E-REFINERY: DUURZAME PRODUCTIE
VAN ENERGIEDRAGERS EN GRONDSTOFFEN
De Technische Universiteit Delft huisvest vele wetenschappers met diverse expertises. Zo hebben sommigen van hen veel kennis van katalyse, anderen van elektrolyse en weer anderen van reactoren, systemen of impactanalyses. Door hun kennis te bundelen, kan de universiteit vragen op het gebied van de energietransitie en de circulaire economie doelgericht aanpakken en sneller met oplossingen komen. Daartoe is op 22 mei 2018 het consortium e-Refinery van start gegaan.
Bundeling van de krachten
e-Refinery is een initiatief van de TU Delft. Vier faculteiten hebben hun krachten gebundeld om vaart te geven aan de ontwikkeling van de elektrochemie, die de industrie in staat moet stellen om over te schakelen op duurzame grondstoffen in combinatie met de circulaire economie.
Ook de collega-universiteiten en kennisinstellingen, evenals de topsectoren Energie, Chemie en HTSM, en bedrijven als AkzoNobel, DSM, Shell, Tata Steel en Yara onderschrijven het belang van de elektrochemie.
Er is een nationaal onderzoek- en ontwikkelingsprogramma in de maak in lijn met het advies van de Commissie Elektrochemische Conversie en Materialen (ECCM) van medio 2017. Ook NWO programma’s, zoals in het kader van de Nationale Wetenschapsagenda of NWO cross-over, kunnen aan de ontwikkeling van kennis op het gebied van de elektrochemie bijdragen. Voor de energie- en grondstoffentransitie heeft de adviescommissie Elektrochemische Conversie & Materialen van de topsectoren HTSM, Energie en Chemie vier doelen opgesteld:
• In 2030 wordt waterstof CO2-arm geproduceerd tegen een prijs van maximaal twee euro per kilogram en in 2050 tegen een prijs van één euro per kilogram.
• In 2030 wordt minstens twintig procent van de waterstof en ammoniak geproduceerd zonder CO2-uitstoot.
• In 2050 wordt minstens veertig procent van de in de industrie geproduceerde CO2 gebruikt als grondstof voor een circulaire koolstofkringloop.
• In 2050 is de hele vervoerssector CO2-neutraal.
Dat vraagt om aandacht op drie gebieden:
1. De integratie van elektrolyse en duurzame waterstof in het energiesysteem en grootschalige chemische processen;
2. Een grootschalige ontwikkeling van innovatieve elektrochemie en materiaalkunde;
3. En het aanbrengen van focus en massa in het onderwijs en de kennisuitwisseling.
Lees meer op www.tudelft.nl/e-refinery
ONTWIKKELING VAN DUURZAME BRAND- EN GRONDSTOFFEN
e-Refinery is een initiatief van Bernard Dam, hoogleraar materialen voor energieconversie- en -opslag, en Paulien Herder, hoogleraar energiesystemen van de TU Delft.
“Het doel van e-Refinery is om technologie te ontwikkelen waarmee je met duurzame elektriciteit brandstoffen en chemicaliën kunt produceren", verklaart Dam. “Zo hoeft de industrie geen fossiele grondstoffen meer in te zetten en kan zij ook de energievoorziening bij hogetemperatuurprocessen onafhankelijk van fossiele brandstoffen maken. De koolstof kan ze dan op lange termijn uit CO2 winnen afkomstig van puntbronnen of uit de atmosfeer en die met waterstof omzetten in koolwaterstoffen, waarmee ze vervolgens een cyclus kan onderhouden. Verder gaat het bij elektrochemie om de CO2-vrije productie van stikstofverbindingen. De stikstof kun je overigens vrij gemakkelijk uit de lucht halen, want die bestaat voor tachtig procent uit stikstof."
“Het doel van e-Refinery is om technologie te ontwikkelen waarmee je met duurzame elektriciteit brandstoffen en chemicaliën kunt produceren"
Herder: “Met e-Refinery gaat de TU Delft samen met de chemische industrie en de elektriciteitssector de klimaatuitdaging aan. Tegelijk leiden wij de experts op die straks de duurzame brand- en grondstoffen gaan ontwikkelen. Het unieke is dat we bij de TU Delft expertise in huis hebben voor de hele keten van materialen tot en met processen en opschaling. Zodoende kunnen we de energie- en grondstoffentransitie samen met de industrie en kennisinstellingen versnellen.
“Onze expertise in Delft bestrijkt onderzoek op atomaire schaal tot en met het ontwerp van reactoren en systemen", vervolgt Dam. Niet dat de TU Delft overal een antwoord op heeft: “De uitdaging is zo groot en het veld nog zo onontgonnen, dat we niet alleen kunnen optrekken en zowel landelijk als internationaal met andere universiteiten en bedrijven zullen moeten gaan samenwerken."
Elektrochemie stamt uit de negentiende eeuw en vindt toepassing in voornamelijk de chloorproductie. De ontwikkeling van de elektrosynthese van koolwaterstoffen is tot nu toe niet goed van de grond gekomen, omdat de conventionele productie ervan op basis van fossiele grondstoffen veel goedkoper is. “Mede hierdoor is de onderzoekscapaciteit afgekalfd en ontbreekt het aan massa. Die moet nu worden hersteld", aldus Herder.
"De ontwikkeling van de elektrosynthese van koolwaterstoffen is tot nu toe niet goed van de grond gekomen, omdat de conventionele productie ervan op basis van fossiele grondstoffen veel goedkoper is"
MEER GELD NODIG VOOR ELEKTROCHEMISCH ONDERZOEK
De commissie Elektrochemische Conversie & Materialen (ECCM) van de topsectoren Energie, Chemie en HTSM heeft vorig jaar het ministerie van Economische Zaken en Klimaat voorgerekend dat er voor het elektrochemisch onderzoek in de komende jaren twintig tot dertig miljoen euro per jaar nodig is. “Zodra je proeffabrieken en demonstratie-installaties wilt gaan bouwen, zijn nog veel grotere investeringen nodig en moet je keuzes maken. Maar voor die tijd is het verstandig eerst het nodige te onderzoeken en te ontwikkelen om daarna de beste keuzes te kunnen maken", aldus Herder. Ze kijkt met enige afgunst naar collega's in Duitsland, die met het Kopernikus-programma een budget van minimaal 400 miljoen euro voor missiegedreven onderzoek tot hun beschikking hebben. Hiervan is 100 miljoen bestemd voor Power2X, oftewel elektrochemische conversie. “In Nederland is iedereen het erover eens dat er meer geld voor elektrochemisch onderzoek moet komen. Dat is cruciaal voor het behoud van onze economische en kennispositie", aldus Herder.
Dam: “Nederland wil in 2030 49 procent minder CO2 uitstoten dan in 1990. Dat is zo dichtbij dat we dit alleen kunnen halen door bestaande technologie uit te rollen. In 2050 uiteindelijk op min 95 procent komen is een enorme uitdaging, vooral voor de industrie. Als we tijdig slagen willen maken, moeten we nu al investeren in de ontwikkeling van nieuwe technologie. Die ontwikkeling vergt de nodige tijd, waardoor er de komende vijf jaar nog geen nieuwe technologie voor de markt beschikbaar zal zijn. Daar komt bij dat je de grootschalige industrie niet in tien jaar kunt omkatten. Voor de politiek moet duidelijk zijn dat deze ontwikkeling veel tijd kost, maar al wel op korte termijn om investeringen vraagt in fundamenteel en toepassingsgericht onderzoek."
ELEKTROLYTISCHE PROCESSEN EFFICIENTER MAKEN
Herder: “Tijdens de ontwikkeling van de nieuwe technologie moet de industrie de klimaatdoelen van Parijs halen en de productie draaiende houden. We moeten dus tempo maken. Binnen e-Refinery richten we ons op het gehele systeem, van materiaal tot aan opschaling, zodat de nieuwe processen gemakkelijker inpasbaar zullen zijn in de bestaande industrie."
Een van de uitdagingen is om elektrolyzers veel efficiënter te maken. Dam: “Nu produceer je daar waterstof mee die nog vijf à tien keer zo duur is als waterstof op basis van aardgas. We moeten daarom terug naar de basis van het proces en onderzoeken wat er precies op atomaire schaal gebeurt, zodat we het proces aan de elektroden kunnen verbeteren. Ook kijken we naar het verbeteren van de relevante fysische transportprocessen om te komen tot een nog beter reactorontwerp."
Herder: “We experimenteren op labschaal met de elektrolyse van water plus CO2. Hierbij ontstaan waterstof, zuurstof en koolmonoxide, die via Fischer-Tropschsynthese kunnen worden omgezet in koolwaterstoffen, zoals methanol, etheen en ethanol. Het kan al wel, maar het moet nog veel efficiënter gebeuren. Bij elektrolytische processen is het onder andere de kunst om grondstoffen zo snel mogelijk bij de elektrode te krijgen en producten er zo snel mogelijk weg vandaan, zodat het elektrodeoppervlak optimaal benut wordt. Hoe doe je dat? We zoeken naar de meest geschikte combinaties van elektroden, reactorontwerpen en dergelijke. Daarna voeren we de schaal van de processen stap voor stap op. Het gaat er dus niet om de beste kathode te ontwikkelen, maar de kathode die optimaal functioneert in een groter systeem."
INDUSTRIELE OPSCHALING
Dam: “De omzetting van CO2 in koolwaterstoffen vindt nu alleen nog op labschaal plaats. Uiteindelijk moeten we van een elektrodeoppervlak van een vierkante centimeter toe naar een van een vierkante kilometer in reactoren, waarmee we allerlei producten elektrochemisch kunnen maken. Met waterstof zijn we al een eind op weg, we zijn met CO2 nog maar net begonnen en met het benutten van biologische afvalstoffen voor elektrochemische productie hebben we nog een hele weg te gaan." Herder: “Hoe meer bedrijven en instellingen zich aansluiten bij e-Refinery, hoe sneller de ontwikkeling van labschaal naar industriële schaal zal gaan." Zij benadrukt dat, naast het onderzoek, ook het onderwijs op het gebied van de e-Refinery een grote uitdaging is. “We zullen in onze curricula meer aandacht moeten gaan besteden aan elektrochemie, processystemen en procesbesturing. Die zijn wezenlijk anders bij een elektrochemisch proces. Het werken met studenten ziet ze overigens niet alleen als een serieuze opgave, maar vindt ze ook leuk. “Dat leidt al snel tot nieuwe vragen en inzichten die we bespreken, waarna er nieuwe proeven met soms piepkleine reactoren volgen. Er komen crazy ideeën uit waar wetenschappers weer mee verder kunnen, en de studenten dragen op deze manier bij aan het oplossen van maatschappelijke vraagstukken en daarmee aan het motto van onze universiteit: research for impact."
