Koper Archieven - Utilities

Met een toenemende elektrificatie en decarbonisatie van de energie- en chemiesector, ontstaat een uitdaging voor de productie van brand- en kunststoffen. Want hoe kom je aan hogetemperatuurwarmte en welke alternatieven zijn er voor fossiele koolwaterstoffen? De antwoorden lijken te vinden in de elektrochemie, waar kooldioxide met behulp van elektriciteit kan worden omgezet in diverse koolwaterstoffen. Om dat direct te kunnen doen, is nog veel onderzoek nodig. Maar een tussenvorm is nu al mogelijk: door afgevangen CO2 en elektrolytische waterstof te laten reageren tot synthetische koolwaterstof.

Het klimaatakkoord dat nu ter inzage ligt voor de Kamer is over een ding zeer duidelijk: er moeten in rap tempo alternatieven worden gevonden voor fossiele brandstoffen. Om dat te bereiken zal worden ingezet op verdere elektrificatie van de energievoorziening, de inzet van waterstof als energiedrager en biomassa als koolstof- en energiebron. Voor de industrie geldt daarbij dat ook de afvang en opslag dan wel gebruik van kooldioxide wordt meegenomen als optie om de periode te kunnen overbruggen die de transitie nu eenmaal nodig heeft.

Windenergie

Inmiddels is al fors geïnvesteerd in de opschaling van het Nederlandse offshore windvermogen. De komende twaalf jaren zal het aandeel offshore windenergie groeien van een capaciteit van zeventien terawattuur naar 84 terawattuur in 2030. Op land komt daar nog eens 35 terawattuur bij. Een hoeveelheid elektriciteit, die ongeveer gelijk is aan het huidige jaarlijkse elektriciteitsverbruik  van plusminus 120 terawattuur. Voor een deel zal die elektriciteit hard nodig zijn omdat het gasgebruik de komende jaren langzaamaan wordt afgebouwd. Maar elektrificatie biedt ook een alternatief voor de hogetemperatuurwarmte die de petrochemische industrie nu gebruikt om koolwaterstoffen te kraken.

De ogen van de koolstofchemie zijn daarom steeds meer gericht op elektrochemie: een vakgebied dat de afgelopen jaren een beetje in de vergetelheid is geraakt. Dat is bij Marc Koper overigens verre van het geval. De hoogleraar katalyse en oppervlaktechemie wijdde zich de afgelopen twintig jaar aan het doorgronden van elektrochemische processen en verwacht het daar de komende jaren nog wat drukker mee te krijgen. ‘De belofte van dit soort processen is groot’, zegt Koper. ‘Het is thermodynamisch mogelijk om elektrochemische processen op kamertemperatuur te bedrijven. De efficiency van elektrochemische processen is daarmee energetisch efficiënter dan een kraker, die veel energieverlies kent in de vorm van warmte.

Doorgaans verlopen elektrochemische processen echter te langzaam om ze commercieel te kunnen inzetten. Om dit te versnellen, kan je twee dingen doen: de hoeveelheid energie verhogen of goede katalysatoren inzetten. De afgelopen jaren is veel onderzoek naar dat laatste gedaan. De uitdaging daarbij is dat de tot nog toe gebruikte materialen zoals bijvoorbeeld platina zeer duur zijn. Het onderzoek richt zich zowel op alternatieve, goedkopere materialen als op het zo efficiënt mogelijk inzetten van platina. Dat laatste is al aardig gelukt bij de katalysator die in de commerciële brandstofcelauto is te vinden. Het is echter nog een uitdaging om die zelfde efficiencyslag op grote schaal toe te passen.’

Fundamentele vragen

Koper is ervan overtuigd dat elektrochemie een belangrijke rol kan spelen in de energietransitie naar een duurzamere energievoorziening en efficiënter energiegebruik. Wanneer de industrie en de samenleving daar echter van kunnen profiteren, is mede afhankelijk van fundamenteel onderzoek naar de wisselwerking tussen elektronen en moleculen. ‘Er zijn al elektrochemische processen, of redoxreacties, bekend die kooldioxide met behulp van katalysatoren direct kunnen omzetten in etheen. Onderzoeksgroepen die daar goede resultaten mee hebben bereikt, rapporteerden zelfs een efficiency van zestig procent. Op eenzelfde manier kan kooldioxide worden gereduceerd tot koolmonoxide. Dat het mogelijk is, bewijst de natuur, waar bacteriën dit ook doen. Die processen gaan echter te langzaam om op industriële schaal toe te passen. Industriële elektrochemische processen zouden dit gecontroleerder en grootschaliger moeten doen.

Toch zullen hier nog fundamentele vragen moeten worden beantwoord over de exacte werking van het proces en de fysische werking van het binden of breken van koolstofmoleculen. Om op commerciële schaal te produceren, moeten die processen immers langer dan een paar uur werken en dat doen ze vooralsnog niet. Vaak is de katalysator instabieler dan gehoopt of ontstaat vervuiling in of vanuit het elektrolyt. Het zal dan ook nog wel even duren voordat de elektrochemische cellen die CO2 omzetten, op de gewenste levensduur zitten van vijf jaar.’

Wat betreft andere vormen van elektrochemie is men echter al veel verder. ‘Chloorproducenten maken al jaren gebruik van elektrochemie’, zegt Koper. ‘En ook de elektrolytische productie van waterstof is een elektrochemisch proces. Als de overheid toch besluit om CO2 af te vangen, zou het interessant kunnen zijn om dit gas direct elektrochemisch om te zetten naar etheen of andere koolwaterstoffen. Anderzijds is het mogelijk CO2 met elektrolytisch waterstof te laten reageren tot een synthetische brandstof in een meer conventioneel chemisch proces. In beide gevallen is er een duurzaamheidslag gemaakt door de CO2 te recyclen.’

Volharding

De tegenwerping dat de productie van elektrolytisch waterstofgas nog te duur is, wuift Koper direct weg. ‘De huidige generatie elektrolysers zijn alleen nog niet concurrerend met fossiele waterstofproductie omdat het uitstoten van CO2 gratis is. Het succes van waterstofgas is dan ook meer afhankelijk van politieke keuzes dan van wetenschappelijke doorbraken. Natuurlijk wordt de businesscase gunstiger naarmate elektrolysers betaalbaarder worden, maar dat wil niet zeggen dat er geen gezonde markt voor zou zijn. Het streven blijft om een zo hoog mogelijke stroomdichtheid te halen zodat het conversieverlies zoveel mogelijk kan worden beperkt. De afgelopen jaren zijn op het gebied van waterstoftechnologie dan ook diverse vorderingen gemaakt. Dat zijn echter geen grote doorbraken, maar eerder incrementele verbeteringen die waterstof uit de elektrolyse van water steeds interessanter maken voor een aantal toepassingen.’

Koper noemt de inspanningen van autofabrikanten Toyota, Honda en Hyundai als voorbeeld van volharding. ‘Die bedrijven hebben al zeer vroeg hun pijlen op waterstoftechnologie gericht en plukken daar nu eindelijk de vruchten van. Nu gebruiken ze een combinatie van platina en kobalt als katalysator, wat net zo stabiel is als alleen platina. Daarmee zijn de prijzen van de brandstofcellen commercieel een stuk aantrekkelijker. Dit soort doorbraken zijn nauwelijks te forceren, maar zijn het resultaat van jarenlang onderzoek. Soms hebben we dus gewoon geduld nodig.’

Gelukkig zijn er steeds meer industriële bedrijven die geloven in de mogelijkheden van elektrochemie. Uiteraard gebruikt AkzoNobel al jaren elektrochemische processen voor de productie van chloor. Maar inmiddels investeren ook bedrijven als voormalig Bayer-bedrijf Covestro steeds meer in elektrochemie. Het bedrijf investeerde in de zeer efficiënte oxygen-depolarized cathode technologie, waarmee chloor kan worden geproduceerd met een kwart minder energie dan huidige methodes. Shell investeert eveneens in onderzoek naar elektrochemische processen, net als Siemens, dat met name zeer actief is op het gebied van water-elektrolysers voor het maken van elektrolytisch waterstof. Maar volgens Koper investeert het bedrijf ook in onderzoek naar CO2-elektrolysers.

Stikstofchemie

Koper: ‘Een industrietak waar misschien nog wel de meest significante resultaten te halen zijn met elektrochemie is de stikstofchemie. Als het deze branche lukt de waterstof die ze nu uit aardgas produceren te vervangen voor elektrolytisch waterstof, zou dat een enorm verschil kunnen maken. De productie van ammoniak staat ongeveer gelijk aan CO2-uitstoot en deze sector is daarmee een van de grootste CO2 uitstoters. Naast het conventionele proces waarbij waterstof bij hoge temperatuur en druk met stikstof reageert, is het in principe ook mogelijk is om stikstof en water direct via een electrolysecel naar ammoniak om te zetten. Ook hier is de natuur het beste voorbeeld: het nitrogenase enzym zet stikstof met water om in ammoniak. Deze  klassieke redoxreacties worden elektrochemisch gestuurd. Maar hier geldt eveneens dat we dat proces graag gecontroleerd en grootschalig willen nabootsen, en daar zijn we op dit moment nog ver van verwijderd.’

Nu beginnen.

Hoewel het groeipad van elektrochemie op het eerste gezicht nog erg lang lijkt, benadrukt Koper dat de industrie niet moet wachten met investeren. ‘CO2-electrolysecellen evenaren nog lang niet de levensduur van water-elektrolysecellen. We zitten nog met veel hiaten en onbeantwoorde fundamentele vragen. Het onderzoek vordert wel gestaag en naarmate de maatschappelijke druk groter wordt, komen er wellicht ook meer fondsen vrij. Hoewel doorbraken zich moeilijk laten forceren, helpt het wel degelijk als meer mensen gerichter onderzoek doen naar een oplossing voor het CO2-probleem. In de tussentijd kan men al voldoende ervaring op doen met de elektrochemische productie van etheen uit kooldioxide en water. Dat is niet alleen een beter alternatief voor het in de grond stoppen van CO2, maar daarmee ontstaat ook een volwassen markt en infrastructuur rondom kooldioxide en waterstof. Op het moment dat de technologie voor directe omzetting van CO2 volwassen genoeg is, kan ze dan snel worden toegepast.’

Congres

Industry and Energy: When electrons power molecules

Wanneer: 13 december 2018

Waar: Brightlands Chemelot Campus, sittard-geleen (nl)

Om de Europese klimaatuitdagingen en -doelen van het Parijs-akkoord te kunnen aangaan, zijn nieuwe manieren van samenwerking nodig. Om dat mogelijk te maken moeten de hekken tussen de zware procesindustrie en de energiesector omlaag. De eerste stappen zijn al gezet. Nieuwe energiebesparende processen zijn geïmplementeerd en geavanceerde bio-routes ontwikkeld. Bovendien gloort een andere, misschien meer duurzame synergie als elektronen en moleculen gaan samenwerken.

Elektrificatie en elektrochemie kunnen een cruciale rol spelen bij het terugdringen van de CO2-uitstoot of zelfs CO2-negatief worden. Een tweesnijdend zwaard! Enorme hoeveelheden duurzame elektriciteit kunnen worden opgeslagen door moleculen uit lucht en water om te zetten in nuttige materialen en brandstoffen. Snelgroeiende overschotten aan wind- en zonne-energie in Europa kunnen worden opgeslagen. En de industrie kan haar uitstoot drastisch verminderen en haar afhankelijkheid van fossiele grondstoffen op een concurrerende manier verminderen.

Om deze kans te grijpen, moeten er nieuwe waardeketens worden ontwikkeld die door meerdere sectoren snijden. Dus laten we de sectorhekken neerhalen en beginnen aan het activeren van een nieuwe economie! Kijk hier voor meer informatie en schrijf u alvast in.