Gigantische windmolenparken ver op zee. Mega-zonneboerderijen in de Sahara. Daar kun je efficiënt - en zonder overlast voor de omgeving - grote hoeveelheden duurzame elektriciteit opwekken. Maar op zee en in de woestijn is helaas weinig behoefte aan stroom; die zal toch echt getransporteerd moeten worden naar bewoonde gebieden. En dat is geen sinecure, weten de experts van netwerkbedrijf Alliander. De verliezen bij transport van elektriciteit zijn namelijk groot, en bovendien zou om de stroom van een zonnepanelenveld in de Sahara naar Europa te krijgen een kabelgoot van twee kilometer breed nodig zijn.

Het ligt daarom voor de hand om gebruik te maken van bestaande infrastructuur voor het transport van gas, dat in een deel van Nederland (waaronder Eindhoven) wordt beheerd door Alliander. Twee pijpen zouden dan volstaan om Europa aan te sluiten op de Sahara. In het uitgebreide gasstelsel onder Nederland kan daarbij ook nog eens een grote hoeveelheid van dit gas worden opgeslagen (het equivalent van 100 TWh, de hoeveelheid stroom die Nederland in een jaar verbruikt). Het is onmogelijk om dergelijke hoeveelheden energie voor langere tijd te bewaren in de vorm van elektriciteit.

De uitdaging is om de zonne- of windstroom efficiënt vast te leggen in een energierijk gas, methaan bijvoorbeeld - het hoofdbestanddeel van het aardgas dat nu al door de leidingen stroomt. Methaan maken met behulp van stroom is al wel mogelijk, via een tussenstap waarbij water wordt gesplitst door er een elektrische stroom doorheen te sturen (elektrolyse), maar dat is een relatief bewerkelijk en duur proces.

Het kan ook anders: met behulp van een plasma kun je namelijk CO₂ omzetten in CO, dat op zijn beurt weer met water kan reageren tot methaan. De duurzame elektrische energie wordt gebruikt om een soort magnetron aan te drijven waarin het plasma wordt opgewekt. Via die omweg wordt de zonne- of windenergie dus indirect opgeslagen in methaan.

Een veelbelovende techniek, dachten ze bij Technologiestichting STW. Reden om met financiële steun van Alliander het programma ‘Plasma Conversion of CO₂’ op te zetten, waarbinnen afgelopen zomer drie projecten werden gehonoreerd. In alle drie spelen onderzoekers van de TU/e een belangrijke rol.

“Het is een omgekeerd verbrandingsproces”

Dr.ir. Jan van Dijk, onderzoeker bij Elementaire Processen in Gasontladingen (EPG), is met collega dr.ir. Kim Peerenboom zelfs bij twee projecten betrokken, samen met collega’s van het instituut DIFFER en de Universiteit Twente. Hij was aanvankelijk verrast door het STW-programma, geeft hij openhartig toe. “Mijn eerste reactie was: ‘dat kan toch nooit’. Maar toen ik zag dat Alliander bereid was er veel geld in te stoppen, begreep ik wel dat het serieus was.” Na enig overleg besloten hij en Peerenboom - die vorig jaar cum laude bij EPG promoveerde en binnenkort in een ‘WISE tenure track’-positie terugkeert uit Brussel, waar ze momenteel aan de Université Libre ervaring opdoet als postdoc - zich enthousiast op deze maatschappelijk relevante uitdaging te storten.

“In beide projecten is het doel om met plasma’s methaan te produceren uit gerecyclede CO₂”, zegt Van Dijk. “Het voornaamste verschil is het moment waarop waterdamp wordt toegevoegd.” De kern van de voorgestelde plasmatechniek is het opsplitsen van CO₂ in koolstofmonoxide (CO) en zuurstof. Door botsingen van de CO₂-moleculen met snel bewegende elektronen in het plasma, vergaren de eerstgenoemde genoeg inwendige energie om een zuurstofatoom af te stoten. “In zekere zin is het een omgekeerd verbrandingsproces”, legt de plasmafysicus uit. “Het is dan ook belangrijk dat de geproduceerde zuurstof wordt afgevoerd voordat de CO weer verbrandt tot CO₂. Hiervoor willen we membranen gebruiken, dat is de bijdrage van de Universiteit Twente.”

De kunst is om bij de CO-productie zo weinig mogelijk energie te verspillen. “Daarvoor is een plasma nodig met precies de juiste eigenschappen”, aldus Van Dijk. Om die optimale condities te vinden, zullen de TU/e’ers computersimulaties vergelijken met experimenten die hun collega’s bij DIFFER (vanaf volgend jaar op de TU/e-campus) gaan uitvoeren. “Er zijn zoveel dingen die je kunt variëren, zoveel knopjes om aan te draaien, dat je de wisselwerking tussen simulaties en echte experimenten hard nodig hebt om het onderzoek te sturen.”

Uiteindelijk moet de methode ook op grote schaal toegepast kunnen worden, en dat beperkt de onderzoekers in de mogelijkheden. “We moeten naar de hele keten kijken. Het heeft weinig zin om bij omstandigheden te werken waarbij wel veel CO wordt gevormd, maar waarbij de zuurstof bijvoorbeeld niet kan worden afgevoerd. We zullen daarom regelmatig overleggen met alle betrokkenen – ook met de beoogde eindgebruikers als Alliander.”

“De wisselwerking tussen plasma en katalysator is nog niet goed uitgezocht”

Het derde STW-project is volledig van de TU/e, en heeft een iets andere insteek. Het plan van dr. Qi Wang (Micro Flow Chemistry & Process Technology) is namelijk niet om methaangas te maken, maar de vloeibare brandstof methanol. De eerste stap is daarbij hetzelfde: gerecycled CO₂ omzetten in CO. “Hiervoor gebruiken we technologie van onze industriële partner Evonik”, zegt Wang. “De bedoeling is om ook waterstof toe te voegen. In combinatie met de juiste katalysator zouden we dan op efficiënte wijze methanol moeten kunnen maken.”

Het plan om CO₂ met plasmatechnologie naar methanol om te zetten is niet geheel nieuw, vertelt de Chinese, maar er is wereldwijd nog maar weinig onderzoek naar gedaan en de opbrengsten zijn nog erg laag. “De opbrengst hangt af van de wisselwerking tussen het plasma en de katalysator, en dat is nog niet goed uitgezocht. Bovendien is er nog niets bekend over hoe je dit proces zou moeten opschalen naar industrieel niveau.”

Om uit te vinden zal Wang de komende jaren nauw samenwerken met katalyse-expert prof.dr. Emiel Hensen en stromingskenner prof.dr. Federico Toschi, met aanvullende input van een uitgebreid gebruikerspanel dat werd samengesteld door prof.dr. Volker Hessel, formeel de hoofdaanvrager van de STW-subsidie. Ook met Jan van Dijk en zijn collega’s van Technische Natuurkunde zal Wang naar verwachting van tijd tot tijd informatie uitwisselen. “Dat is nodig, want dit project vereist een multidisciplinaire aanpak. We hebben onderling al contact gehad en ik wil graag meer van de natuurkundige kant leren, en de fysici waren geïnteresseerd in mijn kennis van de scheikundige technologie. We kunnen vast veel nuttige dingen van elkaar leren.”