TU Delft Archieven - Utilities

Onderzoekers in Delft hebben een katalysator ontwikkeld die zelfs in verwaarloosbare hoeveelheden effectief is. De vorm en de robuustheid van de katalysator zorgen ervoor dat deze veel langer meegaat in reacties, waardoor veel energie, afval en kosten kunnen worden bespaard. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.

Een katalysator is aanwezig in het reactiemengsel, maar is geen onderdeel van de chemische reactievergelijking. In theorie zouden katalysatoren dus eeuwig kunnen werken, maar in de praktijk zien chemici dat ze na verloop van tijd minder actief worden. Hierdoor is een grote hoeveelheid van de katalysator nodig om het reactieproces soepel te laten verlopen. De hulpstoffen moeten vervolgens weer uit het reactiemengsel worden gezuiverd, wat een intensief, kostbaar en vervuilend proces is.

Delftse onderzoekers hebben een nieuwe hulpstof ontdekt die volgens hen ongekend efficiënt is. In het onderzoek werkten de chemici met een mangaan katalysator, die moleculen hydrogeneert. Dat wil zeggen dat een dubbele verbinding in het molecuul wordt verbroken en waterstof op die plek in het molecuul komt. Deze reactie wordt vooral ingezet bij het verharden van oliën en vetten.

Zuiveringsstap

Onderzoeker Evgeny Pidko: ‘Om de katalysator effectiever te maken, zijn we gaan sleutelen om zo meer bindingsplekken per molecuul te creëren. Toen merkten we dat de reactie opeens stukken beter verliep.’ Met behulp van spectroscopie zagen de onderzoekers dat de nieuwe katalysator ideale eigenschappen vertoont. In geactiveerde toestand opent het zich om de vereiste reactie aan te drijven. In rusttoestand sluit de katalysator zijn pincet-achtige armen, wat het actieve deel beschermt. Het onderzoek van het team van Pidko laat zien dat de katalysator tot wel 200.000 ‘cycles’ gebruikt kan worden. Pidko: ‘Zelfs bij temperaturen van 120 graden Celsius valt hij niet uit elkaar.’ In plaats van de gebruikelijke 1000 ppm (delen per miljoen) is er van de nieuwe hulpstof maar 5 ppm nodig. Met zulke minieme hoeveelheden kan de zuiveringsstap die normaal nodig is worden overgeslagen.

De ontwikkeling is volgens de onderzoekers belangrijk voor het verduurzamen van de chemische industrie, maar kan niet direct op bestaande chemische processen worden toegepast. Daar is verder onderzoek voor nodig.

De TU Delft bundelt zijn activiteiten op het snijpunt van industrie en energie in de e-Refinery. Dit consortium helpt de chemische en energie-industrie te elektrificeren en decarboniseren. Samen met programmamaker Paulien Herder lanceerden decaan Theun Baller en Lucas van Vliet, decaan van faculteit TNW, officieel het consortium in de 3mE-proeffabriek.

Baller: ‘Met e-Refinery investeert TU Delft samen met de industrie fors in de klimaatuitdaging van de chemische en energie industrie. Daarnaast leiden wij de energie-experts van de toekomst op die duurzame brand- en grondstoffen kunnen ontwikkelen. Het unieke aan e-Refinery is dat de TU Delft alle expertise in huis heeft en deze bundelt, waarbij de hele keten, van materiaal tot en met processen en opschaling, wordt meegenomen. Samen met de industrie en kennisinstellingen gaan we hiermee de uitdaging aan om de duurzame transitie te versnellen.’

Veel onbekend

e-Refinery is een overkoepelende visie op de toekomst van duurzame chemicaliën en brandstoffen. Doel is het omschakelen van de energie- en chemiesector van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare grondstoffen en elektriciteit. Deze elektriciteit is bij voorkeur afkomstig uit hernieuwbare bronnen zoals zonne- en windenergie. Het is de basis van een uitgebreid netwerk van chemische en energetische omzettingen, waarvan nog niet precies bekend is hoe het eruit gaat zien.

Technology readiness

Wetenschappers hebben al aangetoond dat de afzonderlijke stappen van een e-Refinery mogelijk zijn. Het eenvoudigste voorbeeld is de omzetting van waterstof, met hulp van elektrische stroom op industriële schaal. Maar daarna zijn verdere stappen nodig, zoals het omzetten van koolstofdioxide tot brandstoffen en grondstoffen voor de chemische sector. Of bijvoorbeeld het koppelen van waterstof met stikstof tot ammoniak. De meeste van deze processen hebben een te laag Technology Readiness Level voor industriële toepassingen, er zijn nog fundamentele onderzoeksvragen die de TU Delft wil beantwoorden.

TU Delft prof. Andrei Metrikine gaat met het project ‘Gentle Driving of Piles’ aannemers helpen bij het zo efficiënt mogelijk installeren van heipalen voor windturbines op zee. De voorgestelde methode heet ‘Gentle Driving of Piles’ vanwege de mogelijkheid om de belasting op de paal en het onderwatergeluid te verminderen.

Metrikine heeft via het GROW-programma (Growth through Research, development & demonstration in Offshore Wind) een subsidie van 2,6 miljoen euro van RVO ontvangen voor het project. De nieuwe methode is gebaseerd op het gelijktijdig gebruik van laagfrequente en hoogfrequente trillingen die met twee verschillende bewegingen tegelijk op de palen worden aangebracht. Dat is mogelijk zonder de snelheid van het werk en het draagvermogen van de bodem – essentieel voor een stabiele toepassing – te verminderen.

In de loop van het project zullen nieuwe modellen worden ontwikkeld en gevalideerd op basis van experimentele gegevens die worden verzameld tijdens het onderzoek, terwijl tegelijkertijd nieuwe methodes voor het inbrengen van palen zullen worden getest.

GROW

Growth through Research, development & demonstration in Offshore Wind is een programma voor onderzoek, ontwikkeling en demonstratie rondom offshore windinstallaties ter waarde van meer dan 100 miljoen euro. Het betreft een consortium van zo’n 20 toonaangevende partners die in het kader van het programma kennis uitwisselen en intensief samenwerken. Zij werken aan het verlagen van de kosten voor offshore windinstallaties en het vergroten van de waarde binnen zowel het energiesysteem als het ecosysteem. Onderzoeksinstituten en bedrijven uit de gehele waardeketen voor offshore windenergie zijn betrokken bij het programma en zullen hun innovaties naar de markt brengen.

De projectpartners voor dit project zijn de TU Delft, Boskalis, Deltares, DOT, Eneco, Sif, TNO, ECN, Shell, IHC, Seaway Heavy Lifting en Van Oord.

Volgens veel wetenschappers is de beoogde ‘waterstofeconomie’, waarin waterstof de belangrijkste drager van duurzaam opgewekte energie moet gaan worden, onvermijdelijk. Maar aan het gebruik van waterstof zijn risico’s verbonden, omdat het brandbaar en moeilijk te detecteren is. Betrouwbare sensoren die de aanwezigheid van waterstof aantonen zijn daarom essentieel. Wetenschappers van de Universiteit Utrecht, de TU Delft en de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble hebben nu een sensor ontwikkeld die van kleur verandert bij blootstelling aan waterstof.

Het onderzoek waarover de wetenschappers in Nature Communications schrijven, is gericht op een combinatie van de chemische elementen yttrium en zirkoon, twee zogeheten ‘overgangsmetalen’. Het grote voordeel van die samenstelling is dat het materiaal van kleur verandert op het moment dat de hoeveelheid opgenomen waterstof stijgt. Hiermee heeft het onderzoek naar de overgangsmetalen een waterstofsensor opgeleverd die met het blote oog af te lezen is.

De sensor kan de vorm aannemen van een strip die eenvoudig te bevestigen is op plekken waar de waterstofdruk gemeten moet worden. Lekkages kunnen op die manier eenvoudig worden gedetecteerd, en ook kan met zo’n strip gemeten worden of de waterstofdruk in een installatie nog hoog genoeg is.

Verstrooiing

Het achterliggende principe van de nieuwe sensor is de atomen in het metaalrooster ruimte moeten maken voor de opname van waterstof, aldus de Utrechtse scheikundige Peter Ngene, eerste auteur van de publicatie. Dat kost een bepaalde hoeveelheid energie. Hoe groter de benodigde hoeveelheid energie, des te hoger de druk van het waterstof moet zijn om dit proces plaats te laten vinden. De veranderende kleur is een gevolg van het feit dat de hoeveelheid opgenomen waterstof in het materiaal bepaalt in welke mate licht wordt verstrooid.

De wetenschappers tonen met dit onderzoek aan dat de druk waarbij waterstof wordt opgeslagen en afgegeven in een rooster van Yttrium en Zirkonium nauwkeurig in te stellen is door een bepaalde verhouding tussen de beide materialen te kiezen. Met het aanpassen van de verhouding tussen de metalen verandert ook de benodigde energie. Hoe gevoelig de sensor is, is dus in te stellen door een bepaalde verhouding tussen yttrium en zirkoon te kiezen. Op die manier kan een druk van tussen de 0,1 mbar en 10.000 mbar gemeten worden.

Waterstofauto’s

Het onderzoek zou ook gevolgen kunnen hebben voor de opslag van waterstof voor gebruik in voertuigen. ‘Nu wordt waterstof opgeslagen in zware 700-bar-cilinders’, zegt prof. dr. Bernard Dam van de TU Delft, die ook meewerkte aan het onderzoek. ‘Idealiter zou je waterstof opslaan in een licht metaal, zoals magnesium. Alleen is de evenwichtsdruk van magnesium veel te laag, waardoor er bij het gebruik van magnesium niet genoeg flow van waterstof is om een brandstofcel aan te drijven.’

De wetenschappers denken dat het wellicht mogelijk is om een overgangsmetaal aan magnesium toe te voegen, en zo de evenwichtsdruk te verhogen tot minstens één bar. Dat zou magnesium tot een geschikt opslagmetaal, en een lichter alternatief voor de cilinders die nu worden gebruikt, maken. Verder onderzoek moet uitwijzen of dit idee uitvoerbaar is.

In het jaar 2100 vliegt de wereldbevolking negen keer zo veel kilometers als in 2015, en over dezelfde periode verdubbelt de gemiddelde reisafstand van alle toeristische reizen. De luchtvaart, voor negentig procent toerisme, ontkomt niet aan een sterke afname van de groei of zelfs geen groei, als we de klimaatdoelen willen halen. Dat zegt Paul Peeters, die op woensdag 15 november op dit onderwerp promoveert aan de TU Delft.

De stijgende CO2-emissies van het wereldwijde toerisme maken het onmogelijk om de klimaatdoelen van Parijs te halen. Dat wordt veroorzaakt door de enorme groei van het gebruik van het vliegtuig door vakantiegangers en zakenreizigers. In het jaar 2100 vliegt de wereldbevolking naar verwachting ruwweg negen keer zo veel kilometers als in 2015 en verdubbelt de gemiddelde per reis afgelegde afstand. Het aandeel van de luchtvaart in de CO2-emissies van toerisme groeit van vijftig procent in 2005 naar ruim 75 procent in 2100, terwijl verreweg de meeste reizen per auto worden afgelegd. Dat becijfert TU-promovendus Paul Peeters, tevens lector aan NHTV Breda University of Applied Sciences. Toeristen zijn nu verantwoordelijk voor ongeveer vijf procent van alle CO2-emissies, maar dit aandeel zal sterk gaan stijgen.

Nauwelijks effect

De ICAO (International Civil Aviation Organisation) is verantwoordelijk voor het verminderen van de emissies door de internationale luchtvaart. De in 2016 door ICAO aangekondigde maatregelen zullen echter nauwelijks effect hebben, zo blijkt uit het proefschrift van Peeters. Zelfs een combinatie van sterke maatregelen, zoals een tweehonderd procent ticket-taks, 1000 dollar per ton CO2-belasting, maximale inzet op technologie, negentig procent subsidie op duurzame biobrandstoffen en 200 miljard dollar investeringen per jaar in hogesnelheidsspoorlijnen, niet leidt tot economisch en klimatologisch duurzame ontwikkeling van toerisme. Om dat te bereiken zijn additioneel directe volumemaatregelen nodig die de luchtvaart onder het huidige niveau houden. Daarbij kan worden gedacht aan internationale afspraken over een beperking van aan het aantal vluchten op luchthavens. In de huidige discussie wordt te veel verwacht van technologische ontwikkeling in de luchtvaart, maar deze kan nooit de volumegroei compenseren.

ICAO

De belangrijkste aanbeveling voor beleidsmakers is volgens Peeters dan ook om beleid te formuleren waarmee het volume van de luchtvaart kan worden beperkt en daarmee de groei van de reisafstand. Het overlaten van het klimaatbeleid voor internationale luchtvaart aan ICAO, zoals nu het geval is, is volgens hem bijna een garantie voor het mislukken ervan. De ICAO behartigt vooral de belangen van de luchtvaartindustrie, waardoor niet valt te verwachten dat de ICAO in staat zal zijn het wereldwijde volume van de luchtvaart te verminderen. Daarom zouden landen ook verantwoordelijk moeten worden voor de emissies van internationale vluchten vanaf hun luchthavens.

Motor van de economie?

In 2016 publiceerde de Raad voor de leefomgeving en infrastructuur het kritische rapport ‘De mainports voorbij’ en stelde daar de groeiambitie van Schiphol ter discussie. Het proefschrift voegt een nieuwe dimensie toe aan deze discussie, zeker op middellange termijn. Als we de klimaatdoelen van Parijs willen halen, dan ontkomt luchtvaart niet aan een sterke afname van de groei en zeker ook krimp in rijke landen. Dat is niet bepaald een goed aanknopingspunt om de Nederlandse economie aan op te hangen. Het proefschrift laat zien dat het merkwaardig is dat de klimaateffecten van luchtvaart niet in de groeidiscussie worden meegenomen. Investeringsbesluiten over Lelystad, Schiphol en andere luchthavens hebben effecten voor vele decennia, dus het is relevant met lange-termijnscenario’s rekening te houden.

Het is weer tijd voor de jaarlijkse solar race en de Nederlandse teams doen het goed. Het team van de TU Delft, dat onder de naam Nuon Solar team staat ingeschreven, schoof de eerste dag van de vierde naar de eerste plek.

Succes voor de studenten van het Nuon Solar Team tijdens de eerste racedag in de Bridgestone World Solar Challenge in Australië: het team vertrok als vierde, maar schoof na diverse inhaalacties op naar de eerste plaats. Als laatste werd het team van Tokai University ingehaald, al jaren de grootste concurrent van het Nuon Solar Team. Western Sydney Solar Team eindigde de dag op een mooie derde plaats, gevolgd door Twente en België. De belangrijkste vijand van vandaag was de bijna ondragelijke hitte: de temperatuur in Nuna9 liep op tot boven de vijftig graden Celsius.

De eerste racedag begon voor het Nuon Solar Team behoorlijk bewolkt, en met drie andere teams in het vizier: België met Punch Two, Japan met Horizon 17 en het Australische team uit Sydney met Unlimited 2.0. “We hadden goede hoop dat we België, Japan en Australië vandaag al konden passeren met ons racemonster Nuna9”, zegt Sharon van Luik, die startte als eerste coureur. “Maar je moet het nog wel even doen. En dat was vandaag niet eenvoudig: het verkeer was vrij druk en op sommige stukken stond er ontzettend veel wind. Maar uiteindelijk gingen we erop en erover: Nuna9 ging vandaag als een speer.”

Tijdwinst ondanks traagste start

De eerste racedag is de traagste uit de geschiedenis van het Nuon Solar Team – dat dit jaar voor de negende keer meedoet. Dat komt omdat er veel minder zonnecellen op de auto zijn geplaatst, als gevolg van de steeds strengere eisen vanuit de organisatie. Wel is er veel tijdwinst geboekt tijdens de ‘control stops’. Coureur Emma Vercoulen – die vandaag als tweede plaatsnam achter het stuur – denkt dat Nuna9 vooral voordeel haalt uit een slimme oplossing die het team heeft bedacht om het paneel snel omhoog te kunnen zetten tijdens de verplichte stops. “We doen dat nu met een hendel, waardoor we als coureurs heel snel uit kunnen stappen en het paneel naar de zon richten voor extra energie-inname. Hiermee winnen we veel tijd ten opzichte van de concurrentie.” Bij de laatste officiële tijdmeting was het verschil ongeveer acht minuten met de nummer twee, Tokai.

Sudoku’s in ondragelijke hitte

De belangrijkste vijand van vandaag was de temperatuur, die in de cockpit opliep tot boven de vijftig graden Celsius. Lisanne de Rooij, die als coureur vandaag de dag afsloot: “De hitte is onvoorstelbaar. Het is buiten 39 graden, maar onder de kap is de temperatuur tien tot vijftien graden hoger. En we kunnen niet meer dan twee liter water meenemen in de cockpit. Het is echt afzien tot de volgende control stop.” Gelukkig zijn de coureurs van het Nuon Solar Team goed voorbereid op deze temperaturen. Zo trainden ze onder meer in een sauna waar ze taken kregen zoals het oplossen van Sudoku’s, om scherp te leren blijven in de hitte.

Topambitie

Het Nuon Solar Team zag verschillende concurrenten terugvallen met technische problemen, waaronder de Belgen en het team van Sydney. Nuna9 kwam de dag zonder problemen door, tot grote tevredenheid van de studenten van de TU Delft. In de aanloop naar de race zorgden problemen met de accu voor flinke vertragingen bij de voorbereidingen, maar het lijkt erop dat het team de auto net op tijd in topconditie heeft gekregen. Het Nuon Solar Team hoopt op donderdag 12 oktober voor de zevende keer als winnaar over de finish in Adelaide te komen. Dat wordt niet eenvoudig nu de concurrentie elk jaar sterker wordt en de verschillen aan de top steeds kleiner. Twee jaar geleden versloeg het Nuon Solar Team concurrent Twente met 8 minuten: een minimaal verschil op een race van 3.000 kilometer.

Wat moeten de criteria worden om in de energie-intensieve industrie de gewenste en noodzakelijke systeemtransformatie te realiseren? Met toenemende klimaatverandering in het achterhoofd kan dat alleen maar aanzienlijke CO2 reductie voor alle sectoren in onze economie zijn. Welke mogelijkheden staan de industrie open? Vier deskundigen houden een verkennend gesprek.

Tseard Zoethout

‘Het klimaatakkoord van Parijs mag weliswaar een goed ijkpunt voor het huidige klimaatbeleid zijn’, trapt Den Ouden af, ‘de instrumenten om binnen de anderhalf à twee graden globale temperatuursstijging in 2050 te blijven zijn onduidelijk.’

‘Waar ik me zorgen om maak, is de snelheid: CO2 accumuleert in de atmosfeer. Het betekent dat we nu jaarlijks ruim drie procent CO2 minder moeten uitstoten. Uitstellen nu betekent dat we later veel meer moeten doen. Volgens het RLI-advies ‘Rijk zonder CO2‘ zou de gebouwde omgeving het eerst moeten decarboniseren en de zware industrie wegens de internationale concurrentiepositie later maar we weten nog niet of EZ dit advies volgt.’

industrie zit gevangen in economisch tij met dunne marges

‘In het klimaatbeleid is de energie-intensieve industrie onderbelicht. Een beetje besparen en biomassa inzetten, daarmee is alles wel bijna gezegd’, voegt Berkhout daaraan toe. ‘Manieren om radicaal te veranderen komen niet van de grond. De industrie zit gevangen in het economisch tij met dunne marges.’

‘Een belangrijke drijfveer komt van grootschalig wind op zee. Dat zullen we tot tientallen Gigawatten moeten overdimensioneren om het intermitterende karakter van duurzame energie op te vangen. Met die overschotten aan elektriciteit op winderige dagen kunnen we meer sectoren dan enkel de industrie verduurzamen.’

Onderlinge afhankelijkheid staat op gespannen voet met flexibiliteit

‘Industriële ecosystemen – waarin energiestromen tussen bedrijven worden uitgewisseld – scheppen onderlinge afhankelijkheid waarmee de flexibiliteit van bedrijven in het gedrang komt’, zegt Stikkelman. ‘Voorbeelden van onderlinge uitwisseling zijn vaak zijn voor de hand liggende een-tweetjes. Bij meer dan twee bedrijven (een multi-actor systeem) is dat minder gemakkelijk en krijg je, naast de technische uitdagingen, ook met gedrag van bedrijven te maken. Het optimum van individuele bedrijven hoeft niet tot een optimaal systeem te leiden. Ook hoeft intensieve koppeling tussen bedrijven niet in een lock-in situatie te resulteren.’

Hij geeft een aansprekend voorbeeld uit de Rotterdamse haven uit het verleden. ‘De productie van zwavel door raffinaderijen, enkele honderden kiloton, was toen precies genoeg om dat, na omzetting in zwavelzuur, aan de lokale kunstmestindustrie af te zetten totdat, twee jaar later, de fosforzuurfabriek van Hydro Agri uit de haven verdween. Gelukkig maar dat we niet hebben gekozen om zwavel uit te wisselen. Betrouwbare levering over de langere termijn is immers essentieel.’

Volgens hem is het dan ook beter om op nieuwe infrastructuren voor gasvormige energiedragers – zoals waterstof en koolmonoxide – in plaats van op lokale aanpassing van industriële installaties aan te sturen.

‘Uiteindelijk zal alle energie uit duurzame bronnen komen’, schetst Raadschelders het toekomstbeeld. ‘De industrie kan hierbij een grote rol spelen bij het absorberen van de variabiliteit in opwekking. Dat kan ze realiseren door een grote technologische flexibiliteit op de energie-input, bijvoorbeeld met hybride boilers, buffering en seizoensopslag van warmte en elektriciteit. Intussen weerspiegelen de energieprijzen wel het gebruik van het huidige systeem maar bij lange na niet de reële kosten, namelijk die van de CO2 emissies. Een marktplaats voor brandstoffen, afval en grondstoffen – afgezet in de tijd die ons volgens het Parijs akkoord rest – is noodzakelijk voor innovatie vanuit de markt.’

‘Synergievoordelen zijn echter alleen te halen als de industrie over zijn eigen schaduw durft te springen en een onafhankelijke derde, een marktmeester die zowel streng als flexibel is, dat transitieproces laat bewaken. Die moet partijen bijeen brengen en ook de lange termijn leveringszekerheid kunnen blijven garanderen.’

 

Elektrificatie van de industrie kan goed door de inzet van duurzame bronnen en een grootschalige waterstofinfrastructuur

Volgen Den Ouden zijn de hoofdlijnen voor de systeemtransformatie inmiddels bekend: ‘het kan met een circulaire economie die alle koolstof terugbrengt in de materiaalketen, een biobased economie die de C uit biomassa haalt en tot waardevolle componenten vermarkt of elektrificatie van de industrie en het kan door een grootschalige waterstofinfrastructuur uit schoon fossiel en CCS (afvang en opslag van CO2) als tussenoplossing naar duurzaam.’

‘Daarvoor moeten we wel, meer dan voorheen, de energiesector met de industrie gaan zwaluwstaarten. De keuze van een bepaalde energiebron heeft consequenties voor industriële grootverbruikers en omgekeerd. De industrie en de energiesector zijn nauw met elkaar verbonden. Het is ook de vraag of we elektrificatie van de industrie uitsluitend op brandstoffen of ook op grondstoffen moeten toepassen. Misschien is de goedkoopste oplossing voor alle drie de richtingen door middel van marktwerking wel het beste.’

 

Wat we nodig hebben, is een virtuele koepel over de bedrijven

Inmiddels spreekt ICT een danig woordje mee in de discussie over systeemtransformatie. Raadschelders weet er inmiddels al veel van. ‘Als in een systeem met twee partijen er een uitvalt, ligt het plat. Bij meerdere partijen draait het systeem echter gewoon door en treedt er voornamelijk lokale disruptie op. Warmtenetten kunnen daarvan profiteren: wees niet afhankelijk van slechts een partij maar spreidt de risico’s voor het aanbod over meerdere.’

Maar er is meer. De marktplaats die hem voor ogen staat, is tevens een virtuele. ‘Met digitalisering kunnen we nog een behoorlijk grote slag maken’, zegt hij. ‘Flexibiliteitsmarkten als EnSquare en EnTrace geven een vervolg op GVO’s (garanties van oorsprong van duurzame bronnen, TZ). Die maken energieproductie en -consumptie via ‘peer to peer’ contracten inzichtelijk. Daarmee wordt de maatschappelijke impact ook duidelijk: is de import van windenergie uit Duitsland, zowel qua kosten als qua vermeden CO2 emissies, nu beter dan de import van houtsnippers uit Canada voor bijstook in kolengestookte centrales? Zo’n virtuele koepel lijkt me broodnodig maar wordt, nog niet, door industriële grootverbruikers opgepakt.’

‘De petrochemische industrie heeft behoefte aan koolstof en energie. Als we deze industrie willen behouden’, zegt Stikkelman, ‘zullen we geleidelijk alle koolstof uit onze grondstoffen moeten verwijderen. De energiebehoefte aan koolstof valt goed te combineren met conversie van biomassa en hergebruik van CO2. Die energiebehoefte zal in toenemende mate gedekt moeten worden door duurzaam geproduceerd waterstof. Door ombouw en vernieuwing van onze installaties zullen we het havenindustrieel geschikt moeten maken voor drie nieuwe grondstoffen: H2, CO en CO2.’

‘Maar vergis je niet’, zegt Den Ouden, ‘het is een gigantische klus die tientallen miljarden euro’s gaat kosten. Enkele zeggen ‘dat gaat gemakkelijk’, anderen juist ‘dat gaat nooit’. Realistisch rekenen en vertrouwen zijn essentieel. Sommige aanpassingen – zoals hoge temperatuur warmtepompen of stoomrecompressie – kunnen bij aanpassing van de investeringscriteria nu al geld opleveren maar de meesten kosten geld in de huidige omstandigheden. Dat betekent dat we de zichthorizon voor investeringen langer dienen te maken, de onrendabele top moeten dekken en het beleid daarop moeten inrichten.’

 

Als je volgens de Energieagenda op CO2 reductie wilt sturen, doen dat dan ook voor alle sectoren en reductiemogelijkheden

Volgens de deskundigen schort daar nog wel het een en ander aan. Raadschelders: ‘De fysieke en wettelijke infrastructuur van stroom en gas is inmiddels goed geregeld maar die van warmte en, vooral,  van stroomopslag bepaald niet. Over een kWh stroomopslag wordt nu twee keer belasting betaald. Dat werkt marktverstorend terwijl we stroomopslag straks, wegens het toenemende aanbod duurzame bronnen, bitter hard nodig hebben.’

Over het echt hete hangijzer – het volledig verdisconteren van CO2 in de energieprijs – verschillen de deskundigen van mening. De prijs op de ETS beurs (Emission Trading System) is in ieder geval veel te laag (nu circa vijf ton per ton vermeden CO2 TZ.) voor het bereiken van de Parijs doelstelling terwijl critici grote vraagtekens plaatsen bij de uitgifte van emissierechten aan het MKB en de werkelijk grote energieverbruikers.

Vanuit systeemperspectief stelt Stikkelman stelt voor om de fossiele koolstofwinning meteen aan de bron te belasten, Raadschelders en Berkhout laten zich niet uit over dit onderwerp (bijvoorbeeld over de ‘carbon floor’ in de UK). Den Ouden ziet wel een haakje in het huidige beleid. ‘Als je volgens de Energieagenda op CO2 reductie wilt sturen – dus niet alleen duurzaam maar voor alle vormen van CO2 reductie – voeg dan ook daad bij woord en doe het voor alle sectoren en reductiemaatregelen. Dan schep je een transparant en gelijk speelveld. Ik ben ervan overtuigd dat dit maatschappelijk een veel beter resultaat en vele miljarden aan kostenreducties zal opleveren’, besluit hij.

 

De experts

 

Bert den Ouden is nog het meest bekend als de oprichter en CEO van de APX Energiebeurs. Sinds drie jaar leidt hij de unit energie en duurzaamheid bij Berenschot. Daarnaast is hij operationeel directeur van de Stichting Flexible Power Alliance Network dat open source standaarden voor slimme netten ontwerpt (met als aansprekend voorbeeld ‘Power Matching City’ in de Groningse wijk Hoogkerk)

Rob Stikkelman begon zijn carrière als chemisch technoloog bij Shell Pernis. Hij stond aan de wieg van het Port Research Centre (PRC), een succesvol samenwerkingsverband van de Rotterdamse Haven en de TU Delft. Nu is hij directeur van het Centre for Port Innovation.

Jillis Raadschelders heeft meer dan vijftien jaar ervaring met diverse stroomopslagsystemen en is de oprichter van het DNV GL European New Energy Technologies team dat zich focust op R&D, testen en implementeren van nieuwe energie technologieën. Hij richt zich nu op decentrale energietransities. Raadschelders is vicepresident van EASE (European Association for Storage of Energy) en voorzitter van Energy Storage NL.

Joris Berkhout is partner bij Quintel Intelligence, een bedrijf dat zich richt op strategie, energie modellering en energieonderzoek voor overheden, instituten en NGO’s over de hele wereld. Met collega’s heeft hij het Energy Transition Model ontwikkeld.

 

Het klinkt bijna te mooi om waar te zijn, maar TU Delft-promovendus Ming Ma heeft echt een manier gevonden om alcohol uit de lucht te halen. Wat nauwkeuriger gezegd heeft hij een manier ontdekt om het elektroreductieproces van CO2 zo effectief en nauwkeurig te beheersen dat er een breed scala aan nuttige producten, waaronder alcohol, mee kan worden geproduceerd. Zo kan CO2 als hulpbron worden ingezet, wat weleens cruciaal kan blijken te zijn bij het tegengaan van klimaatverandering. Hij promoveert op 14 september.

Voor het verminderen van de concentratie CO2 in de atmosfeer zou het afvangen en gebruiken van koolstof (carbon capture and utilization, CCU) weleens een goed alternatief kunnen blijken te zijn voor het afvangen en vastleggen van koolstof (carbon capture and sequestration, CCS). De elektrochemische reductie van CO2, waarbij brandstof en waardevolle chemicaliën ontstaan, wordt al enige tijd als veelbelovende oplossing gezien. Bij dit proces wordt de afgevangen CO2 omgezet in koolstofmonoxide (CO), methaan (CH4), ethyleen (C2H4) of zelfs vloeistoffen zoals mierenzuur (HCOOH), methanol (CH3OH) en ethanol (C2H5OH).

Vanwege hun hoge energiedichtheid kunnen koolwaterstoffen binnen de huidige energie-infrastructuur direct en gemakkelijk als brandstof worden gebruikt. De productie van CO is ook heel interessant, omdat het als grondstof voor het Fischer-Tropsch-proces kan worden gebruikt, een technologie die in de industrie al breed wordt toegepast om syngas (koolstofmonoxide plus waterstof (H2)) om te zetten in waardevolle chemicaliën zoals methanol en synthetische brandstoffen (denk aan diesel).

Nauwkeurige afstemming van het proces

Ming Ma beschrijft in zijn proefschrift de processen die op nanoschaal plaatsvinden wanneer verschillende metalen worden gebruikt bij de elektroreductie van CO2. Wanneer bijvoorbeeld koperen nanodraden in het proces worden gebruikt, ontstaan er koolwaterstoffen, terwijl er bij zilveren en gouden nanodraden CO wordt geproduceerd. Ma heeft bovendien ontdekt dat het proces zeer nauwkeurig kan worden gereguleerd door de lengte van de gebruikte nanodraden en de stroomsterkte aan te passen. Door de juiste waarden voor deze kenmerken te kiezen kan hij elk gewenst koolstofproduct maken, en combinaties in elke gewenste verhouding, en zo de hulpstoffen produceren voor de drie hierboven beschreven vervolgprocessen.

Met metaallegeringen zijn nog interessantere resultaten te bereiken. Als er alleen platina wordt gebruikt ontstaat er waterstof, en bij goud CO, maar wordt er een legering van deze twee metalen gebruikt, dan blijken er ineens relatief grote hoeveelheden mierenzuur (HCOOH) te worden geproduceerd. Mierenzuur is een veelbelovende stof voor gebruik in brandstofcellen.

csm_solar-fuel-18_0e884add83

Waterstof is een veelbelovende energiedrager die steeds belangrijker wordt. Maar het kan gevaarlijk zijn, omdat het brandbaar is en moeilijk te detecteren. Om veilig gebruik te kunnen maken van waterstof als energiebron, zijn daarom sensoren nodig die zelfs de kleinste waterstoflekken kunnen opsporen. Wetenschappers van TU Delft, KU Leuven en het Rutherford Appleton Laboratory (VK) ontdekten dat het metaal hafnium hiervoor uitermate geschikt is.

Waterstof maakt een goede kans om fossiele brandstoffen in de nabije toekomst deels te vervangen als energiedrager. Het is schoon, want bij de verbranding ervan zijn waterdamp en warmte de enige restproducten, en met behulp van water en een energiebron (bijvoorbeeld zonne-energie), kun je er zoveel van maken als je wilt. Maar voordat we onze infrastructuur kunnen gaan inrichten op het gebruik van waterstof, zijn er nog wel wat hordes te nemen. Eén van die hordes is de betrouwbare detectie van waterstofgas.  Waterstof reageert namelijk met zuurstof, wat in het ergste geval een explosie tot gevolg kan hebben. Maar afgezien daarvan willen we zo min mogelijk waterstof laten weglekken in de atmosfeer.

Grote gevoeligheid

Waterstof opsporen mag dan moeilijk zijn, het is zeker niet onmogelijk. Zo zijn er optische sensoren, materialen die waterstofatomen opnemen en waarvan vervolgens bijvoorbeeld de reflectie verandert. Die verandering kun je meten, waardoor je weet hoeveel waterstof op een bepaalde plek aanwezig is.

‘Tot nu toe werd vooral puur palladium gebruikt als optische waterstofsensor’, vertelt prof. Bernard Dam van de TU Delft. ‘Maar de laatste jaren hebben wij hier in Delft aangetoond dat een legering van goud en palladium een nog betere sensor is, en zijn collega’s wereldwijd dat gaan onderzoeken.’ Palladium-goud, waar ook sierraden van worden gemaakt, heeft het voordeel dat het op kamertemperatuur werkt. Helaas is het niet in staat om een lage waterstofdruk te detecteren.

Gemakkelijk ijken

Hafnium heeft die gevoeligheid wel, zo bleek uit dit in Nature Communications gepubliceerde onderzoek, dat geleid werd door PhD-kandidaat Christiaan Boelsma van TU Delft. Bernard Dam: ‘Het unieke aan dit materiaal is dat het optisch minimaal zes ordegroottes aan druk kan meten. De laagst gemeten druk is 10-7 atmosfeer, maar deze druk wordt door de meetopstelling bepaald. Het lijkt er op dat nog drie ordegroottes lager in druk gemeten kan worden met hafnium, al moeten we verder onderzoek doen om dat te bevestigen.’ Ook mooi meegenomen: de optische eigenschappen van hafnium veranderen lineair met de druk en de temperatuur van het materiaal. ‘Dat betekent dat de ijking van hafniumsensoren heel gemakkelijk is’, zegt Dam.

Is hafnium dan op alle fronten een betere waterstofsensor dan palladium-goud? Dat niet, want het materiaal werkt het beste bij een temperatuur van zo’n 120 graden Celsius. Maar dat probleem is volgens Dam eenvoudig op te lossen door een dun laagje hafnium bovenop een optische fiber te plaatsen, en die fiber vervolgens te verwarmen met behulp van een opwarm-LED (zie beeld).

Waterstofeconomie

In Delft wordt momenteel uitgebreid onderzoek gedaan naar waterstof. Eind vorig jaar onthulde prof. Fokko Mulder bijvoorbeeld de zogeheten ‘Battolyser’, een apparaat dat elektriciteitsopslag en waterstofproductie in één systeem combineert. De Battolyser maakt het mogelijk om goedkoop waterstof te maken en op te slaan, en heeft de zogeheten ‘waterstofeconomie’ een stap dichterbij gebracht. Dit onderzoek naar gevoelige waterstofsensoren is ook een stap in die richting.

Het Reactor Instituut Delft (RID) is met het ‘Battery Lab van Radiation, Science & Technology’ vanaf 6 april een nieuw laboratorium rijker. Het bijzondere lab vormt een geavanceerde faciliteit voor het onderzoek naar en testen van huidige en toekomstige batterijen en daaraan gerelateerde elektrochemische apparaten.

TU Delft wetenschappers Erik Kelder en Marnix Wagemaker werken in het nieuwe lab met hun onderzoekteams aan alle volgende generaties nieuwe batterijen: van goedkope statische opslag van duurzame energie tot hoge energiedichte batterijen voor elektrisch vervoer en elektronica.

Dr. Erik Kelder licht de noodzaak van het nieuwe lab toe: ‘Het batterijonderzoek is de afgelopen jaren enorm gegroeid. Batterijen zijn en worden belangrijke hulpmiddelen voor toepassingen als mobiele elektronica, elektrische voertuigen, menselijke implantaten en systemen voor duurzame energieopslag. We hadden dan ook een nieuw lab nodig vanwege de toenemende vraag naar de ontwikkeling van allerlei soorten nieuwe batterijen.’

Combinatie met unieke infrastructuur van RID

Volgens Dr.ir. Marnix Wagemaker is het nieuwe lab uniek in Nederland: ‘Het lab is groter geworden met meer mogelijkheden voor onderzoek. Nu zitten alle faciliteiten in de labs centraal bij elkaar op een plek. En kan de combinatie gemaakt worden met de unieke infrastructuur van het RID, inclusief de technieken ‘operando XRD’ en neutronendiepteprofilering, neutronendiffractie en vaste stof NMR. Hiermee zijn we in staat de complexe processen in batterijen beter te begrijpen, zodat we betere batterijen kunnen ontwikkelen.’

In het laboratorium worden diverse coating- en prepareertechnieken toegepast, is er apparatuur voor ‘celassemblage’ en zijn er zowel standaard als unieke testsystemen. Zo is er een elektrospray-eenheid in een handschoenkast, en ‘Scanning Electrochemical Microscopy’ wordt gekoppeld aan een ‘Atomic Force Microscope’ waarmee op atomaire schaal in batterijen wordt gekeken.