Zonnebrandstoffen

Het hoe, wat en waarom

Dit artikel is deel van de zonnebrandstoffen-special van het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.

Om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en tegelijkertijd aan de toenemende vraag naar energie te kunnen voldoen, is het plan om op grote schaal duurzame energiebronnen in te zetten. Momenteel ligt hierbij de nadruk op installatie van zonnepanelen en windmolens en dus op elektriciteitsproductie. Echter, slechts ~20% van onze energieconsumptie is elektrisch en voor het overige deel zullen dus (ook) andere oplossingen en energiedragers nodig zijn om te voorzien in warmte, brandstoffen en chemicaliën. In het bijzonder in de gevallen waarin energiedichtheid en gemak van opslag en vervoer onontbeerlijk zijn (d.w.z. de sterke eigenschappen van fossiele brandstoffen), zal conversie van “Zonlicht-naar-brandstof” een belangrijke bijdrage moeten gaan leveren om emissiedoelstellingen te kunnen halen. In dit artikel zullen we een kader schetsen van het wat, het waarom en het hoe van Solar Fuels ofwel zonnebrandstoffen.

De actualiteit van solar fuels

Aardbevingen in Groningen lijken Nederland te hebben wakker geschud. Tientallen jaren hebben onze oosterburen grote stappen gezet in de introductie van duurzame energiebronnen in hun infrastructuur en is Nederland min of meer blijven stilzitten als een konijn in het donker starend naar de naderende koplampen op de snelweg. Deze zomer werden de contouren van een ambitieus Nederlands klimaatakkoord gepresenteerd. Een fascinerend aspect is dat de Nederlandse politiek zich heeft voorgenomen om een belangrijk deel van onze gasreserves onaangeroerd te laten. We gaan versneld onze verslaving aan fossiele brandstoffen afbouwen om daarmee tijdig aan de klimaatdoelstellingen en CO2 reductie te kunnen voldoen. Hopelijk gaat spannend Nederlands onderzoek naar zonnebrandstoffen daar een belangrijke bijdrage aan leveren. In dit minithema laten we na deze algemene introductie van het thema twee nieuwe onderzoeksthema’s aan het woord waar binnen het NWO-instituut DIFFER, the Dutch Institute for Fundamental Energy Research in Eindhoven, aan wordt gewerkt. Hiermee willen we nadrukkelijk niet suggereren dat al het belangrijke Nederlandse onderzoek aan het thema binnen DIFFER plaatsvindt. Wel vinden we het een mooi moment om een klein visitekaartje af te geven nu het zes jaar geleden is sinds het voormalige FOM een instituut vrijmaakte voor het thema fundamenteel energieonderzoek.

Wat zijn zonnebrandstoffen?

Laten we toch eerst het begrip “zonnebrandstof” nader beschouwen, aangezien het voor meerdere betekenissen vatbaar is. Zoals al terloops aangestipt in bovenstaande samenvatting gaat het ons om conversie van zonne-energie naar brandstof. Maar u begrijpt, dit is niet voldoende, aangezien steenkool en aardolie daarmee ook aan de definitie zouden voldoen. De impliciete voorwaarde die we ons stellen, is dat het gebruik van zonnebrandstof CO2-neutaal is. Daarbij is het ten eerste essentieel dat de tijdschaal van het oogsten van de zonne-energie dezelfde moet zijn als die van de consumptie. Daarnaast dienen de moleculen die als grondstof van het proces dienen evenzo CO2-neutraal te zijn.

Water en CO2 (alsook stikstof) uit de atmosfeer zijn natuurlijk de duurzame grondstoffen bij uitstek en zijn ook weer het product van de brandstof. Een van de eerste concepten waar je dan aan kunt denken is artificiële fotosynthese: een chemisch proces waarin het natuurlijke proces van fotosynthese wordt nagebootst en licht, water en CO2 worden omgezet in koolwaterstoffen en zuurstof. Dit concept dateert overigens uit het begin van de vorige eeuw, toen de Italiaan Giacomo Ciomician het idee schetste van een fotochemische cel die gedreven wordt door zonlicht [1]. Waarschijnlijk om te benadrukken dat ook ieder ander proces meegenomen wordt dat, direct of indirect, zonne-energie omzet in bindingsenergie van een brandstof, is op enig moment de term zonnebrandstof ontstaan. Kortom, het vakgebied is breed, zoals geïllustreerd door het schema in Figuur 1. Het veld bestrijkt levende organismen, thermische processen gedreven door zonnewarmte, photoelektrochemische processen waarbij de elektrochemie gedreven wordt door fotonen en combinaties van duurzame elektriciteitsbronnen met enig ander proces (elektrolyse, LED-illuminatie van organismes, etc). Het eindproduct waarop gemikt wordt is evenzo divers en omvat waterstof, methanol, ammonia, methaan, kerosine, biomassa en in feite ieder ander calorierijk molecuul.


Figuur 1: de term zonnebrandstof wordt gebruikt voor ieder calorierijk molecuul
dat gemaakt is van water, stikstof en/of CO2 met behulp van zonne-energie en
waarbij de productiesnelheid de consumptie kan bijhouden.

Waarvoor en wanneer hebben we zonnebrandstoffen echt nodig?

Zoals gezegd hebben we zonnebrandstoffen in eerste instantie echt nodig voor toepassingen waarin de energiedichtheid en de handzaamheid van fossiele brandstoffen essentieel is en waar elektrificatie niet realistisch is. Een sprekend voorbeeld hiervan is duurzame kerosine voor de luchtvaartsector. We snappen allemaal dat een vliegtuig voortdrijven met behulp van accu’s, zonnepanelen of waterstof niet ideaal is. Als we in staat zouden zijn om CO2 uit de atmosfeer te halen en met behulp van zonnestroom om te zetten in lange koolwaterstofketens, dan zou het vliegtuig dat daarmee vliegt in feite CO2-neutraal vliegen op duurzame elektriciteit [2]. Maar we zouden deze koolwaterstoffen natuurlijk ook kunnen gebruiken als grondstof in de chemische industrie. Als we er vervolgens bijvoorbeeld matrassen van maken, dan wordt de CO2 uit de atmosfeer ook nog eens voor lange tijd opgeslagen en realiseren we een negatieve CO2 emissie. Beide voorbeelden zijn een geval van zogenaamde sectorintegratie: (duurzame) elektriciteit die momenteel alleen te gebruiken is binnen de energiesector wordt beschikbaar gemaakt voor de transport- en de industriesector. Door tevens gebruik te maken van CO2-neutrale grondstoffen wordt de cyclus gesloten en een basis gelegd voor een circulaire economie.

Een ander aspect waarin de handzaamheid van een zonnebrandstof voordelen biedt is dat het de mogelijkheid biedt om de zonne-energie te oogsten en op te slaan is op een afgelegen plek, bijvoorbeeld ergens ver weg in een woestijn of op zee. De infrastructuur om deze brandstoffen vervolgens op de plaats van de gebruiker te krijgen bestaat al (in de vorm van scheepvaart en pijpleidingen).  De behoefte aan duurzame energie in sectoren buiten de energiesector suggereert wellicht dat de urgentie van zonnebrandstoffen nog niet zo hoog is en onafhankelijk van de energiesector. Immers, er is nog een lange weg te gaan om de energiesector te verduurzamen, daar is de technologie al beschikbaar voor, dus laten we dat eerst maar eens voor elkaar krijgen. Dat het niet zo simpel is en ook de energiesector baat heeft bij zonnebrandstoffen, zullen we aan de hand van de Duitse energietransitie verder uitwerken. Figuur 2 illustreert hoe indrukwekkend hard het is gegaan met de introductie van hernieuwbare energie in Duitsland. De grafiek laat zien hoe het geïnstalleerde vermogen in de vorm van zonnepanelen, windmolens en biomassa centrales in een tijdsbestek van zo’n 15 jaar is toegenomen. In 2017 was bijna 40% van de elektriciteitsconsumptie hernieuwbaar.


Figuur 2: Toename in geïnstalleerd vermogen van hernieuwbare energiebronnen
in Duitsland. Eind 2017 werd bijna 40% van de bruto elektriciteitsconsumptie
geleverd door de hernieuwbare energiebronnen PV (photovoltaics),
windenergie en biomassa.

Deze sterke toename is niet zonder nadelige neveneffecten gegaan. De belangrijkste worden veroorzaakt doordat hernieuwbare energiebronnen niet in het ritme van onze samenleving werken. De productie fluctueert, op tijdschalen van minuten/uren tot seizoenen, op lengteschalen van stad tot land. Dit maakt het reageren op, of opvangen van fluctuaties in de vraag naar elektriciteit moeilijk. Vooralsnog gebeurt dat met behulp van conventionele fossiele bronnen (zoals geïllustreerd in Figuur 3), op termijn zal een duurzame manier van opgeslagen energie voorhanden moeten zijn. Wellicht dat zonne-brandstoffen hier een rol kunnen spelen, voor die toepassingen waar de voordelen van een hoge-energiedichtheid brandstof (economisch) opwegen tegen de conversieverliezen bij omzetting. Voor korte termijn opslag ligt het echter meer voor de hand om energie die elektrisch geproduceerd en geconsumeerd wordt ook in elektrische vorm (in batterijen) op te slaan en niet tweemaal de verliezen van omzetting te hoeven inleveren. Voor seizoensopslag van elektriciteit of transport over grote afstanden worden zonnebrandstoffen beoogd.


Figuur 3: elektriciteitsproductie in Duitsland in week 20 van 2018.
Het fluctuerende karakter van zon- en windenergie wordt
vooralsnog opgevangen door schakelen van conventionele bronnen.

Hoewel discussies over balanceren van vraag en aanbod meestal gevoerd worden vanuit een zorg voor tijdelijke tekorten, zijn plotselinge overschotten een veel groter probleem in het licht van een voorspoedig verloop van de energietransitie (de omschakeling naar een geheel hernieuwbare energie-infrastructuur). Een tot de verbeelding sprekend voorbeeld is de situatie op 25 december 2012 in Duitsland. Op dat moment was de hernieuwbare overproductie zo groot dat het problemen veroorzaakte in het elektriciteitsnet. De elektriciteitsprijs daalde kortstondig van een gemiddelde 40 €/MWhr tot een negatieve prijs van zo’n -120 €/MWhr. Natuurlijk is dit voorbeeld geen basis voor een business case. Sterker nog, elektriciteit zal in de praktijk voor iedere levensvatbare toepassing een significante kostprijs houden, op zijn minst de prijs die gemiddeld nodig is om de investering in een zonnepaneel terug te verdienen. Redeneringen gebaseerd op gratis elektriciteit zijn niet realistisch.

Sindsdien zijn deze perverse prijsprikkels niet meer voorgekomen. Wat wel steeds vaker voorkomt is dat hernieuwbare bronnen uitgezet moeten worden ten gevolge van tijdelijke overcapaciteit, niet alleen in Duitsland maar ook in Spanje. Het gevolg is dat de verdiensten uit deze bronnen afnemen, waardoor de financiële prikkel om verder te investeren in zonnepanelen en windmolens langzamerhand verdwijnt en uiteindelijk de transitie in de kiem gesmoord dreigt te worden. In dit licht is het dus essentieel om tijdig de afzetmarkt voor hernieuwbare energie te vergroten. De eerdergenoemde sectorintegratie dankzij zonnebrandstoffen draagt daar optimaal aan bij.

Wat is dé zonnebrandstof van de toekomst?

In de media gaat momenteel de aandacht vooral naar duurzaam waterstof als zonnebrandstof van de toekomst. Er zijn inderdaad een aantal redenen die sterk voor waterstof pleiten. De grondstof is water en dus gemakkelijk verkrijgbaar, en er komt geen CO2 vrij bij gebruik. Installaties om waterstof te produceren zijn commercieel verkrijgbaar. Maar misschien wel het belangrijkste is dat waterstof, samen met CO, onderaan de keten van de zonnebrandstoffen staat. Om die reden is waterstof niet alleen de schoonste maar ook de goedkoopste en dus het eerst rendabel om te produceren. Handzaamheid is echter niet de sterkste kwaliteit van waterstof en de luchtvaart zal er niet mee geholpen zijn.

Soms wordt ook methaan genoemd, wat geproduceerd wordt via de exotherme Sabatier-reactie uit waterstof en CO2. Het voordeel is dat het ongelimiteerd in het bestaande gasnet kan, het nadeel dat er meer water dan methaan geproduceerd wordt (het is dus niet efficiënt) en dat methaan vooralsnog voor weinig anders dan verbranden tot CO2 geschikt is.

Waarschijnlijk zal de beschikbaarheid van een geschikt productieproces een belangrijke factor zijn in de uiteindelijke keuze. Het moge duidelijk zijn dat fluctuerende werking een conditio sine qua non is, hetgeen voor bestaande concepten doorgaans een hindernis is. Met andere woorden, een techniek met lage investeringskosten, een lange levensduur en hoge efficiëntie is essentieel zodat zelfs bij lage capaciteitsfactor (de installatie staat vaak uit omdat de zon niet schijnt en de wind niet waait) de productie rendabel blijft. Fundamenteel onderzoek naar zonnebrandstoffen is vaak op specifiek deze kwaliteiten gericht en twee voorbeelden hiervan volgen binnen het huidige minithema. Om klimaatdoelstellingen te realiseren, zullen op korte termijn bestaande concepten om duurzame energie om te zetten naar brandstoffen kostenefficiënt gemaakt moeten worden.

 

Referenties

[1] Giacomo Ciamician, The Photochemistry of the Future. Science 36 (1912) 385.

[2] Kerogreen, H2020 project

 

Biografie

Prof.dr. Gerard van Rooij is groepsleider bij DIFFER en hoogleraar aan de TU Eindhoven. Zijn onderzoeksthema is plasmachemie voor energieconversie.

Dr.ir. Erik Langereis is research development officer bij DIFFER, ter verbinding van nationaal energieonderzoek en de positionering van het onderzoeksthema zonnebrandstoffen.

Prof.dr.ir. Richard van de Sanden is directeur van DIFFER en hoogleraar aan de TU Eindhoven. Hij initieerde het onderzoek naar zonnebrandstoffen binnen DIFFER.