'Laat fabrieken op duurzame energie draaien'

Het aantal zonnepanelen en windmolens in Nederland groeit, en daarmee ook de hoeveelheid beschikbare duurzame energie. Als het aan universitair docent elektrokatalyse Ruud Kortlever van de TU Delft ligt zet die groei door. Hij wil dat het niet alleen gebruikt wordt om onze huizen te verlichten en elektrische auto’s op te laten rijden, maar ook om de chemische industrie te verduurzamen. “Voor veel chemische reacties in fabrieken heb je hoge temperaturen nodig. Om die te bereiken verbranden fabrieken fossiele brandstoffen zoals kolen of gas, en ze gebruiken allerlei chemicaliën uit fossiele bronnen om deze reacties te laten verlopen.”

Maar je kunt deze reacties ook uitvoeren met elektriciteit dat duurzaam is opgewekt. Om dit voor elkaar te krijgen maken Kortlever en zijn collega’s gebruik van zogeheten elektrochemie. Dit is een tak van de chemie die elektriciteit gebruikt om chemische reacties te laten verlopen. Het meest bekende voorbeeld is het splitsen van water in waterstof en zuurstof door elektrodes in het water te stoppen. Maar de elektrochemie beperkt zich niet alleen tot water. Ook andere moleculen zoals CO₂ en stikstof (N₂) worden op deze manier gedwongen om te reageren in andere, nuttigere moleculen.

“Wij willen met deze techniek op een duurzame manier chemicaliën maken die fabrieken bijvoorbeeld kunnen gebruiken als brandstof voor hun processen” vertelt Kortlever. Het ene molecuul reageert wel makkelijker dan de andere, daarom is het soms nodig om een katalysator toe te voegen: een materiaal dat op de elektrode zit en daar de reactie verder versnelt of überhaupt mogelijk maakt. En dat is nog een hele puzzel: “We werken in Delft samen in het e-refinery initiatief, maar we zijn al jaren bezig met het uitproberen van allerlei materialen en katalysatoren. Inmiddels weten we redelijk goed wat wel en niet werkt, en kunnen we aan systemen werken die echt nuttig zullen zijn in chemische fabrieken.”

Kunnen we niet beter alle duurzame elektriciteit gewoon als energiebron gebruiken?

“Dat zou ook mooi zijn, maar we hebben niet altijd al die elektriciteit nodig. En dan zul je het toch moeten opslaan. Op kleine schaal kan dit redelijk goed in batterijen, maar voor de grote bulk is dat niet efficiënt genoeg. Dan kun je die energie beter opslaan in chemische verbindingen, zoals bijvoorbeeld waterstof. Dat is alleen lastig op te slaan, dus zou het beter zijn om er een alcohol zoals ethanol van te maken. Dat kun je gebruiken als opslag en weer verbranden om energie op te wekken als het nodig is.”

Maar Kortlever richt zich niet alleen op brandstoffen. Want met elektrochemie kun je volgens hem ook duurzame moleculen maken die fossiele grondstoffen vervangen. “De meeste grondstoffen voor bijvoorbeeld plastics maken we nu nog uit olie. Met onze reacties hopen we bijvoorbeeld CO₂ te laten reageren tot iets waar je plastics of andere producten van kunt maken.”

Hoe willen jullie dat voor elkaar krijgen?

“Om van CO₂ iets nuttigs te maken, moet je er eigenlijk waterstof aan toevoegen. Sommige onderzoekers maken eerst waterstof uit water en laten dat weer reageren met CO₂, maar dat vinden wij een beetje omslachtig. Daarom stoppen wij water en CO₂ in een pot bij elkaar en proberen we de juiste katalysatoren te vinden om met elektrochemie de reactie in een keer te laten verlopen. Het is al een tijd mogelijk om onder andere mierenzuur en koolmonoxide te maken, wat we weer verder kunnen gebruiken als grondstof. Maar we willen uiteindelijk graag selectief alcoholen en koolwaterstoffen zoals etheen maken, want dat zijn hele belangrijke grondstoffen die je om kan zetten in veel andere moleculen en ook als brandstof kunt gebruiken. Het vergt alleen nog wel wat werk om dit op een grote schaal te kunnen doen.”

“Daarnaast proberen we ook een andere belangrijke grondstof met elektrochemie te maken: ammonia. Dit willen we uit stikstof maken, maar stikstof reageert heel slecht omdat het van zichzelf een ontzettend stabiel molecuul is. Dus we zoeken nu naar de juiste katalysatoren en materialen die deze reactie een zetje te geven. Tot slot kijken we ook nog naar watersplitsing, maar deze reactie is al redelijk uitontwikkeld dus proberen we vooral efficiëntere reactoren te ontwerpen.”

Hoe moet ik zo’n elektrochemische reactor voor me zien?

“Normaal gesproken maken we gebruik van een zogenoemde 3-elektrode cel. Aan de ene kant zit een anode, de negatieve pool, aan de andere kant de kathode, de positieve pool. Tussen de twee elektroden zit een membraan die de twee compartimenten en de vloeistof die daarin zit uit elkaar houdt. Voor CO₂ kunnen we dit systeem alleen niet goed gebruiken, want dat lost slecht op in het elektrolyt. Daarom gebruiken we daar een poreuze kathode met een waterige vloeistof aan een kant en CO₂ aan de andere kant. De kathode heeft een waterafstotend laagje aan de kant van het gas waardoor de vloeistof niet het gas in loopt. De CO₂ kan wel door dit laagje heen en komt dan in aanraking met de katalysator op de kathode, waardoor de reactie plaatsvindt.”

Lukken de reacties al een beetje?

“Er zijn nog reacties die we niet zo goed voor elkaar krijgen, zoals die van stikstof naar ammonia, omdat stikstof zo lastig reageert. De omzetting van CO₂ naar etheen, een grondstof voor onder andere bepaalde plastics, verloopt beter. In een kleine reactor van maximaal 10 bij 10 centimeter kunnen we al etheen maken met een efficiëntie van 60 procent. Dat betekent dat 60 procent van de energie die in de reactor gaat gebruikt wordt om etheen te maken. Daar zijn we heel tevreden over, en we willen het systeem nu gaan testen op een grotere schaal. Binnen vijf jaar willen we een systeem hebben dat 40 kilogram etheen per dag kan maken. Dat is nog lang niet genoeg als grondstof voor een chemisch proces, maar wel een schaal die interessant is voor industriële partners. We hebben dan genoeg bewezen dat het concept werkt en zij kunnen vervolgens aan de slag om het nog verder op te schalen.”

Wat is nog het grootste obstakel?

“Eigenlijk nog best veel. We weten redelijk goed hoe verschillende katalysatoren werken en hoe de reactie precies verloopt. Maar dat is allemaal op kleine schaal, in het lab. Wie weet wat er allemaal gebeurt als je grotere elektrochemische cellen gaat maken, of je materialen wel stabiel zijn over langere tijd. In het lab laat je zo’n cel hoogstens een week draaien, in de industrie moeten ze wel jaren meegaan. Zo moet de poreuze elektrode wel stevig genoeg zijn, anders gaat het lekken. In die elektrode zit ook een katalysator, die moet het ook wel langere tijd blijven doen. En hoe kun je zo’n systeem het beste controleren als je tientallen of misschien wel honderden van dat soort cellen aan elkaar schakelt? Er zijn dus zeker nog genoeg vraagstukken te beantwoorden.”

Denk je dat Nederland ooit honderd procent op elektriciteit zal draaien?

“Zelfs in een ideale wereld zullen we toch ook nog andere processen nodig blijven hebben. We kunnen bijvoorbeeld wel mooie elektrochemische reacties voor grote chemische fabrieken ontwerpen en die fabriek volledig op elektriciteit laten draaien, maar dan moet zo’n fabriek ook om kunnen gaan met de fluctuerende toestroom van wind- en zonne-energie. Ze willen natuurlijk niet opeens minder produceren als het bewolkt is. Daarom zul je altijd nog wel iets van een brandstof nodig hebben als buffer. En bovendien zijn elektrochemische reacties niet voor alle chemicaliën efficiënt. Je wilt natuurlijk niet dat fabrieken minder energie-efficiënt gaan werken, dan kun je beter bij een aangepaste versie van de huidige methode blijven.”