Voltachem Archieven - Utilities

Kooldioxide (CO2) is vooral bekend als broeikasgas dat bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Minder bekend is dat het ook een grondstof kan vormen voor de productie van hernieuwbare brandstoffen en chemicaliën. In een consortium van Shared Innovation Program VoltaChem werken zes partners de komende twee jaar aan een project waarin CO2 met duurzaam opgewekte elektriciteit op grote schaal wordt omgezet in mierenzuur. Dit kan worden ingezet als brandstof, als conserveringsmiddel in diervoeders, voor energieopslag en als chemische bouwsteen. Het resultaat: lagere productiekosten, een lagere CO2-uitstoot en een bijdrage aan het duurzame energiesysteem van de toekomst.

Tot op heden wordt mierenzuur – zo genoemd omdat mieren en andere insecten het kunnen produceren – vrijwel uitsluitend geproduceerd uit fossiele grondstoffen. Op laboratoriumschaal is eerder aangetoond dat mierenzuur ook kan worden geproduceerd met behulp van CO2 en elektriciteit: directe elektrochemische conversie van CO2. Daarbij wordt eerst water met elektriciteit omgezet in waterstof en zuurstof. De waterstof wordt vervolgens direct gebruikt om de CO2 met behulp van elektriciteit om te zetten in mierenzuur.

Dit nieuwe project zet de volgende stap in de ontwikkeling naar een industrieel proces. Eind 2017 wordt er een elektrochemische reactor opgeleverd die op kleine schaal continu mierenzuur kan produceren met gebruik van fluctuerende hoeveelheden hernieuwbare  energie (zon en wind). Op basis van deze resultaten wil VoltaChem vervolgens in 2018 aantonen dat het proces ook op industriële schaal kan worden toegepast.

Mierenzuur

Door CO2 als grondstof te benutten en door duurzaam opgewekte energie te gebruiken, ontstaat CO2-neutraal mierenzuur. Een ander voordeel is dat je mierenzuur kunt gebruiken als vloeibaar en relatief veilig opslagmedium voor waterstof, bijvoorbeeld als brandstof in voertuigen. Waterstofgas heeft namelijk als nadeel dat je het onder hoge druk moet vervoeren en opslaan en dat het erg brandbaar is. Tot slot kun je mierenzuur gebruiken om duurzame energie op te slaan als er een overproductie van wind- of zonne-energie is.

 Samenwerking

In het project ‘Power-2-FA: Direct electrochemical conversion of CO2 to formic acid’ werken de volgende zes partijen de komende 2 jaar samen:

  1. TNO is vanuit VoltaChem projectcoördinator en gaat onderzoeken hoe mierenzuur op basis van CO2 met behulp van duurzame elektriciteit op grote schaal betaalbaar in een continu industrieel proces geproduceerd kan worden. TNO kijkt ook naar de invloed van een fluctuerend elektriciteitsaanbod op de efficiëntie van het systeem.
  2. Coval Energy heeft een innovatieve elektrochemische technologie ontwikkeld om mierenzuur te produceren uit CO2. en zal samen met TU Delft op kleine schaal demonstreren dat de technologie geschikt is om mierenzuur met de benodigde kwaliteit en snelheid te produceren. Daarna wordt gekeken naar industriële opschaling.
  3. TU Delft zal tests uitvoeren met de kleinschalige opstelling en zal voor de optimalisatie van de mierenzuurproductie fundamentele expertise en geavanceerde rekenmodellen inzetten op het gebied van elektrochemische reacties en materialen, en opschaling.
  4. CE Delft voert een studie uit naar de gehele keten, van mierenzuurproductie tot toepassing, inclusief een levenscyclusanalyse (LCA). Zij gaan na wat ervoor nodig is om de koolstofcyclus sluitend te krijgen en wat de potentiële impact van de productie van mierenzuur is op het energiesysteem van Nederland.
  5. Mestverwerking Friesland wil CO2 uit haar mestverwerkings- en biogasinstallaties omzetten naar het waardevolle product mierenzuur. In het project wordt nagegaan hoe gas uit de biogasinstallaties van Mestverwerking Friesland kan worden ingezet als CO2-bron.
  6. Team FAST is een TU/e studententeam dat een stadsbus wil laten rijden op mierenzuur. Het eerste 1 meter schaalmodel is gerealiseerd en in juli zullen zij ’s werelds eerste bus op mierenzuur laten rijden. De duurzame productie van mierenzuur is daarbij essentieel.

Shared Innovation Program VoltaChem is op zoek naar bedrijven die technologie in huis hebben om de levensduur van componenten in een electrolyzer te verbeteren. Partner ECN biedt zijn electrolyzer teststation aan voor deze bedrijven om de levensduur van deze componenten te testen.

Met een electrolyzer kun je waterstof maken uit water met behulp van elektriciteit. De behoefte aan waterstof stijgt de komende jaren sterk. Niet alleen vanuit de transportsector, maar ook vanuit de chemische industrie. Alle reden dus om samen te werken aan een concurrerende electrolyzer.

VoltaChem’s Power-2-Hydrogen expert Arend de Groot die binnen VoltaChem verantwoordelijk is voor de Power-2-Hydrogen programmalijn licht toe welke concrete kansen er liggen voor de Nederlandse hightech maakindustrie. ‘VoltaChem werkt aan de elektrificatie van de chemische industrie. Bij ECN hebben we sinds kort een uniek electrolyzer teststation staan dat levensduurtesten kan uitvoeren.

De levensduur bepaalt hoe succesvol een electrolyzer is. Op dit moment zorgen dure materialen zoals iridium voor de katalysator of edelmetaalcoatings om corrosie te voorkomen voor een lange levensduur. Met langeduurtesten en testen waarbij de degradatie gericht wordt versneld, willen we nu onderzoeken welke alternatieve componenten geschikt zijn om de kosten van de electrolyzer te verlagen, de efficiëntie te verhogen, en dat alles bij een gelijkblijvende of zelfs langere levensduur. We kunnen dit niet alleen en daarom zoeken we bedrijven die technologie in huis hebben om betere electrolyzer-componenten te produceren. Wij kunnen bedrijven helpen om componenten op basis van hun technologie te ontwikkelen en samen met hen de componenten te testen’.

Onafhankelijk

Waarom zouden hightech componentenleveranciers hun materialen eigenlijk niet direct laten testen bij hun (potentiële) klant: de electrolyzerfabrikant? ‘Dat heeft te maken met twee zaken’, legt De Groot uit. ‘Ten eerste weten de fabrikanten dat levensduur van componenten het belangrijkste is. Ze zijn dus alleen geïnteresseerd in componenten waarvan de levensduur al aangetoond is. En ten tweede is de architectuur van de cel waar de component in moet passen, vaak fabrikant-specifiek. Als je dus een materiaal getest wilt hebben dat toepasbaar moet zijn in verschillende soorten electrolyzers en als je op gelijkwaardige voet inzicht wilt krijgen in de resultaten, dan zal je de test dus uit moeten laten voeren door een onafhankelijk platform dat werkt volgens het principe van open innovatie. Dat is exact wat VoltaChem biedt. Een groot voordeel is dat de componentenleveranciers bij succesvolle, gestandaardiseerde testen een goed verhaal hebben richting hun potentiële klanten, de electrolyzerfabrikanten. Een win-win-situatie dus voor alle partijen.’

 

‘Electrolyzer fabrikanten zoals Siemens, Hydrogenics en ITM richten hun inspanningen vooral op het integreren van de electrolyzer stack in een compleet systeem. Cel- en stackontwikkeling vindt voor een belangrijk deel plaats met toeleveranciers van sleutelcomponenten als membranen, katalysatoren en separatorplaten. Uiteindelijk zit de toevoegde waarde van de electrolyzer met name in de toegeleverde functionele elementen. Daarom is het voor Nederland met zijn sterke hightech maakindustrie interessant zich als toekomstige toeleverancier te positioneren’, aldus De Groot.

VoltaChem heeft een helder beeld van welke innovaties er nodig zijn. Zo zouden de titanium platen tussen de elektrolysecellen moeten worden vervangen door andere corrosiebestendige materialen of slimme composietoplossingen. Ook zoekt de branche nog naar oplossingen die het oversteken van gassen (zuurstof/waterstof) door de polymeermembranen verminderen, bijvoorbeeld door toepassing van andere protongeleidende polymeren of gebruik van dunne lagen.

Ook de huidige titanium ‘current collector’ laag, zou moeten worden herontworpen. Deze zou een goede elektrische geleiding moeten hebben, maar moet tegelijkertijd het transport van gas en vloeistof zo min mogelijk hinderen. Als laatste zijn er alternatieven nodig voor de dure ruthenium/iridium-katalysatoren die worden gebruikt om water in protonen en zuurstof te splitsen.