TU Eindhoven Archieven - Utilities

Voor grootschalige energieopslag is de redox-flowbatterij veelbelovend. Een team onderzoekers van de TU Eindhoven, DIFFER en MIT ontwikkelde een compleet nieuwe electrode met honingraat-poriën die de elektrochemische reactie verbetert. Het materiaal maakt de batterij efficiënter en breder inzetbaar voor verschillende toepassingen. Bovendien kan men het nieuwe membraan makkelijker, goedkoper en op grote schaal produceren.

Batterijen werken op redoxreacties; moleculen die elektronen uitwisselen. De reductor verliest een elektron waarna de oxidator een elektron absorbeert. In het geval van een batterij zijn ze gescheiden van elkaar. Het resulterende ladingsverschil creëert een stroom van elektronent.

Hoewel redox-flow-batterijen veelbelovend zijn, zijn de kosten nog te hoog voor grootschalige toepassing. Onderzoekers van de TU/e en DIFFER werkten samen met MIT-wetenschappers aan het ontwerp van nieuwe elektroden om de efficiëntie van dit type batterij te verhogen.

Stroomsnelheid én reactieoppervlak

Hoe sneller de elektronen stromen, hoe meer elektriciteit de batterij genereert. De elektrode van een redox-flowbatterij heeft daarom een poreuze structuur. Hoofdonderzoeker Antoni Forner-Cuenca van de TU/e: ‘Hoe groter de poriën, hoe makkelijker het elektrolyt er doorheen kan stromen en hoe lager het drukverlies. Maar als de poriën te groot zijn, doen we afstand van het grote oppervlak. Idealiter wil je dus een hoge stroomsnelheid én een groot reactieoppervlak.’

Op dit moment gebruiken redox-flowbatterijen conventionele koolstofvezelelektroden. Deze zijn ontworpen voor lage temperatuur brandstofcellen. Maar deze elektroden zijn complex en duur om te produceren. Het productieproces maakt het bovendien moeilijk om de driedimensionale structuur van de poriën aan te passen aan de gewenste toepassing.

Forner-Cuenca: ‘We moesten terug naar de tekentafel om een beter presterende elektrode te ontwikkelen. Het ontwerp en de keuze van de materialen is daarbij volledig heroverwogen en verbeterd. Geïnspireerd door de membraanwetenschap en -technologie gebruikten we polymeerfasescheiding om de elektrodestructuur te kunnen controleren.

We beginnen daarbij met een vloeibare oplossing en twee polymeren. Door het materiaal onder te dompelen in water, krijg je een poreuze structuur. Eén van de polymeren lost namelijk op. Door te spelen met de samenstelling, het oplosmiddel, de temperatuur en andere parameters kunnen we de poreuze structuur van de elektrode zo nauwkeurig regelen. Het waren deze inzichten die de basis vormden voor ons nieuwe ontwerp.’

Eenvoudiger en goedkoper

Na talloze computersimulaties én experimenteel werk wisten de onderzoekers een materiaal te ontwikkelen waarbij de poriegrootte en -vorm in de elektrode gemakkelijk kunnen worden aangepast. Dat kan door de hoeveelheden oplosmiddel en polymeren te variëren. Forner-Cuenca: ‘Het fabricageproces van ons nieuwe materiaal is veel eenvoudiger en goedkoper. Daarbij biedt het een grotere veelzijdigheid en is het gemakkelijker op te schalen. Het toont aan dat het wel degelijk mogelijk is om een elektrode te maken met zowel een gunstig bulk-elektronentransport als een groot reactieoppervlak.’

Honingraat

Eén van de ontwikkelde structuren bleek een schot in de roos: een ‘honingraat’-elektrode met een zeer veelbelovende combinatie aan grote en kleine poriën. Dat maakt deze structuur geschikt voor grootschalige energieopslag. De grote poriën garanderen de hoge stroomsnelheid, als ware het een snelweg. En de kleine poriën daartussen zorgen voor voldoende reactieoppervlak, de N-wegen.

Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) bouwden een kleine plasma-reactor die vloeibare kunstmest maakt met behulp van zon, water en lucht. ‘De installatie is eenvoudig, duurzaam en zeer efficiënt’, zegt TU/e-onderzoeker Fausto Gallucci. ‘We willen de reactor nu op de markt brengen, zodat hij beschikbaar komt voor boeren over de hele wereld.’

Stikstof is een van de drie belangrijkste macronutriënten die planten gebruiken om te groeien (naast fosfor en kalium). In 2015 werd ongeveer een op de twee mensen gevoed met voedsel dat werd geteeld met behulp van stikstofhoudende meststoffen. Dit aandeel zal de komende jaren nog verder toenemen. Hoewel kunstmest in de ontwikkelde wereld ruim voorhanden is, is het in ontwikkelingslanden een stuk minder gangbaar.

Niet-thermische plasma

De zogenaamde Leap Agri reactor maakt gebruik van plasmatechnologie. Plasma is de vierde toestand van de materie en bestaat uit geïoniseerde atomen en moleculen. Het plasma dat in de kunstmestfabriek wordt gebruikt is niet-thermisch. Terwijl de elektronen die de reactie aandrijven extreem hoge temperaturen bereiken, blijft het gas dat de reactie omringt relatief koel. Dit bespaart uiteraard energie. Het maakt plasmatechnologie een aantrekkelijk alternatief voor de traditionele manier om stikstof te produceren: het zogenaamde Haber-Bosch-proces. Daarvoor zijn zowel hoge druk als hoge temperaturen vereist. Het Haber-Bosch-proces verbruikt naar schatting 1 tot 2 procent van de totale energie in de wereld.

Stikstoffixatie

Om stikstofhoudende meststoffen te maken in een plasmareactor gebruikt men een proces dat bekend staat als stikstoffixatie. Dit is nodig omdat N2, een gas dat ruimschoots beschikbaar is in de lucht, chemisch inert is. Dit maakt het moeilijk voor planten om het te gebruiken. Stikstoffixatie lost dit probleem op. Het zet de stikstof (N2) uit de lucht om in NOx, dat op zijn beurt met zuurstof en water reageert tot nitraat (NO3-). Dit nitraat is een ingrediënt voor vloeibare meststof. Om het fixatieproces op gang te brengen, moeten de N2-moleculen eerst worden ‘geactiveerd’ via een elektrische lading. Dit verbreekt de bindingen die de stikstofatomen bij elkaar houden, waardoor een plasma ontstaat. In het geval van de Leap Agri-reactor levert een zonnepaneel de elektriciteit voor de plasmavorming, een goedkope, duurzame bron en ruim beschikbare bron in ontwikkelingslanden.

Hoewel de technologie ultramodern is, is de toepassing erg low-tech. ‘We stuurden onze plasmareactor naar het National Agricultural Research Organisation (NARO) in Uganda, die nog nooit met plasmatechnologie had gewerkt’, zegt Gallucci. ‘Ze konden binnen een maand kunstmest produceren. Ons systeem is kleinschalig, eenvoudig en zeer snel. Zodra je het aanzet, is het een kwestie van seconden voordat het kunstmest begint te produceren. Dat maakt het ook heel flexibel: je laat het alleen draaien als de zon schijnt en je kunstmest nodig hebt.’

Hoog nitraatgehalte

Het proces is zeer efficiënt: het levert een vloeibare meststof op met een hoog nitraatgehalte dat gemakkelijk door planten kan worden opgenomen. In Oeganda is een analyse gemaakt door NARO-onderzoekster Stella Kabiri, die deze meststof vergeleek met andere gangbare meststoffen op de plaatselijke markt. Daaruit bleek dat het nitraatgehalte circa 20 procent bedraagt. Dat is respectievelijk 14, 42 en 51 procentpunten hoger dan de vaste meststoffen ammoniumnitraat, NPK en Urea.

‘Op dit moment zijn de kosten van de minireactor nog vrij hoog (zo’n 70.000 euro). Maar Gallucci verwacht dat de prijs aanzienlijk zal dalen zodra hij op grotere schaal wordt geproduceerd.

Meer in het vat

Gallucci is samen met een aantal partners de TU/e-spin-off 4th State Technologies begonnen om de minireactor op de markt te brengen. Hij verwacht dat het apparaat binnen de komende drie tot vijf jaar beschikbaar zal zijn, nadat het noodzakelijke certificeringsproces is afgerond. De spin-off gaat ook andere veelbelovende toepassingen van plasmatechnologie onderzoeken, zoals het afvangen en hergebruiken van CO2 voor de chemische industrie.

Technische Universiteit Eindhoven steekt tien miljoen euro in de oprichting van een nieuw energie-instituut: het Eindhoven Institute for Renewable Energy Systems (EIRES). Dit maakte bestuursvoorzitter Robert-Jan Smits bekend tijdens de (virtuele) opening van het academisch jaar.

Smits: ‘De Brainport Regio Eindhoven heeft een fantastische hightech en maakindustrie, die kan helpen bij de energietransitie. Die krachten bundelen we in dit nieuwe instituut.’

EIRES werkt met vier onderzoeksprogramma’s: Chemistry for Sustainable Energy Systems, Engineering for Sustainable Energy Systems, Systems for Sustainable Heat en Systems Integration. Elk programma bundelt de kennis en expertise van twee of meer van de zes deelnemende faculteiten. Betrokken zijn: Applied Physics, Built Environment, Chemical Engineering & Chemistry, Electrical Engineering, Mechanical Engineering, en Industrial Engineering & Innovation Sciences.  De TU/e investeert de komende vijf jaar tien miljoen euro in het nieuwe instituut. En trekt vier nieuwe hoogleraren en elf nieuwe universitaire (hoofd-)docenten aan.

Opslag en conversie

‘Duurzame energie is mooi’, zegt Richard van de Sanden, wetenschappelijk directeur van EIRES, ‘maar het waait niet altijd als je het wil, en de zon schijnt ook niet altijd. Bovendien wil je energie soms in een andere vorm dan alleen stroom. Om te zorgen dat je altijd precies die energie krijgt waar en wanneer je hem nodig hebt, heb je slimme opslag en conversie nodig.

Met deze projecten proberen we antwoord te geven op de grootste uitdaging van de energietransitie: het gelijktijdig duurzaam maken van de energie-, transport- en chemische sector. Het gaat dus niet alleen over energie, maar ook over duurzame en hoogwaardige grondstoffen voor de chemie.’

EIRES zoekt de oplossing voor de klimaatcrisis nadrukkelijk niet grootschaligheid. ‘Juist door veel, kleine, slimme apparaten te maken, die gemakkelijk zijn te integreren in bedrijven of woningen, kun je snel leren en opschalen’, zegt Mark Boneschanscher, managing director van het nieuwe instituut. ‘Dat werkt veel beter dan grote kapitaalintensieve installaties. Wat ons betreft ligt de oplossing dus niet zozeer in grote afmetingen, maar in grote aantallen.’

Electrolyzer-consortium

Een goed voorbeeld van samenwerking is het Dutch Electrolyzer-consortium. Een van de vier sleutelprojecten die EIRES samen met de industrie ontwikkelt. Het Dutch Electrolyzer consortium werkt aan het opzetten van de eerste productielijn voor elektrolyzers in Nederland. Door het samenbrengen van de beste aspecten van de huidige alkalische en PEM-technologie wil het Dutch Electrolyzer-consortium kleinschalige modulaire apparaten bouwen waarvan de productie eenvoudig kan worden opgeschaald. Op deze manier kunnen elektrolyzers eenvoudig worden geïnstalleerd in wijken, of misschien zelfs in individuele windturbines. De TU/e en VDL Groep tekenden onlangs een intentieverklaring om samen deze technologie verder te gaan ontwikkelen.

High-tech systemen

Volgens Boneschanscher gaat de energietransitie in Nederland alleen lukken als we verder kijken dan de bestaande bedrijfsmodellen. ‘Energieleveranciers werken aan elektrificatie en netverzwaring, olie- en gasmaatschappijen willen waterstof of groene moleculen leveren. Dit vraagt allemaal om grootschalige productie van high-tech systemen, die we nu nog importeren uit het buitenland. Als we zo doorgaan, loopt Nederland de kans mis om echt te verdienen aan de energietransitie. En dat zou jammer zijn, zeker nu we middenin een economische crisis zitten.’

Metal fuels

Ook Energy Enlightenmentz-deelnemer Metal Fuels doet mee met het EIRES-onderzoeksprogramma Engineering for  Sustainable Energy Systems. De onderzoekers gebruiken ijzerpoeder om duurzame energie op te slaan. Door de hoge energiedichtheid is ijzerpoeder zeer compact en gemakkelijk te transporteren als energiedrager.

Wanneer ijzer reageert met zuurstof ontstaat er warmte en roest. De warmte kan worden gebruikt voor de productie van stoom voor de industrie of stroomproducenten. De resterende roest kan gemakkelijk worden opgevangen en weer worden omgezet in ijzerpoeder, met behulp van elektriciteit uit wind of zon.

Chemie is net als LEGO volgens PhD Leon Rosseau. Je kunt complexe structuren bouwen, die de overgang naar een meer duurzame wereld mogelijk maken. Leon gaf deze Talk on European Industry & Energy Summit, 11 december 2019 in Amsterdam. Bekijk nu zijn inspirerende Talk.

De omslag naar duurzame energie en mobiliteit in Nederland hapert. Ondanks de voortschrijdende technologische ontwikkeling en de duidelijke economische voordelen van zo’n transitie. De Technische Universiteit van Eindhoven ontwikkelt samen met vier andere universiteiten nieuwe methoden en technieken om de transitie een flinke duw in de rug te geven. Zij kijken met name naar de sociale acceptatie van de energietransitie.

De mensheid is in rap tempo bezig het ecosysteem waarvan we afhankelijk zijn, te vernietigen. Bijna 200 landen, waaronder Nederland, hebben daarom in 2017 het klimaatakkoord van Parijs ondertekend. Waarin ze toezeggen de opwarming van het klimaat te beperken tot maximaal twee graden. Ons land loopt echter flink achter als het gaat om het verwezenlijken van deze doelstelling. Het aandeel duurzame energiebronnen in onze totale energievoorziening is wereldwijd een van de laagste. We stoten nog altijd te veel CO2 uit met onze auto’s en vrachtwagens, en dat terwijl de wegen dichtslibben, met alle kosten van dien.

In multidisciplinair onderzoeksprogramma New Energy and mobility Outlook for the Netherlands (Neon) werken ingenieurs nauw samen met sociale wetenschappers, NGO’s en bedrijven om de energietransitie te versnellen. NWO steunt het programma, dat vijf jaar loopt, met een subsidie van 8,5 miljoen euro.

Sociale Wetenschap

Volgens de initiatiefnemers van Neon staan drie problemen een snelle transitie in ons land in de weg.  Investeringen gaan vaak niet naar de technologieën met de grootste impact, maar naar oplossingen die het snelst geld opleveren. Bovendien stranden veelbelovende oplossingen vaak op het verzet van burgers of institutionele problemen, zodra ze grootschalig worden uitgerold. En als laatste ontbeert de wetenschap momenteel cijfermatige modellen om de snelste en meest kosteneffectieve oplossingen voor te rekenen.

Om deze problemen het hoofd te bieden, is volgens Neon meer nodig dan alleen technologie en economisch profijt. Zij pleiten voor een multidisciplinaire aanpak, waarin ook de rol van instituties, kennisnetwerken en menselijke actoren, zoals consumenten en bedrijven, veel aandacht krijgt. De onderzoekers willen hiervoor nieuwe methoden en technieken ontwikkelen. Zo kunnen ze bijdragen aan de noodzakelijke omslag in onze energievoorziening en mobiliteit.

Onderzoek

Met het onderzoek is in totaal een bedrag gemoeid van 12,5 miljoen euro. Daarvan neemt NWO bijna 8,5 miljoen voor zijn rekening. Met het bedrag kunnen in totaal 32 promovendi aan de slag, van wie twintig in Eindhoven. Naast de TU/e doen onder meer de universiteiten van Rotterdam, Tilburg, Twente, Delft, de Hogeschool van Amsterdam, PBL en TNO mee aan het onderzoek. Zij werken nauw samen met achttien bedrijven uit binnen- en buitenland, en verschillende overheden en NGO’s.

Uniek

Programmadirecteur en Initiatiefnemer Auke Hoekstra is blij met de subsidie: ‘Dankzij NWO kunnen we een combinatie maken van alfa-, beta en gammawetenschappers, die, voor zover ik weet, volstrekt uniek is in de wereld. Zij worden ondersteund door een sterk consortium van vele kennisinstellingen in binnen- en buitenland, innovatieve bedrijven, NGO’s en overheden.’

Katalysatoren versnellen chemische reacties. Maar het hierbij veelgebruikte metaal platina is schaars en duur. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) ontwikkelden een alternatief dat twintig keer actiever is. De katalysator bestaat uit holle nanokooien van een legering van nikkel en platina. TU/e-onderzoeker Emiel Hensen wil hiermee op termijn elektrolyzer op koelkastformaat ontwikkelen van ongeveer tien megawatt.

Een elektrolyzer zet (een overschot van) elektrische energie met water om in waterstof. Op een later tijdstip doet een brandstofcel het omgekeerde, waarbij het opgeslagen waterstof weer omgezet wordt in elektrische energie. Voor beide technologieën is een katalysator nodig die het proces versnelt.

De katalysator die helpt bij deze omzettingen is – vanwege zijn hoge activiteit – veelal gemaakt van platina. Maar platina is erg duur en relatief schaars. TU/e-hoogleraar katalyse Emiel Hensen: ‘Collega-onderzoekers uit China ontwikkelden daarom een legering van platina en nikkel, waarmee de kosten omlaag en de activiteit juist omhoog gaan. Bij de TU/e hebben we de invloed van nikkel op de meest belangrijke reactiestappen onderzocht. Hiervoor ontwikkelden we een computermodel gebaseerd op beelden van een elektronenmicroscoop. Met kwantumchemische berekeningen wisten we zo de activiteit van de nieuwe legering te voorspellen, en konden we begrijpen waarom deze nieuwe katalysator zo effectief is.’

Morfologie

Naast de andere metaalkeuze, wisten de onderzoekers ook de morfologie flink aan te passen. De atomen in de katalysator moeten namelijk een binding aangaan met de watermoleculen om deze om te kunnen zetten. Meer bindingsplaatsen leidt dus tot een hogere activiteit. Hensen: ‘Je wilt zoveel mogelijk metaaloppervlak beschikbaar maken. De ontwikkelde holle nanokooien zijn naast de buitenkant, ook van binnenuit te benaderen. Zo ontstaat een groot oppervlak, waardoor meer materiaal tegelijkertijd kan reageren.’ Hensen toonde bovendien met kwantumchemische berekeningen aan dat de specifieke oppervlaktestructuren die de nanokooien vertonen de activiteit nóg verder verhogen.

Test katalysator

Beide oplossingen blijken na het doorrekenen in Hensen’s model een twintig keer hogere activiteit op te leveren dan de huidige katalysatoren van platina. En dat resultaat hebben de onderzoekers ook teruggevonden in experimentele tests in een brandstofcel. ‘Een belangrijk kritiekpunt op veel fundamenteel werk is dat het zijn ding in het lab doet, maar als iemand het in een echt apparaat stopt dan werkt het vaak niet. Wij hebben laten zien dat het écht werkt.’ De onderzoekers hebben de katalysator 50.000 ‘ronden’ getest in de brandstofcel, en zagen daarbij een te verwaarlozen afname in activiteit.

Hensen is samen met andere TU/e-onderzoekers én industriële partners uit Brabant betrokken bij het opstarten van het energie-instituut van de TU Eindhoven. Het doel is om de elektrolyzers die nu op de markt zijn flink op te schalen, tot een elektrolyzer op koelkastformaat van ongeveer tien megawatt.

Lees hier de publicatie in Science

Popfestivals maken doorgaans voor hun elektriciteitsvoorziening gebruik van dieselgeneratoren. Als duurzaam alternatief ontwikkelden TU/e-onderzoekers een 21 meter hoge, uitklapbare energietoren met zonnecollectoren en een windturbine. De onderzoekers testten de GEM Tower voor het eerst op het Belgische festival Pukkelpop.

Het vervuilende karakter van festivals was al jaren een doorn in het oog van TU/e-bouwkundige Faas Moonen. Met 2,3 miljoen euro subsidie van het Europese Interreg begon hij in 2017 aan een duurzaam alternatief, en stelde een postdoc en drie PDEng-onderzoekers aan om hem te helpen. Aan zijn droom werken nu negen bedrijven mee, waaronder festivalorganisatoren van Pukkelpop en Eurosonic Noorderslag, die volop mee hebben gedacht om aan de strenge veiligheidseisen te kunnen voldoen.

Energietoren

De duurzaamheid zit hem niet alleen in het opwekken van energie, de energietoren zelf is van duurzame materialen gemaakt én er is nagedacht over het duurzaam transporteren van het gevaarte. De precieze opbrengst van de energietoren moet nog blijken uit de tests, hij zou maar liefst 261 dagen per jaar stroom moeten kunnen genereren. Daarnaast bestaat de basis van de toren uit een drie meter hoog accupakket die negentig kilowattuur aan stroom kan opslaan.

Windturbine

De meeste energie wordt opgewekt met een zevenhonderd kilogram wegende verticale windturbine op achttien meter hoogte. Is de wind afwezig, dan zorgen zonnecellen voor een stabiele stroomopwekking. Maar liefst 144 kleine flexibele thin foil zonnecellen sieren de toren. Daarnaast levert het onderzoeksteam nog 72 grote, flexibele zonnecellen die festivalorganisatoren op de daken van hun etenskramen, toiletwagens of tenten leggen en kunnen koppelen aan het accupakket van de toren.

Zonne-energie

De eyecatcher zijn de veertig gekleurde zonnecollectoren. Deze zogenoemde Luminescent Solar Concentrator panelen zijn ontwikkeld aan de TU/e, in de onderzoeksgroep van prof. Michael Debije aan de faculteit Scheikundige Technologie. De panelen vangen inkomende lichtstralen in de plaat, en transporteren deze naar de randen. In de omlijsting van de panelen zitten zonnecellen die deze geconcentreerde lichtbundel omzetten naar elektriciteit.

Het komende jaar staat in het teken van het testen van de toren. In 2020 moet dit exemplaar volledig werkzaam langs de festivals reizen. Maar met deze ene toren is het onderzoeksteam zeker niet klaar. ‘We starten daarna met de bouw van een nieuwe toren, die nóg meer stroom moet opwekken en dus óók automatisch uitklapbaar is’, vertelt Moonen.

 

Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven ontwikkelden een negen meter-lange ‘kookbuis’. De constructie maakt het mogelijk om op ware schaal onderzoek te doen naar het gedrag van de combinatie van stoom en heet water die samen door een pijp stromen, iets wat in veel industriële opstellingen wordt gebruikt. De kookbuis is voornamelijk een noviteit om zijn schaal en optische toegankelijkheid.

In veel industriële systemen stroomt er heet water door extra stevige buizen, bijvoorbeeld in energiecentrales. Vanwege de hoge temperatuur en druk is het belangrijk dat de buizen stevig genoeg zijn, omdat bij een lek of breuk grote hoeveelheden heet water ontsnappen. De buizen worden ontworpen met kennis uit kleine schaalmodellen. Helaas laat deze stroming zich slecht schalen: vloeistoffen stromen anders door een buis van twee centimeter dan door een buis van twee meter. Om te compenseren voor deze fout, gebruiken ontwerpers eenvoudigweg een buis met een extra dikke wand. Door kennis vergaard met de nieuwe kookbuis van de TU/e, kan stroming op grote schaal beter worden begrepen, kunnen veiligere installaties worden ontworpen en hoeft minder materiaal te worden verkwist.

Gevaarlijke bellen

De kookbuis is niet alleen uniek door de enorme lengte van negen meter, maar ook omdat er twee kijkvensters in zitten. Op elk kijkvenster staat een camera gericht die op hoge snelheid registreert hoe de vloeistof zich gedraagt. De buis is berekend op stromend water met een druk tot veertig bar en een temperatuur tot 250 graden Celsius. Omdat het water dan kookt, ontstaat er een zogenaamd tweefasen-systeem: een deel van het water blijft vloeibaar en een deel wordt gasvormig stoom. Hoe die twee fasen door elkaar stromen, het stromingspatroon, hangt af van de precieze temperatuur en druk. Een temperatuur-druk-kaart van dat stromingspatroon kan vervolgens worden gebruikt om installaties veiliger en efficiënter te maken. Er wordt immers beter begrepen hoe heet water zich gedraagt, waardoor buizen niet overdreven verstevigd hoeven te worden uitgevoerd, terwijl op andere plekken wellicht onverwachte zwakke plekken kunnen worden ontdekt. De waterdamp kan bijvoorbeeld onschuldige kleine belletjes vormen, of juist grotere bellen waardoor een opstelling hevig kan gaan schudden.

Veiliger en efficiënter

Typische toepassingen voor dit onderzoek zijn energiecentrales (kolen-, gas-, biomassa- en kerncentrales) die gebruik maken van een stoomturbine, verschillende systemen in de chemische industrie (zoals reactoren op hoge temperatuur voor de productie van plastics en olie), en koeling in de voedingsmiddelenindustrie. Verwachtingen zijn dat de systemen veiliger worden en efficiënter in gebruik. Ook zullen centrales minder vaak hoeven te sluiten.

Minister Wiebes liet de Nederlandse industrie in januari weten dat ze uiterlijk in 2022 van het Groningse gas af moet zijn. Studenten van de TU Eindhoven werken aan een duurzame technologie die een oplossing kan zijn voor industriële gasgebruikers: ijzerverbranding. IJzerpoeder is namelijk een prima brandstof, zonder CO2-uitstoot, met volledig hergebruik van het restproduct. En er zijn hoge temperaturen haalbaar, wat voor veel industrieën belangrijk is. De Eindhovense studenten bouwden een proof-of-concept-installatie, die zowel warmte als elektriciteit genereert.

IJzerpoeder heeft als brandstof de potentie een belangrijke plaats te gaan innemen in de toekomstige energievoorziening. Overtollige duurzame energie, bijvoorbeeld van zonnepanelen op zeer zonnige dagen, kan compact worden opgeslagen in ijzer door roest (ijzeroxide) om te zetten in ijzer. Dat ijzer kan later, wanneer energie nodig is, als brandstof dienen. Alle ijzeroxide die na verbranding achterblijft, wordt opgevangen en weer gebruikt om energie in op te slaan. Het is dus een volledig circulair proces zonder CO2-uitstoot. De extra kosten zijn te overzien: de belangrijkste kostenpost, de brandstof, zal bij toepassing op industriële schaal tot 2 keer zo duur zijn. Maar door de stijgende prijs om CO2 uit te mogen stoten zou de prijs op termijn zelfs lager uit kunnen komen.

Overvloed

De installatie van het Eindhovense Team SOLID is de sluitsteen in dit circulaire proces. De studenten ontwikkelden een installatie die ijzer verbrandt en daarmee heet water, warmte en elektriciteit genereert. De rest van de cirkel bestaat al: de productie van ijzer en de recycling van roest zijn bestaande processen. Die draaien weliswaar nog op fossiele brandstoffen, maar de verwachting is dat dit plaats maakt voor duurzame technieken. In Zweden wordt bijvoorbeeld een proeffabriek gebouwd voor ijzerproductie met duurzaam geproduceerd waterstof in plaats van met gas of kolen. IJzer is er in overvloed: het is het meest voorkomende element op aarde.

Opschalen

De installatie van de Eindhovense studenten heeft een vermogen van 20 kilowatt, wat vergelijkbaar is met een gangbare cv-ketel. Een van de belangrijkste verworvenheden van het systeem is dat het snel kan reageren op een wisselende energievraag. Daarnaast is het systeem relatief gemakkelijk op te schalen. Met de hitte drijft het systeem een Stirlingmotor aan die elektriciteit opwekt, en genereert warme lucht en warm water. De studenten werken samen met Philip de Goey en Niels Deen, TU/e-hoogleraren in respectievelijk Verbrandingstechnologie en Meerfasenstromingen.

De volgende stap van het team wordt een mobiele, industriële ‘demonstrator’ met een vermogen van 100 kilowatt. Het team zoekt hiervoor industriële partners, die mee willen werken aan de ontwikkeling van dit schone alternatief voor fossiele brandstoffen zoals aardgas en kolen.

Met veel energie kan CO2 worden omgezet in koolwaterstoffen. Ofwel brandstoffen en bouwstenen voor de chemie. Een belangrijkste stap hierbij is het omzetten van CO2 naar CO. Dat kan zeer efficiënt met een plasma. Fysicus Bart Klarenaar ontrafelde het proces en promoveerde cum laude aan de TU Eindhoven op zijn onderzoek.

Voor een succesvolle toepassing van deze methode is het van belang de omzetting van CO2 naar CO te optimaliseren, deze stap kost de meeste energie. Een relatief nieuwe manier is om dit in een plasma te doen – een gas met geladen deeltjes – waarin de CO2-moleculen door botsingen met elektronen, en met elkaar, aan het trillen worden gebracht. Dat is in theorie veel energiezuiniger dan het alternatief, waarbij je het hele gas verwarmt.

Trillingen en rotaties

Om deze splitsing van CO2 met plasma te optimaliseren is een gedetailleerd, fundamenteel inzicht in dit proces nodig. Tijdens zijn promotieonderzoek heeft Bart Klarenaar daar een aantal belangrijke stappen in gezet. Met verschillende spectroscopische technieken legde hij in detail de karakteristiek bloot van de trillingen en rotaties van de CO2-moleculen tijdens de opwarming door het plasma. Hiermee kunnen andere onderzoekers de plasma’s optimaler laten functioneren.