Onderzoekers van het Duitse P2X Kopernikus-project produceerden onlangs de eerste liters brandstof uit kooldioxide afkomstig uit lucht, water en groene stroom, op het terrein van het Karlsruhe Instituut voor Technologie (KIT). In de compacte proeffabriek hebben ze voor het eerst alle vier de benodigde chemische processtappen gecombineerd tot één proces. De vier Duitstalige onderzoekspartners Climeworks, Sunfire, Ineratec en het KIT bereikten zo een maximale kooldioxide-benutting en een bijzonder hoge energie-efficiëntie. Met name omdat de materiaal- en energiestromen intern worden gerecycled.
De huidige proeffabriek kan ongeveer tien liter brandstof per dag produceren. In de tweede fase van het P2X Kopernikus-project wordt binnenkort een fabriek ontwikkeld van 200 liter per dag. Daarna wordt een pré-industriële voorbeeldfabriek gebouwd met een megawattbereik, d.w.z. met een productiecapaciteit van 1500 tot 2000 liter per dag. In theorie maakt dit een efficiëntie van ongeveer 60 procent mogelijk. Dit betekent dat 60 procent van de gebruikte groene stroom als chemische energie opgeslagen kan worden in brandstof.
In 4 stappen naar brandstof
In de eerste stap onttrekt het fabriekje via een cyclisch proces kooldioxide aan de omgevingslucht. De Direct Air Capture-technologie van Climeworks, een spin-off van ETH Zurich, gebruikt hiervoor een speciaal behandeld filtermateriaal. Net als een spons absorberen deze filters, waar lucht doorheen stroomt, kooldioxidemoleculen. Onder vacuüm en bij 95 graden Celsius scheidt de aangehechte kooldioxide zich weer van het oppervlak en vervolgens wordt het afgepompt.
Bij de tweede stap worden kooldioxide en waterdamp tegelijkertijd elektrolytisch gesplitst. Deze zogenaamde co-elektrolyse van het technologiebedrijf Sunfire produceert in één enkele processtap waterstof en koolmonoxide. Met andere woorden, er ontstaat een synthesegas dat de basis vormt voor een verscheidenheid aan processen binnen de chemische industrie. Dankzij het hoge rendement op industriële schaal kan co-elektrolyse 80 procent van de in het synthesegas gebruikte groene stroom chemisch binden.
Als derde stap worden uit het synthesegas met behulp van het Fischer-Tropsch-proces lange ketens koolwaterstofmoleculen gevormd, die als basis voor brandstoffen worden gebruikt. Ineratec, een spin-off van het KIT, voorziet hiervoor in een micro-structuur reactor die in een zeer kleine ruimte een groot oppervlak biedt om de proceswarmte efficiënt af te voeren en voor andere processtappen te gebruiken. Op deze manier is het proces goed beheersbaar, bestand tegen veranderingen in belasting en modulair uitbreidbaar.
De vierde stap optimaliseert tot slot de brandstofkwaliteit en het rendement. Het KIT heeft dit deelproces, het zogenaamde hydro-kraken, geïntegreerd in de procesketen. De lange koolwaterstofketens worden in een waterstofatmosfeer gedeeltelijk afgebroken door middel van een platinum-zeoliet-katalysator. Hierdoor verschuift de productrange naar meer bruikbare brandstoffen zoals benzine, kerosine en diesel.
Lokale energieopwekking
Met name het modulaire karakter van het proces biedt grote mogelijkheden. Vanwege het lage risico bij opschaling is de drempel voor implementatie aanzienlijk lager dan bij een centrale, grootschalige chemische fabriek. Het proces kan decentraal worden geïnstalleerd en kan dus worden gebruikt op plaatsen waar zonne-, wind- of waterkracht beschikbaar is.
Tot op heden zijn de sectoren elektriciteit, warmte, mobiliteit en industrie altijd afzonderlijk onderzocht. En nu, in een tijd waarin de nadruk ligt op duurzame energie, is het nodig om een andere aanpak te bedenken, zodat hun potentieel optimaal kan worden benut.
“Wind en de zon voorzien ons wereldwijd van voldoende energie, maar niet altijd op het juiste moment,” zegt professor Roland Dittmeyer van het KIT, coördinator van het onderzoekscluster “Koolwaterstoffen en lange-ketenalcoholen” binnen het Kopernikus-project Power-to-X (P2X), over energieomslag. “Daarnaast hebben sommige belangrijke verkeerssegmenten, zoals het luchtverkeer of het zware vrachtverkeer, op lange termijn ook brandstoffen nodig, omdat deze een hoge energiedichtheid hebben.” Daarom is het nuttig om de voorheen ongebruikte groene stroom op te slaan in chemische energiebronnen.
Het Power-to-X (P2X) Kopernikus-project
“Power-to-X” staat voor technologieën die elektriciteit uit hernieuwbare bronnen omzetten in materiële energieopslag, energiebronnen en energie-intensieve chemische producten. Dit betekent dat hernieuwbare energie kan worden gebruikt in de vorm van op maat gemaakte brandstoffen voor motorvoertuigen, of in hoogwaardige kunststoffen en chemische producten.
In het kader van het Kopernikus-programma van de Duitse regering is met het “Power-to-X”-project (P2X) voor dit ingewikkelde onderwerp een nationaal onderzoeksplatform opgericht. In totaal zijn 18 onderzoeksinstellingen, 27 industriële bedrijven en drie maatschappelijke organisaties betrokken bij P2X. Het is de bedoeling dat nieuwe technologische ontwikkelingen binnen tien jaar industrieel worden. De eerste financieringsfase zal zich richten op onderzoek naar de gehele waardeketen van elektrische energie tot materiële energiebronnen en -producten.
