STW.nl

U bent hier

Waar stallen we onze groene stroom?

Project nummer 
15169
Type project 
Lopend
Vakgebied 
Technische wetenschappen
Duurzame energiebronnen zoals zon en wind hebben twee nadelen: het aanbod is te grillig en je kunt elektriciteit moeilijk opslaan. Synthetische brandstoffen lossen beide problemen op. Drie TTW-onderzoeken moeten daarvoor de weg vrijmaken.
 
Het valt moeilijk te ontkennen: we komen maar moeizaam af van onze verknochtheid aan fossiele brandstoffen. Dat ze schade aan het klimaat toebrengen, daarover heerst in ons land brede consensus. Over de urgentie van dit probleem lopen de meningen dan weer sterk uiteen. Zo ging nog vorig jaar een nieuwe kolencentrale van start op de Tweede Maasvlakte, zonder dat de oorspronkelijk beloofde CO2-afvang werd gerealiseerd.
 
Waarom bouwen we in plaats van zo’n  kolencentrale niet simpelweg een windpark? Verrassend genoeg ligt dat niet zozeer aan het feit dat groene energie duurder is. Het punt is vooral dat een hoogontwikkeld industrieland als Nederland van minuut tot minuut over een zeer betrouwbare energievoorziening moet beschikken. Traditionele energiecentrales kunnen die leveren, maar wind- of zonnecentrales niet.
 
Daarom zijn er naast windmolens en andere duurzame bronnen voorlopig ‘ouderwetse’ fossiele centrales nodig om tijdens bewolkte, windstille dagen de elektriciteit te leveren die Nederlandse bedrijven en huishoudens nodig hebben. Ziehier het bestaansrecht van kolen en gas als energiebronnen. 
 
Centraal geregelde opslag
Dit probleem speelt vrijwel overal ter wereld. Het mag daarom geen wonder heten  dat voorstanders van een energietransitie al jaren zoeken naar manieren om groene stroom op een efficiënte manier op te slaan. De befaamde Amerikaanse ondernemer Elon Musk lanceerde daartoe in 2015 de Power Wall: een fraai vormgegeven thuisaccu voor opslag van groene stroom. De accu heeft vooralsnog een beperkte capaciteit en een erg fiks prijskaartje.
 
Het dichtbevolkte Nederland lijkt geschikter voor meer gecentraliseerde oplossingen. De reden daarvoor is dat hier lang niet iedereen over een eigen dak beschikt om zonnepanelen op aan te brengen, maar er wel grootschalige windparken worden aangelegd. Een centraal geregelde opslag kan bijvoorbeeld een netwerk van batterijen zijn.
 
Voor opslag op langere termijn dan een aantal uren is het echter veel efficiënter om groene stroom om te zetten in brandstoffen. De afgelopen tijd gingen bij NWO-domein TTW drie onderzoekstrajecten van start die – in de niet zo verre toekomst – toepassing van zulke technologie mogelijk moeten maken. 
 
Omgekeerd verbranden
De vraag is nu welke stof het meest geschikt is als ‘groene brandstof’. Op het eerste gezicht lijkt waterstof de meest voor de hand liggende kandidaat. Dit element kun je immers met groene stroom winnen uit zeewater. Bovendien komt bij verbranding van waterstof geen CO2 vrij, maar slechts water. Helaas is de opslag van waterstof enorm problematisch, onder meer vanwege het lage kookpunt en de eigenschap dat de kleine waterstofmoleculen gemakkelijk door tankwanden heen weglekken.
 
Waldo Bongers van het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) richt zich daarom op de synthese van methaan (CH4) uit water en CO2. Het grote voordeel van deze aanpak is dat synthetisch methaan praktisch hetzelfde is als aardgas. Er bestaat al een uitgebreide infrastructuur om het te distribueren en het in de vorm van liquified natural gas (LNG) op te slaan.
 
‘Ons project richt zich in feite op een omgekeerd verbrandingsproces’, zegt Bongers. ‘We splitsen CO2 via een proces van plasmaconversie in combinatie met elektrolyse.’ De benodigde CO2 kun je winnen uit de verbrandingsgassen van een gascentrale. Dit broeikasgas wordt dan eerst omgezet in – brandbaar – koolstofmonoxide (CO). De grote kunst is volgens Bongers om daarbij terugreacties met losse  zuurstofmoleculen te vermijden. Vervolgens wordt de CO via elektrolyse omgezet in methaan. Wanneer je daarmee een gascentrale zou voeden, is de cyclus CO2-neutraal.
 
Nog mooier is het om de CO2 uit de lucht te winnen, waardoor de concentratie van dit broeikasgas in de atmosfeer daalt. ‘Dat is gewoon mogelijk,’ zegt Bongers, ‘al gaat dat voor ongeveer 10 procent ten koste van het rendement.’
 
Extra interessant aan dit onderzoek is dat het de deur opent naar andere synthetische, op koolstof gebaseerde brandstoffen. Bongers: ‘Afhankelijk van de verhouding tussen de verschillende atomen kun je, via het fischer-tropsch-proces, bijvoorbeeld ook kerosine maken.’ Dat is goed nieuws voor de luchtvaart en andere sectoren waar accu’s nog lang geen reële optie zijn. Ondanks grote mediahypes over elektrische passagiersvliegtuigen zijn de benodigde batterijen nog veel te zwaar.
 
Dankbaar gebruik
Een andere manier om groene stroom om te zetten in hanteerbare brandstof is de productie van synthetische ammoniak (NH3), een verbinding tussen waterstof en stikstof. Eind vorig jaar startte de Delftse onderzoeker Fokko Mulder een project rondom de verdere ontwikkeling van de zogeheten battolyser, een samentrekking van batterij en electrolyser.
 
‘Al lang geleden werd ontdekt dat sommige batterijen waterstof produceren’, zegt Mulder. ‘Het is een riskant en daarom ongewenst bijproduct. Maar onze vinding maakt van die eigenschap juist dankbaar gebruik.’
 
Wanneer er – in de niet al te verre toekomst – een tijdelijk overschot aan groene stroom ontstaat, kan deze worden gebufferd in een serie battolysers. Zodra die zijn opgeladen, beginnen ze waterstof te produceren. Omdat de battolyser eveneens een efficiënte batterij is, kan hij ook stroom terug leveren als er bijvoorbeeld ’s nachts een stroomtekort ontstaat. De waterstof kan via het zogenoemde haber-bosch-proces aan atmosferische stikstof worden gebonden.
 
De resulterende ammoniak is in vloeibare vorm op te slaan. De stof is op een later moment, wanneer er een tekort aan stroom dreigt en tegelijkertijd de battolyser leeg is, worden verbrand in een gascentrale. ‘Deze cyclus is gegarandeerd koolstofneutraal,’ zegt Mulder. ‘Er is alleen stikstof, water, ijzer en nikkel nodig om het verhaal rond te krijgen.’
 
De achilleshiel is vooralsnog het haber-bosch-proces. Mulder: ‘Dat is weliswaar een volwassen procedé, maar omdat het een hoge temperatuur en druk vereist, is het slecht schakelbaar.’ Dat betekent dat je het moeilijk snel kan opstarten op het moment dat de omstandigheden dat vereisen. Daarom onderzoekt Mulders groep ook de rechtstreekse productie van ammoniak uit water en stikstof – een project dat sinds februari 2017 eveneens dankzij TTW-financiering van start ging. Dat neemt niet weg dat de battolyser volgens Mulder ‘het dichtst bij de markt’ staat. 
 
Overschotten aan groene stroom
De battolyser is zelfs zo dicht bij de markt dat energieleverancier Nuon de technologie wil toepassen in de gascentrale Magnum in de Eemshaven. ‘Ons doel is: geen CO2 meer uit de schoorsteen,’ zegt directeur Alexander van Ofwegen van Nuon Productie. ‘Het kraken van ammoniak naar waterstof en stikstof heeft onze voorkeur omdat het een bekende technologie is, en ook omdat er volstrekt geen koolstof aan te pas komt. Koolstof hoort thuis in de chemische industrie, niet in de stroomvoorziening.’
 
Nuon investeert als cofinancier in beide TTW-projecten van Mulder. Het bedrijf is onderdeel van Vattenfall, een energiebedrijf dat geheel in handen is van de Zweedse overheid. Deze dicteert de overgang naar een duurzame elektriciteitsvoorziening binnen één generatie.
 
‘We realiseren ons heel goed dat dat niet in één klap mogelijk is,’ zegt Van Ofwegen. ‘Sowieso krijgen we in Nederland pas rond 2030 te maken met overschotten aan groene stroom. Maar de implementatie van deze technologie gaat dan ook nog zeker 10 jaar duren. Er is in die periode een enorme standaardisatie nodig om de kosten te doen dalen.’
 
Ondanks die niet geringe hordes noemt Van Ofwegen de overstap naar een groene stroomvoorziening met behulp van synthetische brandstoffen een ‘no-brainer’ voor de Nederlandse overheid. ‘Als we de komende jaren niet met een heel nieuw businessmodel komen voor elektriciteit, belanden we in een situatie waarin we op een gegeven moment alles moeten subsidiëren om de milieudoelstellingen te halen. Dat lijkt mij niet erg wenselijk.’
 
=====
 
Partners
Diverse industriële partners hebben zich aangesloten bij TTWprojecten die draaien om de opslag van elektriciteit uit duurzame energiebronnen. Een project onder leiding van van dr. Waldo Bongers kan rekenen op investeringen van Gasunie, Stedin, DNV-GL en Ampleon. In de Power2Gas-projecten van prof.dr. Fokko Mulder investeren Allego, BASF, Nuon, Shell en Proton Ventures.
 
=====
 
Dit artikel is eerder verschenen in Impact, het relatiemagazine van NWO-domein Toegepaste en Technische Wetenschappen. Het volledige magazine is beschikbaar als pdf-bestand. Liever een gedrukt exemplaar? Stuur dan een e-mail naar a.tendelde@nwo.nl
 
Contactpersoon