Elektriciteit omzetten en opslaan in chemische verbindingen noodzakelijk voor energietransitie

Bij de huidige overgang van fossiel naar duurzaam wordt er nogal wat verwacht van duurzame bronnen, zoals zon- en windenergie. Maar daarbij worden energie- en elektriciteitsverbruik nogal eens door elkaar gehaald. Het overgrote deel van ons energieverbruik betreft niet elektriciteit, maar bijvoorbeeld warmtegebruik in industrie en huishoudens, en transportbrandstoffen. ‘Wind en zon zijn bovendien (geografisch en in de tijd) variabele bronnen en dus lastig voorspelbaar’, constateert Wiebren de Jong, hoogleraar Large Scale Energy Storage.

Hierdoor ontstaat er een mismatch tussen elektriciteitsvraag en -aanbod, en dus onvermijdelijk periodes van goedkope en dure elektriciteit. ‘Dan is het interessant om wat systeemflexibiliteit te creëren’, zegt De Jong, ‘bijvoorbeeld door in goedkope perioden elektriciteit op te slaan om die later, bij elektriciteitsschaarste, weer in te zetten. Energieopslag op grote schaal draagt dan bij aan stabilisatie en het minder afhankelijk worden van fossiele bronnen.’

‘Het opslaan van stroom kan gebeuren in kleinschalige systemen, zoals vliegwielen en batterijen, maar ook in de vorm van chemische verbindingen, brandstoffen. Echt grootschalig energie opslaan betekent dat we de elektronen uit duurzaam opgewekte elektriciteit moeten omzetten in chemische verbindingen. En er zijn nogal wat moleculen die we kunnen maken: van een bulkbrandstof als CH_4, tot meststoffen en plastics.’

Hoe komen we nu van duurzame elektriciteit naar die moleculen? De eerste mogelijkheid is de zogenaamde indirecte route. Hierbij wordt eerst water met  elektriciteit ontleed in waterstof. Dit kan in de industrie soms direct worden ingezet. ‘Maar dit klinkt gemakkelijker dan het in werkelijkheid is’, zegt De Jong. Verder kan waterstof ook worden gekoppeld aan CO_2, om daarmee efficiëntere energiedragers te maken.

‘Een voorbeeld hiervan is methaangas-productie. Het elektriciteitsnet heeft veel mogelijke duurzame toeleveringsbronnen, bijvoorbeeld biomassa. Hieruit kan CO₂ worden gewonnen door verbranding en CO₂-afvang. Deze CO₂ vormt dan weer de grondstof voor methaanproductie. Onze huidige gasinfrastructuur kan grote hoeveelheden opslaan. In tijden van schaarste aan duurzame bronnen kan methaan met gasturbines weer in elektriciteit worden omgezet.’

‘Dit is een voorbeeld van hoe wij binnen de Delftse afdeling Process & Energy kijken naar processen. Het gaat om slimme integratie van processen die uitzicht biedt op opschaling. Dit kan ook werkelijk in ons recent vernieuwde P&E lab.’

‘Maar mijn groep kijkt ook nadrukkelijk naar de zogenaamde directe power-to-X route. Hierin wordt elektriciteit gebruikt om CO₂ direct via elektrochemie om te zetten in de gewenste moleculen. Het hart hiervan vormt de elektrochemische cel. Het potentieel van deze elektrochemische technologie is groot, omdat de selectiviteit hoog kan zijn en de procescondities zeker qua temperatuur niet extreem uitdagend.’ 

Power to X, the direct and indirect way via water electrolysis or not?

Er zijn diverse domeinen nodig voor de succesvolle ontwikkeling van electrochemische energieopslag, constateert De Jong. ‘In Delft zijn we bezig om een oplijning te creëren van disciplines variërend van materiaalkunde, katalyse, elektrochemie, transportverschijnselen, reactorkunde, energietechnologie en proces-systeem-integratie, tot aan inbedding in onze nationale infrastructuren via systeemstudies. We noemen deze samenwerking de ontwikkeling van de ‘E-Refinery’. Daarin kijken we naar de integratie van de fluctuerende elektriciteitsproductie, CO₂-vangst, de primaire conversie, verder productscheiding en -zuivering, opslag en transport en productgebruik in verschillende sectoren.’

‘We zullen als vakgebied vragen moeten beantwoorden over grootschalige energieopslag. Moeten we de indirecte route bewandelen via waterstof, of is de directe elektrochemische conversie de way to go? Beide routes hebben een ontwikkeling nodig door de hele keten, van materiaalselectie tot proces-systeem -integratie en inpassing in onze nationale infrastructuur.’

‘Maar echt grootschalig energie opslaan betekent hoe dan ook dat we de elektronen uit duurzaam opgewekte elektriciteit in chemische bindingen moeten omzetten. Daarvoor moet wel het aloude gebied van de elektrochemie, maar vooral electrochemical engineering, terug op de kaart. Door lang gemis aan aandacht en drive, is er namelijk een behoorlijk gat tussen de benodigde en de aanwezige kennis en kunde op dit gebied in onze samenleving. Een gat dat gedicht moet worden met onderwijs en onderzoek gekoppeld aan valorisatie. Samen moeten we dat gat dichten tussen nu en ooit. Het is nu of nooit.’

Prof. Dr. Ir. Wiebren de Jong (Large Scale Energy Storage), Wiebren.deJong@tudelft.nl, 015 2789476

Sharita Balgobind (Persvoorlichter), U.S.Balgobind@tudelft.nl, 015 2781588

Bron: TU Delft