Zo maak je vloeibare elektriciteit

Het is een wrede ironie dat duurzame energie overvloedig is in de zomer en schaars in koude en donkere winters. TU-onderzoekers denken dat probleem op te lossen door elektrische energie om te zetten in brandstof.

In het onderzoeksprogramma Power to Ammonia waarvan de TU Delft partner is, wordt overtollige duurzame stroom omgezet in ammoniak, die onder andere bedoeld is als brandstof voor de Nuon-centrale in de Eemshaven.  

Nuon is geïnteresseerd in een CO2-vrije brandstof en in seizoensopslag van elektriciteit, omdat dit de nieuwe gasgestookte centrales aan de Eemshaven een rol geeft in een toekomst met duurzame en volledig CO2-vrije elektriciteit.

Het principe is dat groene stroom water splitst met hydrolyse, waarbij waterstof en zuurstof ontstaan. Waterstof kan samen met stikstof uit de lucht (de atmosfeer bevat 78 procent stikstof) onder hoge druk en temperatuur omgevormd worden tot ammoniak (NH3). Ammoniak kan, in tegenstelling tot waterstofgas, in grote tanks als vloeistof worden opgeslagen. Het heeft een hoge energiedichtheid (de helft van diesel) en kan schoon verbranden; met een geschikte katalysator en niet teveel zuurstof komen alleen waterdamp en stikstof vrij.

Elektrochemische productie 

Hoogleraar energiematerialen prof.dr. Fokko Mulder (faculteit TNW) is op zoek naar een ander proces om ammoniak te maken. Ammoniakvorming verloopt traditioneel via het Haber-Boschproces, dat goed gedijt op grote schaal en op continue basis. “Maar in een duurzame toekomst”, legt Mulder uit, “heb je te maken met een variërend aanbod van elektriciteit uit een zonnepark van bijvoorbeeld 10 megawatt of een aantal windmolens. Dus we hebben een flexibeler en mogelijk ook kleinschaliger productie van ammoniak nodig. Daarom werken we aan een elektrochemische productie ervan. Eén route is waterstof en stikstof in een reactor elektrochemisch met elkaar te verbinden tot ammoniak. Een andere manier is water en stikstof, om te zetten naar zuurstof en ammoniak. Dat zou eigenlijk een eleganter proces zijn omdat je geen waterstof als tussenproduct hebt. Daarvoor wordt nu in een NWO/TTW-project (financiering, red.) een elektrochemische cel ontwikkeld met bijbehorende elektrodes, membranen en elektrolyten. Wereldwijd zijn er flink wat groepen mee bezig, maar de elektrochemische productie van ammoniak blijkt nog erg lastig. Het is vooral de reactiesnelheid en selectiviteit die te wensen over laat. En de proefopstellingen zijn nog heel kleinschalig.”

Prof.dr. Fokko Mulder met de eerste versie van de Battolyser, een gecombineerde nikkel-ijzer accu en elektrolyser die eerst oplaadt en daarna waterstof produceert. Foto © Sam Rentmeester

Battolyser

Mogelijk kan een andere vinding van de groep van Mulder, de Battolyser, het rendement van de waterstofproductie nog verhogen en de kosten verlagen. De Battolyser is een gecombineerde nikkel-ijzer accu en elektrolyser die eerst oplaadt en daarna waterstof produceert. Dat maakt het apparaat in principe geschikt voor opslag van elektriciteit op korte termijn én voor seizoensopslag. De batterijfunctie geeft een extra businessmodel om de totale kosten van elektriciteitsopslag beter te kunnen dragen en daarmee groene waterstof in kostprijs te verlagen. Voor de batterijenwereld is het vluchtige en brandbare waterstofgas de vijand, maar bij elektrolyse is het juist de bedoeling dat er zoveel mogelijk van geproduceerd wordt. De groep van Mulder heeft onderzocht hoe efficiënt de watersplitsing bij een nikkelijzer accu is, en dat rendement bleek met ruim 80 procent hoog. Alleen werd waterstofproductie altijd als nadeel beschouwd en niet als kans. 

Momenteel werken er meerdere promovendi aan verschillende projecten. Ze hopen in 2021 hun resultaten te presenteren. 

/* */