO2 wordt afgevangen en ondergronds opgeslagen. Bij lage gasprijzen zijn de kosten van blauwe waterstof ook lager. Bij een CO2-prijs van minimaal 30 euro is het bovendien rendabel om de CO2, die vrijkomt bij de productie van waterstof uit aardgas, op te vangen en op te slaan. Blauwe waterstof is dan goedkoper dan de zogenoemde grijze waterstof, waarbij de CO2 niet wordt opgevangen. Mulder: ‘Ook voor blauwe waterstof geldt dat hogere belastingen op het gebruik van aardgas door de industrie nodig zijn om het een aantrekkelijk alternatief te laten zijn. Ook blauwe waterstof is dus alleen kansrijk wanneer er een streng klimaatbeleid wordt gevoerd.’

Zelfs wanneer de condities gunstig zijn, ontstaat nog niet vanzelf een markt voor waterstof. Bij het transport van waterstof is sprake van een natuurlijk monopolie, net zoals bij het transport van aardgas en elektriciteit. ‘Het beheer van een waterstofnetwerk zal daarom gereguleerd moeten worden’, zegt Mulder. ‘Om de handel in waterstof te bevorderen zal daarnaast gewerkt moeten worden aan standaardisering van de producten en het vergroten van transparantie over de herkomst van de waterstof via een systeem van certificering.’

Een internationaal consortium onder leiding van de Groningse chemisch ingenieur Erik Heeres ontving vier miljoen euro aan financiering van het Horizon2020-onderzoeksprogramma van de Europese Unie om een ​​nieuwe, efficiëntere methode te ontwikkelen voor de productie van vloeibare brandstoffen uit biomassa. Het idee is om biomassa op te lossen in vloeibare zouten om de efficiëntie van pyrolyse te verhogen. Binnen vier jaar zou het nieuwe proces in het lab moeten werken.

Het duurt duizenden, zo niet miljoenen jaren voordat organisch materiaal door natuurlijke processen in aardolie is omgezet. Het is echter mogelijk om dit materiaal in enkele minuten tot olie om te vormen met behulp van pyrolyse. De eerste commerciële pyrolyse-oliefabriek werd onlangs in Enschede geopend en draaide vijf ton biomassa in drie ton olie per uur. Verdere verfijning van het proces zou vloeibare brandstoffen zoals benzine of diesel uit deze olie kunnen produceren.

‘Maar er zijn nog steeds nadelen aan het omzetten van organisch materiaal in vloeibare brandstoffen’, zegt Erik Heeres, hoogleraar Green Chemical Reaction Engineering aan de Rijksuniversiteit Groningen. De efficiency van dit proces kan volgens Heeres worden verbeterd. Een deel van de koolstof in de biomassa komt bijvoorbeeld terecht als onbruikbare teer- en gasfasecomponenten. ‘Bovendien is het proces niet erg geschikt voor het omzetten van lignine, het op één na meest voorkomende biomassapolymeer, omdat dit smelt wanneer het de pyrolytische reactiekamer binnengaat en het transportsysteem dat de reactor voedt verstopt.’

Zouten

In samenwerking met negen partners uit de academische wereld, de industrie en onderzoeksorganisaties, bedacht Heeres een mogelijke manier om het hele conversieproces te verbeteren: ‘De eerste stap zal zijn om het organische materiaal in vloeibare zouten op te lossen. Dit maakt het gemakkelijker om het in een reactiekamer te pompen. “Bovendien kan vloeistof gemakkelijker en sneller worden verwarmd dan vaste stoffen, dus dit zal het pyrolytische proces helpen: ‘We verwachten dat dit de koolstofopbrengst zal verhogen. En de zouten kunnen katalytische eigenschappen hebben, die ook de efficiëntie kunnen verhogen en de producteigenschappen kunnen verbeteren, mogelijk bij een lagere temperatuur. ‘

Tijdens de pyrolyse wordt de olie geproduceerd als een damp en vervolgens gecondenseerd in een vloeistof voor de volgende stap in het proces – een waterstofbehandeling die het zuurstofgehalte verlaagt en de koolwaterstoffen omzet in kortere ketens: ‘In ons voorstel voegen we de waterstof toe tijdens de pyrolyse, dus de behandeling gebeurt in de gasfase. Nogmaals, we verwachten dat dit efficiënter zal zijn. De waterstofbehandeling vindt plaats onder hoge druk, wat geen probleem is wanneer de reactor wordt gevoed met vloeibaar gemaakt organisch materiaal. Maar het zou heel moeilijk zijn als je het vaste stoffen zou geven.’

Kerosine

Als al deze verbeteringen werken zoals verwacht, zal het proces zeer efficiënt zijn en hoge kwaliteit koolwaterstoffen van ongeveer tien tot zestien koolstofatomen opleveren: ‘Deze zouden verder kunnen worden verfijnd in standaardapparatuur voor de productie van benzine, diesel of zelfs kerosine.’ een uitdaging, legt Heeres uit: ‘De luchtvaartindustrie heeft om voor de hand liggende redenen zeer strikte richtlijnen voor de kwaliteit van kerosine. Met behulp van conventionele pyrolyse-technologie is het moeilijk om aan deze vereisten te voldoen. Maar we hebben er rustig vertrouwen in dat we met onze methode biomassa in kerosine kunnen veranderen. ‘

De vloeibare zouttechnologie en alle andere verfijningen zouden zowel de opbrengst als de kwaliteit van de pyrolytische olie moeten verbeteren: “Idealiter willen we dat elk koolstofatoom in ons uitgangsmateriaal wordt omgezet in vloeibare brandstof”, zegt Heeres. Over vier jaar moet een productiesysteem van een laboratoriumtafel het bewijs leveren van het principe: ‘We weten niet of dit haalbaar is, maar we hebben goede hoop dat dit uiteindelijk een commercieel levensvatbaar systeem zal worden.’

RUG hoogleraren Machiel Mulder en José Luis Moraga González ontdekten dat elektrische verwarming en elektrisch transport de gasvraag nauwelijks tempert. De elektriciteit zal namelijk grotendeels worden opgewekt door gascentrales. Energiebesparing en warmtenetten bieden meer soelaas, of heel veel meer hernieuwbare energiebronnen.

Overstappen op elektrisch verwarmde huizen en transport via elektrisch aangedreven vervoermiddelen zijn twee belangrijke maatregelen om de CO2-uitstoot in Nederland terug te dringen en ons land minder afhankelijk te maken van fossiele energie zoals het Groningse aardgas. Dat zal leiden tot een sterke toename van de vraag naar elektriciteit. In het meest vooruitstrevende scenario van volledige elektrificatie van verwarming en transport komt dat neer op een stijging van 50 procent in 2050. Een behoefte waarin ons land paradoxaal genoeg juist door gascentrales zal moeten worden voorzien.

Dat concluderen hoogleraren Machiel Mulder en José Luis Moraga González van de Rijksuniversiteit Groningen in een onderzoek in opdracht van het Centre on Regulation in Europe. ‘Onze bevindingen vormen een nieuw geluid in het debat over de energietransitie’, stellen de auteurs. ‘Alle ambitieuze doelstellingen op het gebied van duurzame energie via zon en wind zullen bij lange na niet voldoende zijn om de groei in de elektriciteitsvraag bij te houden. Omdat Nederland in 2030 kolencentrales gaat sluiten, er geen kerncentrale bijkomt en onze buurlanden met hetzelfde probleem zitten, is het tevens onmogelijk om meer elektriciteit te importeren. De consequentie is dat we veel meer stroom met gascentrales zullen moeten opwekken.’

Ambities

Mulder en Moraga González gebruikten een onderzoeksmethode die afwijkt van veel andere studies, omdat zij in beeld wilden brengen hoe de feitelijke ambities voor duurzame energie, elektrificatie en het gebruik van gas zich tot elkaar verhouden. ‘Wij hebben ons gebaseerd op de huidige situatie van het energiesysteem en de feitelijke overheidsambities op het gebied van elektrificatie (het gebruik van fossiele energie vervangen door elektriciteit) en energietransitie (het opwekken van fossiele energie vervangen door duurzame energie). Die ambities hebben we doorgerekend tot 2050. Veel andere studies vertrekken bij de doelstellingen voor emissiereductie en rekenen dan terug om te bepalen wat nodig is.’

Gasbehoefte blijft stijgen

De vraag naar gas zal nog tot 2030 toenemen, becijferen de onderzoekers. En zelfs in 2050 zal de totale Nederlandse gasconsumptie nog altijd ongeveer 30 miljard m3 zijn, waar die op dit moment circa 40 miljard m3 bedraagt. Doordat na 2030 geen gas meer wordt geproduceerd in Groningen en de overige kleine gasvelden tegen die tijd ook langzamerhand uitgeput raken, wordt ons land steeds afhankelijker van de import van gas.

Synthetisch gas maken niet efficiënt

Mulder: ‘Een veel gehoorde oplossing is dat Nederland zijn eigen gas moet gaan maken via elektrolyse. Daar heb je echter ook elektriciteit voor nodig. Als we elektriciteit gaan gebruiken om gas te maken, hebben we nog meer gascentrales nodig om elektriciteit te maken. Dat is uiteraard niet efficiënt.’

Warmtenetten

Het verminderen van de energiebehoefte in woningen is een belangrijke optie om de vraag naar gas te beteugelen, stellen de onderzoekers. Mulder: ‘Daarnaast biedt het aanleggen van warmtenetten goede mogelijkheden. We hebben in ons onderzoek ook een scenario doorgerekend waarin we uitgaan van maximale inzet van warmtenetten die gebruik maken van restwarmte van bijvoorbeeld zware industrie en gascentrales. Dan komen we uit op een ongeveer twintig procent lagere gasvraag, bovendien tegen lagere kosten per ton CO2-reductie. Een andere optie is om nog veel meer duurzame energie op te wekken. De huidige doelstellingen zijn echter al behoorlijk ambitieus, dus dat is makkelijker gezegd dan gedaan.’