brandstof Archieven - Utilities

UT-onderzoekers laten een nieuwe manier zien om anionuitwisselingsmembranen te ontwikkelen. Ze maakten de membranen uit een nieuw soort plastic (saloplastic). De onderzoekers laten ook zien dat hun techniek membranen kan maken die zeer stabiel zijn in extreme omstandigheden zoals een zeer hoge of lage pH. Dit maakt ze bruikbaar voor brandstofcellen of waterontzilting.

Elektrodialyse is een beproefde techniek voor de ontzilting van zeewater of brak water. Deze techniek vereist een ionenuitwisselingsmembraan dat selectief de ionen uit waterig zout doorlaat, maar tegelijkertijd het water zelf tegenhoudt. Deze membranen produceren is nog een uitdaging en leidt vaak tot dure membranen die niet stabiel zijn in extreme omgevingen met een zeer hoge of een zeer lage pH.

Saloplast

De onderzoekers vonden een techniek die de problemen van de commercieel gebruikte ionenuitwisselingsmembranen kan oplossen door een zogenaamde saloplast maken. ‘Bij het mengen van bepaalde positief- en negatief geladen polymeren in water konden we al een poly-elektrolyt complex (PEC) maken dat het best kan worden omschreven als een mozzarella-achtige bol van plastic’, zegt onderzoeker Wiebe de Vos. ‘Het grootste probleem bleef de eenvoudige verwerking van dit complex tot een bruikbaar membraan.’

Hittepers

Na onderzoek van verschillende technieken vonden de onderzoekers dat hittepersen de hoogste kans van slagen had. Bij dit proces plaatst men de PEC in een mal die vervolgens in een hittepers wordt geplaatst. In het begin sluit de pers zonder extra druk en warmt op tot een temperatuur van tachtig graden Celsius. Na ongeveer twintig minuten, wanneer het materiaal de gewenste temperatuur bereikt, verhoogt de druk tot tweehonderd bar. Dit is vergelijkbaar met de druk ongeveer twee kilometer onder water.

De PEC houdt deze omstandigheden vijf minuten vast. Daarna koelt het materiaal af tot 25 graden Celsius. Het hele proces duurt ongeveer een uur, veel minder dan bij andere gebruikte technieken die tot enkele dagen kunnen duren. Het eindproduct is een transparante film met hoge dichtheid. Het plastic is stevig en flexibel en volledig dicht tot op de nanometerschaal. Bovendien is het proces volledig schaalbaar met uitstekende controle over de grootte, dikte en structuur van het membraan.

Brandstofcellen en ontzilting

Naast ontzilting kan het membraan ook op veel andere manieren gebruikt worden. De stabiliteit bij zeer hoge en lage pH-waarden maakt het geschikt voor brandstofcellen. Ook hangt het relatief eenvoudige productieproces niet af van organische oplosmiddelen, en repareert het materiaal zichzelf in zout water. Mogelijk gaat het hier om het membraan van de toekomst.

Van alle energieverbruikers is de luchtvaart een van de lastigste om te verduurzamen. De druk op de sector om de CO2-uitstoot te verlagen, neemt ondertussen toe. Met verschillende initiatieven probeert Nederland een pioniersrol te vervullen, maar opschaling blijft voorlopig een brug te ver.

Francis Voermans

In Delfzijl wil SkyNRG een fabriek bouwen voor de productie van duurzame kerosine, ook wel SAF, sustainable aviation fuel, genoemd. De fabriek gaat gebruikt frituurvet innemen om honderdduizend ton brandstof per jaar te maken. Het moet de eerste productielocatie worden van het in Amsterdam gevestigde SkyNRG, dat zich tot nu toe toelegt op het inkopen, mengen, verkopen en leveren van SAF. KLM is een van de partners in het project en gaat driekwart van de productie afnemen.Het frituurvet wordt verwerkt met het zogeheten HEFA-proces, waarbij esters en vetzuren met waterstof worden omgezet. Het is momenteel de enige commercieel haalbare techniek om duurzame kerosine te maken.

Gebrek aan vraag

Het HEFA-proces is sinds 2011 goedgekeurd voor de productie van brandstof voor de commerciële luchtvaart. KLM had in dat jaar de wereldprimeur met de eerste vlucht op HEFA-SAF van Amsterdam naar Parijs.

Maar het aanvankelijke enthousiasme verstomde snel. In de jaren erna werd er steeds minder mee gevlogen en de grootste producent, het Finse Neste, stopte met de productie wegens het gebrek aan vraag.

De laatste jaren zit de productie echter weer in de lift. Lucht-vaartorganisatie IATA schat dat er momenteel wereldwijd zo’n vijftig miljoen liter per jaar aan SAF wordt geproduceerd. Tot dusver zijn er in totaal ruim tweehonderdduizend vluchten met SAF uitgevoerd en inmiddels hebben zo’n veertig vliegmaatschappijen er ervaring mee opgedaan. Qua CO2-emissiereductie zet het nog weinig zoden aan de dijk. SAF vertegenwoordigt slechts zo’n 0,01 procent van het totale (pre-corona) kerosineverbruik.

De SAF komt nu voornamelijk uit de raffinaderij van World Energy in Paramount nabij Los Angeles. Ook Neste heeft de productie in 2018 weer hervat. En er staat veel nieuwe capaciteit op stapel. World Energy breidt zijn raffinaderij uit en zal de productie van SAF bijna vertienvoudigen. Na een grote investering van Neste in zijn raffinaderij in Singapore, moet deze vanaf 2023 anderhalf miljoen ton SAF per jaar kunnen maken. Neste overweegt ook te investeren in Rotterdam, waar het de raffinaderij geschikt zou willen maken om SAF te produceren. Daarnaast is er nog een aantal andere bedrijven met bouwplannen, waaronder dus SkyNRG. Als dat allemaal doorgaat, zou er in 2025 tot wel 3,5 miljard liter per jaar kunnen worden geproduceerd, aldus ATAG (Air Transport Action Group). De coronacrisis zal echter voor vertraging zorgen en voor sommige plannen wellicht het einde betekenen.

Industrielinqs nu 3 maanden gratis ontvangen?

Dit artikel komt uit de tweede editie van het Industrielinqs magazine, dat zich richt op de procesindustrie, energiesector en onderlinge infrastructuur. Met het magazine verbinden we industriële ketens zodat ze van elkaar kunnen leren. Belangrijke thema’s zijn: innovatie, energietransitie, onderhoud en veiligheid.

Gebruik kortingscode ILQS20GRATIS voor een gratis proefabonnement

Vrijwillige toeslag

Om het aandeel SAF in de kerosinepool te doen groeien, is de rol van de overheid belangrijk. Zij moet de verduurzaming faciliteren, dan wel afdwingen. De prijs van HEFA-SAF ligt twee tot drie keer hoger dan die van fossiele kerosine. Volgens KLM zelfs vijf tot zes maal als de transportkosten worden meegerekend. Dit betekent dat een duurzame vlucht van Amsterdam naar New York honderd tot tweehonderd euro duurder is dan een normaal ticket. SkyNRG denkt dat bedrijven die hun CO2-voetafdruk willen verlagen, bereid zijn die prijs te betalen. Het heeft daarvoor het “Board Now”-concept opgezet, waarbij bedrijven SAF kunnen inkopen om hun personeel of vracht duurzaam te vervoeren.

‘Biokerosine is het goedkoopste. Maar er is een grens aan de hoeveelheid frituurvet die beschikbaar is.’

Joris Melkert, docent luchtvaarttechniek TU Delft

Op grotere schaal kan de sector niet op zo’n vrijwillige toeslag rekenen. Dus zal het prijsverschil kleiner moeten worden. ‘De vliegindustrie heeft heel dunne marges. De gemiddelde winst per ticket is minder dan tien euro (pre-corona). Het kan dus niet uit om duurdere brandstof te gaan inkopen. Je zou kunnen zeggen dat fossiele brandstof gewoon te goedkoop is’, zegt Joris Melkert, docent luchtvaarttechniek aan de TU Delft.

Een effectieve maatregel is om het bijmengen van duurzame brandstof te verplichten. Noorwegen heeft als eerste land zo’n verplichting geïntroduceerd. Vanaf dit jaar moet 0,5 procent van de vliegtuigbrandstof die er wordt getankt duurzaam zijn. Ook Nederland wil een bijmengverplichting, maar dan het liefst Europees. Minister van Nieuwenhuizen (Infrastructuur en Waterstaat) heeft het voortouw genomen om dit vanaf 2023 in te voeren. Als dat niet haalbaar blijkt te zijn, wil ze de verplichting alleen in Nederland invoeren. Om welk percentage het gaat, is nog niet bekend, maar dit zou moeten doorgroeien naar veertien procent in 2030 en naar honderd procent in 2050, zoals in het Ontwerpakkoord Duurzame Luchtvaart is afgesproken.

Waterstof

Voor zo’n hoog aandeel duurzame brandstof is HEFA-kerosine geen optie. ‘Biokerosine is het goedkoopst en het meest haalbaar. Maar er is een grens aan de hoeveelheid frituurvet die beschikbaar is’, zegt Melkert. Andere technieken zullen dus moeten worden aangewend. Waterstof zal daarbij een sleutelrol spelen, verwacht hij. ‘Dat kan op drie manieren. Ten eerste – en dat is het meest voor-de-hand-liggend – als energiebron en voeding voor synthetische kerosine. Ten tweede kan het rechtstreeks worden verbrand in de vliegtuigmotor. Dat is waarschijnlijk ook niet zo moeilijk, maar daar heb je wel nieuw ontwikkelde motoren voor nodig. De derde optie is om waterstof te gebruiken als brandstof voor een vliegtuig met een brandstofcel en elektromotor.’ Die waterstof moet uiteraard wel duurzaam worden opgewekt. Melkert: ‘Dan rijst de vraag of we wel voldoende duurzame energie hebben voor de hele maatschappij.’

Ook Airbus gelooft dat waterstof de oplossing is voor de luchtvaart om haar klimaatdoelstellingen te realiseren. De vliegtuigbouwer presenteerde onlangs drie concept-ontwerpen voor vliegtuigen op waterstof. Deze hebben aangepaste turbine-motoren, die worden gevoed met vloeibaar waterstof. Het eerste ZEROe-vliegtuig zou vanaf 2035 moeten gaan vliegen.

Synthetisch kerosine

De uitdaging voor de vliegtuigbouwer is om voldoende waterstof te kunnen meenemen. Melkert: ‘Als je kijkt naar het gewicht is waterstof fantastisch. Per kilo bevat het drie keer meer energie dan kerosine. Maar je moet het ook kwijt kunnen. Vloeibaar waterstof bevat per kuub vier keer minder energie dan kerosine.’ Dit betekent dat de afstand de bottleneck wordt. ‘Een van de ontwerpen van Airbus lijkt op de bestaande vliegtuigen. Die zou de helft van de afstand kunnen vliegen en dat zou prima zijn voor Europese vluchten. De grote uitdaging ligt in intercontinentale vluchten. Van alle vluchten is de top één procent met de langste afstanden goed voor twintig procent van het totale brandstofverbruik.’

tekst gaat verder onder de afbeelding
kerosine

NExBTL unit in Rotterdam (c) Neste

Voor die lange afstanden zou synthetische kerosine een oplossing zijn. Het is zelfs de enige levensvatbare optie voor de luchtvaart om te verduurzamen, concludeert TNO in een onlangs verschenen rapport over e-fuels. Een belangrijk voordeel daarbij is dat synthetische brandstof in bestaande vliegtuigen kan worden gebruikt.

Wereldprimeur

Synthetische kerosine wordt gemaakt uit synthesegas (een mengsel van koolmonoxide en waterstof) met het – al honderd jaar geleden ontwikkelde – Fischer Tropsch proces. Het synthesegas kan worden gemaakt uit kolen, olie, biomassa, of – het meest duurzame – uit kooldioxide en waterstof.

Deze laatste techniek is helaas nog niet rijp voor commerciële toepassing. Het produceren van kerosine uit kooldioxide en waterstof is tot dusver alleen op labschaal gedaan. In Rotterdam wil een internationaal consortium een eerste proof-of-concept-installatie bouwen, die zo’n duizend liter per dag moet gaan produceren. De initiatiefnemers zijn Urban Crossovers, SkyNRG en het Zwitserse Climeworks, dat technologie heeft om CO2 uit de lucht te filteren. Urban Crossovers is een Rotterdams bedrijf dat nieuwe concepten ontwikkelt om oplossingen van de CO2-problematiek te versnellen. ‘Dit project gaat als eerste ter wereld synthetische kerosine maken van groene elektriciteit, groene waterstof en CO2 uit buitenlucht’, zegt Willem van Genugten van het bedrijf.

Het is de bedoeling deze wereldprimeur bij Rotterdam Airport te bouwen. ‘Bij Rotterdam Airport komt een groot veld met zonnepanelen, parallel aan de landingsbaan. Samen met de demonstratiefabriek ontstaat zo een lokaal ecosysteem van groene elektriciteitsproductie, kerosineproductie en de levering aan afnemers. Bovendien staat hij dan dichtbij het publiek. Informatie over de noodzaak en mogelijkheden van circulaire kerosine is belangrijk voor het draagvlak en de opschaling van synthetische kerosine uit lucht. Er zal dan ook een bezoekerscentrum bij komen.’

‘Deze installatie is van grote waarde om tot competitieve productie te komen.’

Willem van Genugten, oprichter Urban Crossovers

Prijscompetitief

De technische constructie van de demofabriek is al rond. Climeworks maakt de unit om CO2 uit de lucht af te vangen. Verder zijn er drie Duitse bedrijven bij betrokken. Sunfire levert een co-elektrolyse unit die kooldioxide met water in één stap omzet in synthesegas. Interatec levert de Fischer-Tropsch installatie en tot slot zal een unit van EDL de synthetische koolwaterstoffen omzetten in vliegtuigbrandstof. ‘We zijn nog bezig om de financiering te organiseren. De grootste horde is nu een mentale. We moeten stakeholders overtuigen dat deze essentiële proof-of-concept-stap richting opschaling naar echt grote volumes nu moet worden gezet.’

De prijs van synthetische kerosine wordt nu geschat op ongeveer tien maal de prijs van fossiele kerosine. Door opschaling zou die prijs snel kunnen dalen, zegt Van Genugten. ‘Verschillende onafhankelijke studies laten zien dat de technologie in tien tot vijftien jaar prijscompetitief zou kunnen worden. Deze installatie is van grote waarde om tot competitieve productie te komen. Het is het begin van een belangrijke ontwikkeling.’

In de klimaatdiscussie is de internationale transportsector tot nog toe redelijk uit de wind gehouden. En dit terwijl luchtvaart, zeescheepvaart en wegtransport een behoorlijk deel van de totale CO2-uitstoot voor hun rekening nemen. Verduurzaming van deze sector is lastig omdat met name de luchtvaart en zeescheepvaart internationaal opereert. Maar ook omdat de duurzame alternatieven voor fossiele brandstoffen nog niet concurrerend zijn. Dat laatste zal volgens het Platform Duurzame Biobrandstoffen moeten veranderen.

Bij het klimaatoverleg in Parijs bepaalden de deelnemende landen dat ook de transportsector in 2050 zijn CO2-uitstoot tot bijna nul moet terugdringen. Het Platform Duurzame Biobrandstoffen heeft er vertrouwen in dat dit technisch mogelijk is. Maar of het einddoel ook daadwerkelijk wordt gehaald, is met name afhankelijk van politieke wil.

Eric van den Heuvel en Loes Knotter van het Platform Duurzame Biobrandstoffen zien een duidelijk transitiepad voor zich. Waar de Nederlandse transportsector in 2018 nog 494 pètajoule aan fossiele brandstoffen gebruikte, zou ze dit tot 2030 moeten afbouwen naar zo’n driehonderd pètajoule. In 2040 zou dan nog maar 150 pètajoule fossiel nodig zijn om dit in tien jaar af te bouwen tot nul.

Hoe dit gaat gebeuren, ligt wat minder definitief vast, maar dat biobrandstoffen daar een belangrijke rol in gaan spelen, is duidelijk. Knotter: ‘Het personenvervoer kan redelijk eenvoudig overstappen naar elektrische mobiliteit. Zowel met meer treinen, elektrische fietsen als elektrische auto’s. De intensiteit van de energievraag van luchtvaart, scheepsvaart en wegtransport is echter zo groot dat moleculen nog steeds de beste optie zijn. Biobrandstoffen zijn dan een belangrijk onderdeel van de nieuwe energiemix.’

Geavanceerd

Bijkomende uitdaging is dat de Europese Commissie als aanvullende eis stelt dat 3,5 procent van het totale energievolume in 2030 moet komen van zogenaamde geavanceerde brandstoffen. Knotter: ‘Geavanceerd wordt bepaald door de grondstof. Planten bevatten onverteerbare delen zoals hemi- en lignocellulose. De Europese Commissie eist dat een deel van de biobrandstoffen vooral uit deze afval- en resttsromen komt. Die reststromen zou je kunnen vergassen, vergisten of via bestaande chemische processen, zoals Fischer-Tropsch synthese, naar brandstoffen kunnen converteren. Daarmee gebruik je resten die anders zouden worden verbrand of op het veld blijven rotten.´

De uitdaging die de Europese Commissie neerlegt bij zijn lidstaten, is tevens een kans voor het Nederlandse petrochemisch complex. ‘Nederland heeft al veel kennis en ervaring op het gebied van biomassaconversie’, zegt Van den Heuvel. ‘Maar we hebben ook een grote installed base die redelijk eenvoudig is om te bouwen naar een nieuwe, biologische grondstof. Als we als Nederland de keuze maken een hoofdrol te spelen in de bioraffinage, hebben we wel de hele keten nodig. Dat begint bij een transparante, duurzame aanvoerroute van biomassa en eindigt bij brandstofsystemen die kunnen omgaan met flexifuels. De petrochemische industrie zit daar ergens middenin, maar kan wel eens de sector zijn die het meest profiteert van de omschakeling. Want behalve voor brandstoffen, zal de petrochemische industrie ook alternatieve feedstocks moeten vinden voor de koolstofchemie. Als ze op tijd aanhaakt, kan dat een behoorlijk concurrentievoordeel opleveren. We willen dan ook een oproep doen aan deze industrietak om vooral aan de bal te blijven en nu al mee te denken over een duurzame chemische industrie.’

Ketensamenwerking

Een van de partners van het Platform Duurzame Biobrandstoffen is ECN part of TNO. Programmamanager Biomassa Jaap Kiel ziet dezelfde kansen voor de chemische industrie, mits de hele keten op een lijn komt te staan. ´We zitten op het randgebied van de food- en agrosector, de chemische sector, de transportbranche en de energiebranche. Samenwerking tussen die sectoren is essentieel om ervoor te zorgen dat we de juiste producten ontwikkelen voor de juiste toepassing. En dat tegen de laagste kosten. Wij zelf bundelen onze krachten met bijvoorbeeld de Wageningen Universiteit om de juiste gewassen en reststromen te gebruiken voor de juiste brandstoffen of chemische grondstoffen. Vervolgens bepaalt de grondstof welke technologie we het beste kunnen inzetten. Zo ontwikkelde ECN al de Milena en Olga technologie waarmee zowat alle soorten biomassa kan worden vergast en opgewerkt tot aardgaskwaliteit. Maar je kunt ook denken aan pyrolyse olie of bijvoorbeeld Fischer Tropsch Diesel. We zien ook goede kansen voor Dimethyl ether (DME, red.), wat een schoon alternatief biedt voor diesel en LPG.’

Flexifuels

Als laatste wil het Platform Duurzame Biobrandstoffen ook de motorfabrikanten betrekken bij de ontwikkelingen. ‘Het is toch raar dat er nog auto’s worden opgeleverd die niet op flexifuels kunnen rijden’, zegt Knotter. ‘Met minieme aanpassingen kunnen auto’s op 85 procent ethanol rijden. Daar rijdt men in Brazilië al op. Ook in Nederland hebben autofabrikanten voertuigen voor deze brandstof geleverd. De automobielindustrie vertrekt nu nog teveel van fossiele brandstoffen en overweegt alleen de inzet van biobrandstoffen als deze aan dezelfde specificaties voldoen. Dat is op den duur niet meer houdbaar. Hetzelfde geldt voor de luchtvaart als de scheepsvaart: als we gezamenlijk naar duurzame alternatieven zoeken voor zware stookolie en kerosine, is tegelijk de motorenkant nodig om de route van innovatie naar toepassing te versnellen. Er is haast geboden om de emissiedoelstellingen te halen. We zullen de ketens dan ook moeten koppelen.’

 

European Industry & Energy Summit

Tijdens de European Industry & Energy Summit op 10 en 11 december in de Kromhouthal in Amsterdam, organiseert Platform Duurzame Biobrandstoffen samen met ECN part of TNO op dinsdag 10 december een side event over Geavanceerde biobrandstoffen. Kijk op de site voor meer achtergrondinformatie over het zeer interessante programma en schrijf u in.

Het afgelopen jaar hebben Europese onderzoeksinstituten tien kilo bio-ethanol en acht kilo bio-butanol uit zeewier geproduceerd. Daarop heeft een personenauto de eerste tachtig kilometer gereden. Daarmee is het Europese project MacroFuels is er in geslaagd om volwaardige brandstof uit zeewier te maken. 

Met het vorig jaar geopende zeewierlaboratorium leverde TNO een belangrijke bijdrage.  In het MacroFuels-project bewerkte TNO in het laboratorium de zeewier tot een grondstof voor de productie van deze brandstoffen. Deze grondstof is vervolgens door partner Universiteit Wageningen omgezet in biobutanol. Danish Technological Institute (DTI) heeft de bio-ethanol uit zeewier geproduceerd.

Filerijden

Door de biobrandstoffen te mengen met fossiele brandstoffen zijn E10- en B10-brandstof geproduceerd (10 procent biobrandstof bijgemengd) waar hedendaagse auto’s op kunnen rijden. In totaal is er circa honderd liter brandstof met bio-ethanol aangemaakt en werd ook honderd liter brandstof gemengd met bio-butanol. Vervolgens zijn er rijtesten met een personenauto op de weg in Denemarken uitgevoerd. Diverse soorten rijgedrag, van filerijden tot op de snelweg rijden, werden getest. Aangetoond werd dat de “zeewierbrandstoffen” hetzelfde werken als de reguliere brandstoffen, in termen van gebruik en emissies. Het doel is om aan te tonen dat het assortiment duurzame brandstoffen uitgebreid kan worden met de grondstof zeewier.

Bioraffinaderijen

Het TNO zeewier programma zal zich de komende jaren richten op optimalisering van het proces om biobrandstoffen te produceren zodat opschaling en kostenbesparing mogelijk wordt. Het doel van de Hernieuwbare energie EU richtlijn is om in 2030 in het transport (luchtvaart, zwaar wegverkeer en binnenvaart veertien procent hernieuwbare brandstoffen te gebruiken waarvan 3,5 procent geavanceerde biobrandstoffen zoals die uit zeewier. Dit betekent dat er dan 175-350 bioraffinaderijen in Europa moeten staan. TNO zal de komende jaren een bijdrage blijven leveren met het onderzoek in het zeewierlaboratorium.

Bioplastics

De combinatie van de productie van biobrandstoffen met andere hoogwaardige producten uit zeewier is een veelbelovend vooruitzicht. De kennis die TNO heeft ontwikkeld in het zeewierlaboratorium is toepaspaar voor een breed scala aan zeewiertoepassingen van voedingsmiddelen, bioplastics tot biobrandstoffen.

Twee energiewetenschappers van de Universiteit Utrecht en leden van het Shell Scenarios Team waarschuwen in het internationale vakblad Joulz voor teveel optimisme rondom synthetische brandstoffen. Daarvoor zijn de olieprijzen nog te laag, de energiekosten te hoog en is er te weinig duurzame energie voorhanden.

Synthetische brandstoffen zijn gemaakt uit CO2 en dus in principe CO2-neutraal. Toch is het riskant om alleen op dit soort nieuwe technologieën in te zetten, betogen de energiewetenschappers Oscar Kraan (Universiteit Utrecht en Universiteit Leiden) en Gert Jan Kramer (Universiteit Utrecht). Zij werkten samen met  leden van het Shell Scenarios Team en zien liever een gecombineerde aanpak.

Twee kampen

‘In het discours rondom de energietransitie bestaan ruwweg twee kampen’, vertelt Oscar Kraan. ‘Aan de ene kant zijn er de techno-optimisten, die geloven dat de marktwerking voor de oplossing zal zorgen. Oftewel: de productie van synthetische brandstoffen zal op een gegeven moment vanzelf haalbaar worden. Dat kan dankzij een voortschrijdende techniek en een steeds kleiner wordend prijsverschil met bestaande fossiele brandstoffen.

Aan de andere kant zie je het beeld dat de energietransitie niet zonder een sterke overheid kan. Die overheid legt CO2-heffingen op, faciliteert efficiënte toepassing van schone-energiesystemen en zorgt voor bebossing en CO2-opslag. Dat soort maatregelen kun je namelijk niet aan de markt overlaten.’

Hoge kosten

De productie van synthetische CO2-neutrale brandstoffen is afhankelijk van een aantal factoren die nog lang niet uitontwikkeld zijn. ‘Allereerst moet je waterstof produceren. Vervolgens haal je CO2 uit de lucht en dat zet je dan weer om in koolmonoxide. Als je tenslotte zorgt dat je met dat laatste gas en met waterstof de juiste chemische verbinding maakt, heb je de gewenste brandstof. Maar daarvoor is wel een grote hoeveelheid zonne-energie nodig, anders is de milieuwinst tenietgedaan’.

Lage olieprijs

De productie van synthetische brandstoffen wordt pas interessant wanneer een vat synthetische brandstof tweehonderd dollar moet opbrengen. ‘Ongetwijfeld zal het procedé op den duur worden geoptimaliseerd, maar het wordt pas een succes wanneer we vooruitgang boeken bij alle stappen in het proces.’

Kraan en zijn collega’s pleiten er daarom voor om niet alleen in te zetten op synthetische, hernieuwbare brandstoffen. ‘Ga door op de bestaande weg en werk ondertussen aan rendabele synthetische brandstoffen. Mocht het nu zo zijn dat we vooruitgang boeken bij slechts enkele van de productiestappen daarvan, dan profiteren de nu gangbare schone technologieën daar sowieso van.’

Het volledige artikel is hier (betaald) te lezen.

Onderzoekers van de Waterloo University ontwikkelden een nieuwe brandstofcel configuratie die tien keer langer mee kan gaan dan de huidige technologie. Door drie clusters van brandstofcellen beurtelings hun vermogen te laten afgeven, voorkomen de wetenschappers dat de cellen degenereren.

De wedloop tussen elektrisch transport via batterijen en brandstofcellen gaat verder. De actieradius van met batterijen gevoede auto’s wordt groter, iets waar vooral waterstofauto’s beter op scoorden. Waterstofauto’s zijn dan weer duurder omdat de brandstofcellen relatief duur zijn. Nu lijken ook brandstofcellen goedkoper te kunnen worden. Tenminste, relatief goedkoper omdat ze langer meegaan. Het probleem bij brandstofcellen is dat ze sneller degraderen naarmate ze meer piekvermogen moeten leveren.

Drie clusters

Xianguo Li, directeur van het Fuel Cell and Green Energy Lab van de Waterloo Universiteit vond de oplossing in het verdelen van de lasten over drie clusters van brandstofcellen. Hij kreeg het voor elkaar ieder cluster op een vast uitgangsvermogen te laten werken. Door de cellen beurtelings hun vermogen af te laten geven en de actieve tijd gelijkmatig te verdelen, lukte het hem de piekvermogens af te vlakken en de levensduur van de cellen aanzienlijk te verlengen.

Langere levensduur

Testen van het energiemanagementsysteem in een brandstofcelauto lieten zien dat met name een stadsauto hiervan profiteert. In de stad wordt veel gestopt en gestart, waardoor de cellen normaal gesproken meer aan en uit worden gezet. Het systeem van Li vermindert het aantal aan- en uitschakelingen en voorkomt bovendien piekbelasting. De levensduur van de brandstofcellen in de stadsauto verlengde dan ook maar liefst 11,8 keer. Maar ook op de snelweg en in combinaties van stad en snelweg leverde het energiemanagementsysteem voordelen op. In de snelwegsituatie verlengde de levensduur 4,8 keer en in de hybride variant (stad en snelweg) 6,9 keer.

Swinkels (voorheen Bavaria) gaat als proef metaalpoeder gebruiken als duurzame brandstof om stoom te produceren voor haar brouwproces. De proefinstallatie wordt mogelijk gemaakt door een financiering van 2,4 miljoen euro. De provincie Noord-Brabant legt daarvan 1 miljoen euro bij. De installatie moet in juli dit jaar werken.

De installatie gaat stoom leveren aan het stoomnetwerk van Swinkels en zal goed zijn voor 100 kW. Dit komt overeen met het vermogen van de cv-ketels van vijf huishoudens. Het doel van dit project is vooral het aantonen van de potentie van de installatie, met het oog op verder onderzoek naar de technologie. De installatie wordt gebouwd door de TU Eindhoven, Metalot en de technologiebedrijven EMGroup, Romico en HeatPower.

Circulair proces

Studenten en onderzoekers van de TU Eindhoven hebben een systeem ontworpen om de energie die vrijkomt bij het verbranden van metaalpoeder, praktisch te gebruiken. Daarmee pakken ze twee problemen aan: het opslaan van energie en het vermijden van CO2-uitstoot. De energie die vrij komt, kan gebruikt worden voor het opwekken van stoom, dat weer stoomturbines kan aandrijven voor elektriciteit of aandrijvingen van industriële processen. Dit is een circulair proces, doordat het roestpoeder gemakkelijk is af te vangen en met duurzaam opgewekte energie weer kan worden ‘geregenereerd’ tot schoon metaalpoeder.

Lees in het digitale magazine Het Nieuwe Produceren (van ons collega-platform) een uitgebreid artikel over metaal als brandstof.

Foto: Bart van Overbeeke/TU Eindhoven

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.

Binnen het Flexnode-project is een omkeerbare brandstofcelsysteem gebouwd waarbij niet alleen elektriciteit uit waterstof kan worden geproduceerd, maar ook andersom. Op die manier kunnen overschotten duurzame energie worden opgeslagen. Het gaat om een testopstelling op het Entrance-terrein in Groningen.

Het zogenoemde reversibel waterstof brandstofcelsysteem (RBC) bestaat uit een 5,5 kWe electrolyzer voor het produceren van waterstof uit water en een 1 kWe brandstofcel voor het genereren van elektriciteit uit waterstof. Geproduceerd waterstof wordt opgeslagen in een opslagtank van 850L en druk van ca. 50 bar zonder gebruik te maken van extra compressiestappen.

Overschotten

Het technische doel van het project is het bouwen van een proof-of-concept van een RBC met waterstofopslag. Dergelijke installaties kunnen de energietransitie zo kosteneffectief mogelijk maken. Op verschillende plaatsen in de energie-infrastructuur kunnen dergelijke installaties overschotten van duurzame energie opslaan Zo kan een RBC gebouwen grotendeels zelfvoorzienend maken in hun energieverbruik. Overschotten aan duurzaam opgewekte energie uit bijvoorbeeld zon of wind kunnen worden opgeslagen in waterstof en weer worden ingezet als de vraag groter dan het aanbod.

Regelstrategie

Nu de opstelling wordt de komende uitvoerig getest. Tegelijkertijd wordt voor verschillende concrete toepassingen onderzocht wat de kosten zijn en de waarde vanuit verschillende aspecten, zoals de flexibiliteit. Belangrijk voor de marktintroductie zijn een correcte dimensionering per toepassing en een optimale regelstrategie.

Het project wordt uitgevoerd door het consortium bestaande uit de Hanzehogeschool, Gasunie, GasTerra, Alliander, Hydron Energy, Jules Energy en BlueTerra en wordt gesubsidieerd door het programma TKI Systeemintegratie van het Ministerie van Economische Zaken en Klimaat.