Werken aan versnelling van de energietransitie

Het grootste obstakel op weg naar een beter energiegebruik in gebouwen is volgens haar het gebrek aan kennis: er zijn te weinig mensen die expertise van complexe klimaatbeheer- en energiesystemen combineren met de vaardigheid om te gaan met grote databestanden. Als remedie werkt de groep van Itard samen met woning-corporaties en overheid aan betere voorspellingsmodellen, en samen met de installatiebranche ontwikkelen ze energiebeheerssystemen voor gebouwen. Zo’n systeem moet gebouwbeheerders op grond van actuele data ondersteunen in hun beslissingen over binnenklimaat, gebruik of opslag van energie, en de momentane CO2-voetafdruk van de elektriciteit op het net.

Zonnepanelen overal’ is de kortste formulering van professor Olindo Isabella’s missie voor meer zonne-energie. Hij staat aan het hoofd van de onderzoeksgroep Photovoltaic Materials and Devices van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica. Om de hoeveelheid zonne-energie te vergroten, zegt hij, moeten zonnecellen en zonnepanelen beter worden in de omzetting van zonlicht in elektriciteit.

Onderzoekers werken in het TU Delft PV Technology Centre aan een tandemcel: een kristallijne silicium zonnecel met daarbovenop een perovskiet zonnecel. Perovskiet is de naam voor een mineraal met een bepaalde structuur. Wanneer je die namaakt, krijg je een materiaal dat als zonnecel kan worden gebruikt. Perovskiet zonnecellen zijn goedkoop en makkelijk te produceren bij lage temperaturen. Isabella verwacht dat de perovskiet toplaag 6 procent omzetting toevoegt aan de 24 procent van de silicium cel, zodat over een paar jaar een rendement van meer dan 30 procent bereikt wordt.

Iedere plek met genoeg blootstelling aan de zon zonder esthetische bezwaren (zoals bij monumentale gebouwen) is een potentiële energiebron. In samenwerking met de directie Campus Real Estate werkt Isabella aan de uitbreiding van zonnepanelen op de campus. Hij schat dat de productie van de huidige 1 GWh/jaar kan groeien naar 8 GWh/jaar, waardoor de TU niet slechts 1,5 procent maar 12 procent van het eigen gebruik produceert.

De ‘gedoe-factor’ staat versnelling van de energietransitie enorm in de weg, stelt klimaat-psycholoog dr. Gerdien de Vries, universitair hoofddocent bij de faculteit Techniek, Bestuur en Management. Het uitzoekwerk, subsidies aanvragen, een aannemer vinden, de zolder opruimen – dat weerhoudt mensen ervan om hun huis te verduurzamen. Uit het onderzoek Groen & Gemak (TU Delft en TNO, 2020) bleek dat Nederlanders zich erdoor laten ontmoedigen”, zegt De Vries. “We horen steeds over een crisis, maar er is geen aanwijsbaar moment dat er iets gaat gebeuren. Er is geen aanwijsbare persoon die het moet oplossen.” Complexiteit en stress verlammen mensen zodat er van vergroening niet veel terecht komt, zelfs al zijn technische of financiële obstakels uit de weg geruimd.

Een deel van de remedie ligt in het ‘ontzorgen’ van huiseigenaren door bijvoorbeeld een energiecoach, die veel van het regelwerk overneemt. Maar ook dan blijven er mensen weigeren omdat ze er geen trek in hebben. Gedragsverandering is een complexe factor waarbij ook de stijgende gasprijs en imitatiegedrag een rol spelen. Toch ondergaat de maatschappij gedragsveranderingen die eerder moeilijk voorstelbaar waren. “Wie rookt er nog bij een ander in de auto? Wie drinkt er nog als hij moet rijden?” vraagt De Vries retorisch. Haar conclusie: grote maatschappelijke gedragsveranderingen vinden wel degelijk plaats. Meestal door een combinatie van informatie, wetgeving, prijs en sociale omgeving.

Onzekerheid is het grootste obstakel in de versnelling van de energietransitie”, zegt prof.dr. Peter Palensky, expert in intelligente elektrische netwerken aan de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI). Er is geen gebrek aan technologieën om duurzame elektriciteit op te wekken of op te slaan, en er zijn tal van mogelijkheden om die bronnen te combineren in een elektriciteitsnet. Maar hoe doe je dat op een eerlijke en betrouwbare manier?

Het huidige elektriciteitsnet is al “een complex beest”, en het wordt door de toevoeging van veel variabele bronnen alleen maar ingewikkelder. “Het traditionele elektriciteitsnet ontleende zijn stabiliteit aan de traagheid van de zware generatoren, aangedreven door stoom of gas. Hernieuwbare energiebronnen hebben die inherente stabiliteit niet - eerder het tegenovergestelde.” Mensen kunnen moeilijk omgaan met complexe systemen, zegt Palensky. Daarom, en uit voorzichtigheid, maakt men kleine stapjes in de veranderingen in het elektriciteitsnet. Het goede nieuws is dat het onlangs geopende Electrical Sustainable Power (ESP)-Lab onderdak biedt aan een supercomputer waarmee onderzoekers kunnen experimenteren met de complexiteit van het Nederlandse elektriciteitsnet.

Uiteindelijk is het doel om de onzekerheid over veranderingen te verminderen, en een veilige versnelling van de energietransitie te bespoedigen. Meer over de digitale tweeling van Peter Palensky leest u hier.

Verduurzaming van de industrie is lastig door de complexiteit van industriële installaties en het grote aantal opties, zegt prof dr.ir. Andrea Ramírez Ramírez, hoogleraar in Low Carbon Systems and Technologies aan de faculteit Techniek, Bestuur en Management (TBM). “Er zijn veel manieren om CO2-emissies terug te dringen, maar de meeste daarvan zijn nog niet kostendekkend. En de implementatie ervan vereist vaak grote veranderingen in het industriële proces. Veel van het werk dat wij hier doen is belanghebbenden ondersteunen bij het doorgronden van complexe industriële systemen. Voor een goede beslissing is het belangrijk ook op de hoogte te zijn van de schaduwkanten van nieuwe technologieën; kennis te verwerven over de technische, sociale en milieuaspecten, en te begrijpen hoe de techniek in het grotere systeem past. Bij TBM willen we de bezwaren van technologieën al vroeg identificeren, bij voorkeur nog in de laboratoriumfase. Dan kan die kennis gebruikt worden om de ontwikkeling bij te sturen tot een technologie waarmee de industrie kan verduurzamen. Tot slot draagt ook de opleiding van onze studenten bij aan de versnelling van de energietransitie. Onderwijs wordt makkelijk over het hoofd gezien, maar het is de manier waarop we het menselijk kapitaal vormen voor de energietransitie. Zonder goed geschoolde mensen gaat dat niet gebeuren.”

Minder broeikasgas in de atmosfeer, daar draait het bij de energietransitie uiteindelijk om. Dat krijg je voor elkaar door minder uit te stoten, maar je kunt ook CO2 actief uit de natuur verwijderen. Deze insteek verkiest universitair docent elektrochemische systemen dr.ir. David Vermaas (faculteit Technische Natuurwetenschappen). Hij leidt het elektrochemical flow systems lab van de TU. Hij werkt aan technieken om koolstofdioxide uit water te halen. De verwijdering van CO2 uit rookgassen is al goed ontwikkeld, maar daarmee heb je amper de helft van alle CO2-emissies te pakken.

CO2-afvang uit zeewater is een oplossing, meent Vermaas. “Er zit 150 keer zo veel CO2 in een liter water als in een liter lucht.” Koolstofdioxide kun je wegvangen door een membraan in het water onder stroom te zetten. Het watermolecuul ontleedt zich dan in het zure H+ en het basische OH-. “Als je een membraan plaatst tussen het zure en het basische deel zet je twee chemische reacties in werking. In het zure deel wordt koolzuur gevormd. Die bubbelt na verloop van tijd vanzelf uit het water en kan zo worden afgevangen. In het basische deel ontstaan stoffen als calcium- en magnesiumcarbonaat. Anders gezegd: kalksteen. De uitdaging bestaat er nu vooral uit om de productie op te voeren. We moeten het publiek kennis laten maken met onze projecten. De politiek volgt wat het publiek wil.”

De helft van het energieverbruik in Nederland is gerelateerd aan warmte. “Dat komt goed uit, want op tal van plekken bevindt zich warm water op twee à drie kilometer diep”, zegt geothermie-expert dr. Phil Vardon (faculteit Civiele techniek en Geowetenschappen). “Over deze energiebron is al veel bekend door de boringen die in het verleden zijn verricht voor gasexploratie.” Om de energietransitie te bespoedigen moeten we volgens Vardon vaart maken met de winning van deze energie. Nederland maakt nog maar weinig gebruik van geothermie omdat een bron al gauw tientallen miljoenen euro’s kost.

De exploitatie zelf is goedkoop, maar je moet wel een goede bestemming weten te vinden voor al die energie. Vardon: “In de winter kun je de warmte goed gebruiken om huizen te verwarmen. Maar in de zomer niet. Toch wil je het hele jaar door energie winnen anders heb je geen goede business case. Een idee is om de warmte die je in de zomer wint, op te slaan in minder diepe aardlagen van waaruit je de warmte in de winter makkelijk tevoorschijn haalt. Die warmte moet je dan wel kwijt kunnen op warmtenetten.”

“Volgend jaar hopen we aardwarmte onder de campus te gaan winnen. We willen onderzoek doen naar allerlei aspecten van deze vorm van energiewinning. De warmte kunnen we deels kwijt op de campus, want de TU heeft immers een warmtenet. En een deel van de warmte zal gaan naar woonwijken net buiten de campus. Als alles slaagt, hebben we een mooi voorbeeldproject voor de rest van het land.”

Volgens universitair docent grootschalige energie-opslag dr. Ruud Kortlever (faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen) kan een transitie naar duurzame energie niet los worden gezien van een transitie naar duurzame grondstoffen. Het Delftse e-Refinery instituut, waar Kortlever aan verbonden is, speelt daarin een sleutelrol. Onder de paraplu van het e-Refinery instituut werken onderzoekers van de TU samen aan technologieën voor de elektrochemische omzetting van duurzame elektriciteit, water en lucht in brandstoffen en chemische bouwstenen. “We gebruiken duurzame elektriciteit om chemische reacties aan te sturen, bijvoorbeeld voor de productie van waterstof, syngas en ethyleen.”

Onderschat het belang van ethyleen niet, zegt Kortlever. “Deze stof kan als bouwsteen dienen voor plastics en polymeren. Als we in 2050 fossielvrij willen zijn, moeten we ook werk maken van een grondstof-transitie. Hoe we de beide transities versnellen? Er is op dit moment een gebrek aan een langetermijnvisie, aangezien zowel de overheid als het bedrijfsleven niet weten welke technologieën uiteindelijk een oplossing kunnen bieden. Met alle kennis die de TU Delft in huis heeft kan ze helpen om nieuwe technologieën te ontwikkelen en om een gezamenlijke koers te bepalen.”

Petroleum engineering. Zo heette de vakgroep bij de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen waar dr. Hadi Hajibeygi werkt tot enkele jaren geleden. Die tijd lijkt lang vervlogen. Tegenwoordig heet de groep reservoir engineering. “We doen niet veel meer op het gebied van fossiele brandstoffen”, zegt Hajibeygi. De naamsverandering heeft alles met de energietransitie te maken, vertelt de ingenieur die een onderzoeksgroep leidt die zich focust op ondergrondse opslag. Denk aan de opslag van groene waterstof en van CO2.

Hajibeygi en zijn collega’s zijn onder meer geïnteresseerd in het gedrag van vloeistoffen in verschillende aardlagen. “Die kennis is cruciaal als je bijvoorbeeld waterstof wilt opslaan in de grond. Nu gebeurt dat nog maar op vier plekken in de wereld, in oude zoutmijnen en lege gasvelden. Drie van die plekken zijn in Texas en een in het Verenigd Koninkrijk. Willen we de energietransitie van de grond krijgen, dan moet de opslag enorm worden opgeschaald. Alleen al onder de Noordzee zullen we op termijn mogelijk op honderden plekken waterstof moeten gaan opslaan. Er is al een klein beetje ervaring mee, maar opslag realiseren op meer plekken is niet simpelweg een kwestie van copy paste. Er is namelijk interactie tussen de velden. Je moet goed weten hoe de velden elkaar beïnvloeden voordat je er waterstof in pompt.”

We hebben geluk in Nederland. We grenzen aan een ondiepe zee waar je windturbines op de bodem kunt bevestigen. Om windparken op zee op te schalen moeten er drijvende turbines komen, meent windenergie-expert dr. Axelle Viré van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. “Zodra de zee dieper is dan ongeveer vijftig meter, kun je de molens niet meer vastzetten op de bodem. Althans, het is dan veel gedoe en niet meer rendabel. Je zult ze op drijvende platforms moeten zetten die je met kabels en ankers op hun plek houdt.”

De techniek staat nog in de kinderschoenen. Voor de kust van Schotland ligt een park met vijf drijvende turbines van het bedrijf Equinor. Dit bedrijf wil in 2022 nog eens elf turbines plaatsen voor de kust van Noorwegen. Het zijn niet bepaald hoge aantallen. Voor een substantiële impact van drijvende molens op onze energievoorziening is het dus nog even wachten. Maar de potentie is enorm, meent Viré. “Je zou de turbines ook ver op zee kunnen plaatsen en ze waterstof kunnen laten produceren. Die energiedrager kun je goedkoop aan wal halen.”

Om de technologie vooruit te helpen is het van belang om beter te snappen hoe de beweging van zo’n enorme dobber met wieken de aerodynamica beïnvloedt. De molen beweegt als gevolg van de stroming, wind en golven“ zegt Viré. “Met simulaties en berekeningen proberen we daar meer zicht op te krijgen.”