ENERGIE OPSLAAN DOOR VERBREKEN VAN CHEMISCHE VERBINDINGEN
Prof. Gerard van Rooij (DIFFER) wil CO2 omzetten naar brandstoffen en chemicaliën
Bij onderzoeksinstituut DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy research) onderzoekt Gerard van Rooij onder meer het gebruik van plasmafysica voor het omzetten van CO2 naar brandstoffen en andere hoogwaardige chemicaliën. Hiermee draagt hij bij aan het vinden van mogelijkheden om het verwachte overschot aan elektrische energie zinvol in te zetten, om elektrische energie beschikbaar te maken als chemische potentiële energie.
DIRECT GEBRUIKEN OF OPSLAAN
PV-panelen winnen nog steeds aan populariteit in het kader van de opwekking van elektrische energie uit duurzame energiebronnen. Steeds meer particulieren en bedrijven of organisaties plaatsen deze stukjes hightech, waarbij iedere nieuwe gebruiker bovendien profiteert van een langzaam maar zeker stijgende efficiëntie. Ook wordt er steeds meer energie gegenereerd door windturbines die het in een land als Nederland relatief goed doen.
Het gevolg van deze ontwikkelingen is een mogelijk overschot aan elektrische energie waarmee we in de toekomst, maar ook nu al, op sommige momenten te maken zullen krijgen. Wellicht niet over de volledige linie genomen, maar wel op specifieke momenten, uren of zelfs dagen. Om een maximaal rendement te behalen is het eigenlijk noodzakelijk de opgewekte energie direct te verbruiken. Is dat niet mogelijk, dan kan het overschot worden opgeslagen in een accu; dit verlaagt echter het rendement van een totale energieopwekkingsinstallatie, vanwege de verliezen die optreden bij het opslaan en weer afnemen, én kent in deze tijd ook al snel zijn (fysieke) grenzen.
Om die reden wordt door diverse organisaties in heel Nederland onderzoek gedaan naar mogelijkheden om dit overschot aan elektrische energie op een zinvolle manier in te zetten. Bijvoorbeeld voor de productie van duurzame brandstoffen zoals waterstof. Voorheen minder interessant omdat de productie van waterstof relatief veel energie kost, maar wanneer deze energie toch 'over' is, opeens een potentiële mogelijkheid om het overschot elektrische energie op een andere manier op te slaan. Ook andere processen die veel energie kosten komen hierdoor weer 'in the picture'.
PLASMAFYSICA
Prof. dr. ir. Gerard van Rooij is werkzaam bij DIFFER in Eindhoven en begon daar jaren geleden met het bestuderen van de fysica behorende bij alle processen die samenhangen met kernfusie. “Onderzoek naar kernfusie omvat nog steeds de helft van onze focus maar in 2010 is besloten tevens een groep op te richten die onderzoek doet naar brandstofcellen. Een typische mogelijkheid om elektrische energie op te slaan is door waterstof te produceren en deze via brandstofcellen in te zetten voor het duurzaam aandrijven van auto's."
Binnen zijn afdeling richt Van Rooij zich specifiek op zijn eigen vakgebied: plasmafysica, waarin het dynamische gedrag van plasma's wordt bekeken. Een plasma is te beschouwen als een gas dat als geheel neutraal is, maar waarin zich gelijke hoeveelheden positief geladen atoomkernen en negatief geladen vrije elektronen bevinden. De hierdoor ontstane magnetische velden zorgen ervoor dat een plasma zich wezenlijk anders gedraagt dan een gas zonder geladen deeltjes.
Van Rooij: “Plasma's en het gebruik hiervan in bijvoorbeeld de chemie is niet nieuw en werd ooit onderzocht om stikstof te fixeren in het kader van de productie van kunstmest. Op dit moment vindt het ook zijn toepassing voor het bewerken van dunne films (waarvan weer dunnefilmzonnecellen zijn te maken) of het aanbrengen van dunne metaallagen voor onder meer anti-reflectiedoeleinden (op autoruiten) of de productie van halfgeleiders. Bovendien zijn plasma's te gebruiken om een verhoogde oppervlaktespanning bij materialen te realiseren, licht te genereren in het kader van lithografie en gereedschappen te steriliseren.
Om een plasma met deze verschillend geladen deeltjes te maken én in stand te houden, is (dure) elektrische energie nodig. Toen decennia geleden dan ook de katalysator werd uitgevonden, verloor de industrie voor bepaalde toepassingen zijn interesse voor de plasmafysica ten gunste van zijn veel goedkopere tegenhangers die uitgaan van fossiele grondstoffen. Met het verwachte overschot aan elektrische energie door het groeiende aantal PV-panelen en windturbines, kunnen we deze bewezen technologie echter weer verder doorontwikkelen."
SPLITSEN VAN CO2
De focus van Van Rooij ligt op dit moment onder meer op het splitsen van CO2. Heel kort gezegd wil hij door middel van plasmafysica zo efficiënt mogelijk CO2 splitsen in de elementen CO en O waarbij de twee eindproducten uiteindelijk CO en O2 zijn.
Dit proces is mogelijk door de aanwezigheid van vrije elektronen in het plasma die door botsingen de CO2-moleculen laten trillen. Dit vermindert de krachten waarmee de atomen aan elkaar vast zitten en maakt het mogelijk de binding efficiënt te verbreken.
Met het proces wordt ten eerste een mogelijke bijdrage geleverd aan het verlagen van de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer of - direct bij de bron - het verlagen van de CO2-emissies. Daarnaast is CO op vele manieren duurzaam in te zetten. Ten eerste is het direct te gebruiken als brandstof maar ook als grondstof voor de chemische industrie.
Van Rooij: “Direct als brandstof gebruiken is een optie. Bij verbranding komt weliswaar weer CO2 vrij, maar je brengt geen nieuwe CO2 in de atmosfeer. Een andere mogelijkheid is om CO in combinatie met waterstof om te vormen tot synthesegas. Verder doen we onderzoek naar de toepassing van plasmafysica voor het splitsen van stikstof wat onder meer nieuwe mogelijkheden oplevert voor de kunststofindustrie.
De gemeenschappelijke factor in de verschillende processen is het feit dat we elektrische energie gebruiken om de verbindingen te verbreken en hiermee daadwerkelijk opslaan. Zie het als een omgekeerde verbranding."
ONDERZOEKSVOORSTELLEN
Het onderzoek richt zich dan ook niet zozeer op het verloop van de processen - deze zijn bekend - maar op het verbeteren van onder meer de efficiëntie. Van Rooij: “Op dit moment zijn we bij CO2 bijvoorbeeld in staat om ongeveer 50% efficiëntie te behalen, hier zijn dus zeker mogelijkheden om het rendement te verhogen. Daarbij kijken we met een schuin oog naar al wat oudere Russische experimenten die beweren 90% efficiënt te zijn geweest. Uiteraard proberen we dit na te bootsen maar tot op de dag van vandaag is dat nog niet gelukt."
TRILLINGSENERGIE
In het kader van de efficiëntie richt de onderzoeksgroep zich onder meer op het beïnvloeden van de energie van de elektronen. Dit bepaalt uiteindelijk hoe goed we de CO2-moleculen kunnen laten trillen en daarmee de efficiëntie van het proces.
Van Rooij: “We verwachten bijvoorbeeld dat het toevoegen van een zeer kleine hoeveelheid natrium de trillingsenergie beïnvloedt. Hierdoor kun je 'spelen' met de energieverdeling van de elektronen en processen efficiënter laten verlopen. Bijvoorbeeld bij kamertemperatuur in plaats van veel hogere temperaturen of bij lagere drukken. Je kunt je voorstellen dat dit het aantal toepassingen behoorlijk kan vergroten."
Ook wordt er onderzoek gedaan met combinaties van factoren. Bijvoorbeeld spelen met de energie van de elektronen in combinatie met juist hogere temperaturen tot bijvoorbeeld 3.000 °C. Door CO2 efficiënt op te warmen naar deze temperatuur en het vervolgens weer snel af te koelen, ontstaat dezelfde splitsing, waarbij de CO wordt 'bevroren'. Door elektronen sneller te laten vibreren is de verwachting dat er meer CO ontstaat in de afkoelfase waarmee een beter thermisch rendement wordt behaald.
GEBRUIK VAN METHAAN
Het overschot aan elektrische energie is volgens van Rooij tevens een uitkomst voor het nuttig gebruiken van de CO2 die in hoge concentratie in biogas zit. “Hiervoor moet je behoorlijk wat warmte toevoegen waardoor het proces voorheen niet rendabel was. Met de beschikbare elektrische energie is dit geen probleem meer en kunnen we vervolgens dit methaan omzetten naar methanol als vloeibare brandstof. Of we onderwerpen het aan pyrolyse waarbij we als eindproducten C en H2 kunnen produceren. H2 is weer een brandstof en wanneer je nuttige zaken met koolstof kunt doen zonder daarbij CO2 te produceren, dan zijn we op de goede weg."
Voldoende concrete zaken om diep in te duiken dus. Van Rooij besluit: “In het kader van de energietransitie biedt plasmafysica denk ik interessante mogelijkheden. Ik ben er binnen DIFFER nu zo'n zes jaar mee bezig en denk dat we echt kunnen spreken van een volwassen technologie die het waard is breed uit te rollen. Op relatief korte termijn moet het bijvoorbeeld mogelijk zijn om op plaatsen waar veel CO2 wordt gemaakt een reactor te plaatsen die dit kan omzetten in de eerder aangegeven CO en O2. Om dit idee naar buiten te brengen willen we onder andere een demonstratiereactor bouwen; hiervoor is ook een Europees project gestart. Dit project richt zich specifiek op het maken van duurzame kerosine. Ook al zo'n interessante onderzoeksrichting die potentieel de luchtvaart kan verduurzamen.“
