- TS gaat over het producerenvan brandstoffen in technische installaties gevoed door uitsluitend zonne-energie, direkt of indirekt.
Ook de energiedragers moeten “groen”gewonnen zijn.- Vlgs deze “definitie” kan de productie van biogas ook onder TS vallen ! (laat toch maar staan bij tak 1)
- – Sinds kort blijken we sommige brandstoffen al te kunnen produceren mbv uitsluitend zonne-energie. We mogen verwachten dat er meer volgen
- – Met zonne-energie verhogen we ahw de energie-inhoud van de betreffende materie. Dit ‘verrijkings’-proces gaat uiteraard gepaard met een rendement, want kost zelf ook energie
- – Al die benodigde energie moeten we dan wel eerst oogsten. Dat kan met diverse technieken, zoals we zagen in hfdst.7 .
- – De oogst- en produktie-technieken leveren ons ondertussen ook gelijk de energie die we direkt gebruiken (misschien eerst nog via bepaalde vormen van buffering ?).
- – Dit aandeel “direkt” is bijv slechts ~20% (?) van de totale hoeveelheid energie die we moeten oogsten om in onze behoefte te voorzien…. {veel toepassing loopt nu eenmaal via opslag (mn. brandstoffen, dus met aanmaak- en gebruiks-rendementen}.
- – We hoeven minder te investeren in oogst- en opslag-faciliteiten als de maatschappij zoveel mogelijk ingericht wordt op direkt gebruik.
- – Het is zeer wenselijk dat de gebruikte technieken schaalbaar zijn , zie [S.03]. Dwz dat de benodigde installaties in diverse kapaciteits-groottes gebouwd kunnen worden (partikulier, industrieel, regionaal/landelijk/supra-nationaal).
Dit maakt gedistribueerde energie-produktie mogelijk ; dat maakt minder kwetsbaar , terwijl de diverse infrastruktuur lichter kan worden uitgevoerd.
De mogelijkheid van partikuliere toepassing verhoogt de akseptatie.
1- WATERSTOF
We beginnen met waterstof (H2). Hoewel het strikt genomen niet om synthese gaat maar om ontleding schaar ik dit stuk toch onder TS omdat het me hier gaat om het “produceren” van brandstof.
- – Mbv. van door de zon opgewekte (gelijk)stroom wordt elektrolyse van water bedreven : O2 stroomt (in principe !) naar de atmosfeer, H2 wordt afgevangen.
- – Suppletie-water uit regen of uit de grond moet gezuiverd worden vóór de elektrolyse (tegen vervuiling van de elektrodes)
- – Het blijkt ook mogelijk met zonlicht rechtstreeks waterdamp in een PV-paneel om te zetten naar H2 en O2 [S.23]. Redelijk rendement (15%) en geen kostbare edelmetalen nodig. [zie ook Opm.02]
- Hoe valt dit te vergelijken met de “normale” elektrolyse ?
Met H2 is de eenvoudigste “schone” kringloop te maken
- – Het vrijspelen van de energie door omzetting van H2 naar H2O kan plaats vinden
- – door verbranding
- – (evt samen met bijv methaan) voor de produktie van hoogwaardige stoom ; die bijv via een turbine-generator elektra levert
- – in een auto met verbrandingsmotor zoals Toyota zich dat voorstelt (TW 2022-04-01)
- – in een brandstofcel , waarmee rechtstreeks gelijkstroom wordt opgewekt. In [S.22] wordt de werking van zo’n brandstofcel uitgelegd.
De cellen worden meestal als stack uitgevoerd (een stapel serie-geschakelde cellen geeft een hoger voltage en dat is voor het gebruiksrendement gunstig).
- – door verbranding
- – OPSLAG : helaas lijkt H2 niet als universele energiedrager bruikbaar , omdat je het niet eenvoudig kunt opslaan , zie hfdst. t 7.01.01 . Voor veel toepassingen zal het daarom nodig zijn om H2 te “veredelen” tot bijv. methaan , methanol of kerosine. Die veredelingsstappen kosten energie , dus rendement (zie verder hieronder in hfdst. 2- Koolwaterstoffen)
2- KOOLWATERSTOFFEN
Opslag van energie in koolwaterstoffen , CxHy(O) , geeft (naast voor de chemische industrie nuttge grondstoffen) soortgelijke brandstoffen als we kennen uit “fossiel”
Hieronder geef ik een algemeen schema zoals ik me voorstel dat diverse koolwaterstoffen gemaakt zouden kunnen worden , èn gebruikt in kringloop
Dit schema is komplekser dan in Fig.7.1.1 . Heeft te maken met ingewikkelder synthese èn met het terugwinnen van CO2
Eth(yl)een (C2H4) is een belangrijke grondstof voor de chemische industrie. Het kan ook rechtstreeks in elektrolyse geproduceerd worden [S.64]
- – Als alternatief voor energie-opslag in H2 is het verstandig koolwaterstoffen (CxHy) te gebruiken (hogere energie-inhoud per m3 of per kg).
De toepassing van dit soort koolwaterstoffen is breed bekend, maar de afkomst ervan is totnutoe eigenlijk altijd “fossiel”.- – Absoluut vermeldenswaard in dit verband is de doorbraak van [S.26]. Het bewijs is geleverd dat het mogelijk is methaan te synthetiseren met uitsluitend zonne-energie. Dit blijkt te kunnen tegen niet eens moeizame kondities. Zie ook [Opm.03 en S.19]
- – En ook [S.27] meldt een belangrijke doorbraak : aanmaak van kerosine (!) blijkt eveneens mogelijk met alleen zonne-energie. Moeilijkst is hierbij de proces-stap die 1500°C nodig heeft.
Dit is een voorbeeld van “Power-to-Liquid”. Zie verder bij Opm.04- – [S.28] meldt initiatief voor proeffabriek voor 1000 ltr/dag aan synthetische kerosine ; mbv groene elektra ; CO2 uit lucht (of beter nog uit fabriekspijp, ekonomisch interessanter) , òf CO (uit bedrijven R’dam !) waarmee je een proces-stap kunt overslaan
- (wordt hier al gebruik gemaakt van een andere methode om de 1500°C te bereiken ? of te vermijden ? Zie Opm.04)
- – Het instituut DIFFER onderzoekt rechtstreekse produktie van CO uit CO2 mbv “plasmolyse” ; dus ook groen
- – [S.28] meldt initiatief voor proeffabriek voor 1000 ltr/dag aan synthetische kerosine ; mbv groene elektra ; CO2 uit lucht (of beter nog uit fabriekspijp, ekonomisch interessanter) , òf CO (uit bedrijven R’dam !) waarmee je een proces-stap kunt overslaan
- – Opslag in een vloeistof heeft de voorkeur vanwege de hoge energie-inhoud èn omdat het makkelijk te transporteren en weg te bergen is. Opslag in vaste stof is ook goed, maar minder makkelijk te handlen.
- – De toevoeging van C aan H verlaagt de verbrandingswaarde tov puur H .
- – Bij methaan en ethaan verandert de toevoeging van O het gas in vloeistof (CH3OH , C2H5OH), wat de vermogensdichtheid veel groter maakt.
- – Propaan (C3H8) lijkt geschikt, want is vloeibaar boven -42°C [ZZ.01] en heeft akseptabele dampdruk bij onze temperaturen (bijv 8,4 bar bij 20°C). Op dit moment wordt propaan nog geproduceerd uit “fossiel”.
- – Het vrij maken van de energie uit CxHy(O) kan plaats vinden door “verbranding” in een (brandstofcel ?) , motor of oven , afhankelijk van de toepassing
- – In Fig.7.1.2 hierboven wordt de voor de synthese benodigde C in de vorm van CO2 teruggewonnen uit de (verbrandings)lucht. Dit wordt CCU genoemd (Carbon Capture & Utilisaton) , omdat de CO2 herbruikt wordt.
[S.31] meldt dat er geïnvesteerd wordt in diverse opties voor CCU. Het mag inmiddels wel tot geaksepteerde techniek worden gerekend [S.32]- (CCU te onderscheiden van CCS (Carbon Capture & Storage)
- – Verrassend èn hoopvol in dit verband vind ik de mededeling in het blad “Delft Integraal” van april 2020 , pag.4-5 : mbv speciale katalysatoren blijkt het mogelijk rechtstreeks ethyleen (C2H4) te maken door de CO2 direkt in het elektrolyseproces in te voegen. Etheen of ethyleen is namelijk een belangrijke bouwsteen voor plastics.
- Het zou mij verbazen als deze directe vorming niet energie-efficiënter zou zijn dan andere produktie-methodes
Of het ekonomisch ook interessant is hangt bijv af van de kosten en levensduur van de katalysatoren. Èn van hoe makkelijk het is om de tegelijk vrijkomende CO te scheiden van de C2H4
- Het zou mij verbazen als deze directe vorming niet energie-efficiënter zou zijn dan andere produktie-methodes
- Het is ook een hoopvolle ontwikkeling , omdat de gebruikte katalysatoren (MOF’s , metal organic framework) nieuw en speciaal ontwikkeld zijn voor dit doel. Deze MOF’s zijn “als Lego-blokjes” tot diverse vormen samen te stellen , hetgeen wellicht ook mogelijke oplossingen biedt voor andere CxHy-verbindingen….
3- ALTERNATIEVEN
.** Opslag in mierenzuur (HCOOH of CH2O2) [S.33]
Mierenzuur is zeer corrosief. Vloeibaar tussen 8,4 en 100,7°C
“Het is ook mogelijk mierenzuur rechtstreeks te genereren met elektriciteit, water en CO2“. [Ref….] Klinkt aantrekkelijk !
In samenwerking met fa VDL doen studenten van TUE proeven om een autobus te laten rijden op mierenzuur [Ref….]
Er zit al veel O in de formule , dus vermoedelijk is de verbrandingswaarde niet zo hoog…. (kan er geen data over vinden)
** Opslag in ammoniak (NH3 , is geen koolwaterstof !)
Het synthese-proces van NH3 is bekend (middelbare school-scheikunde). NH3 wordt toegepast als grondstof in de chem. industrie. En als koelmiddel in industriële koel-installaties.
Vloeibaar beneden -33°C. En giftig
Bij “verbranding” komen in principe alleen H2O en N2 vrij , maar oppassen voor NOx.
– Nuon doet een proef in samenwerking met TU-Delft [S.34] , wsl voor buffering/opslag bij centrales.
– En het bedrijf Proton [S.35] produceert NH3 uit uitsluitend duurzame bronnen , omdat het voordeel ziet voor toepassing in boot en vrachtverkeer (25x minder volume vergt dan de Lithium-accu , makkelijker op te slaan is dan waterstof en per liter meer H bevat dan vloeibare H)
** Opslag H2 in pasta(vorm)
[S.60] meldt dat het Fraumhofer-Insttut opslag van H2 in magnesiumhydride heeft bewerkstelligd. Dit is een pasta. Door water toe te voegen komt H2 vrij voor verbranding. “Tanken” is dan een kwestie van cartridges wisselen.
Zou geschikt zijn voor lichte voertuigen zoals scooters
Konklusie betreffende TS :
– Het liefst zouden we H2-produktie en -verbruik overal toepassen (hoge energie-inhoud , lekker cleane kringloop) , maar de opslag is daarvoor te belemmerend….
– De H2- en CxHy(O)-technologieën kunnen prima naast elkaar bestaan en toegepast worden , elk voor zijn eigen terrein