Icon up Overzicht Volgende Icon right

Een vliegtuig op zonnebrandstof, kan dat?

Onderwerp: (Duurzame) energie

Begrippen: Elektron, Energie

De toenemende hoeveelheid koolstofdioxide, oftewel CO2, in de lucht is één van de oorzaken van de klimaatverandering. Hoe voorkom je deze toename? Dat kan bijvoorbeeld door elektriciteit te produceren waarbij geen CO2 vrijkomt. Maar niet alles werkt op elektriciteit. Een vliegtuig dat op batterijen vliegt is nog ondenkbaar. Hoe mooi zou het zijn als je de brandstof voor vliegtuigen niet uit aardolie haalt – waarbij weer nieuwe CO2 het ecosysteem ingaat – maar als je kerosine maakt met zonne-energie waarbij je als grondstof CO2 uit de lucht gebruikt. Technisch gezien kan dat, maar is de maatschappij al zo ver om hiervoor te betalen? Bij DIFFER in Eindhoven doen ze onder andere onderzoek naar efficiënte omzetting van CO2 naar CO, de eerste stap in de productie van bijvoorbeeld duurzame kerosine.

Bij duurzame energie denk je vaak meteen aan zonnepanelen en windmolens waarmee je elektriciteit opwekt. Logisch, want de opwekking van elektriciteit voorziet voor een belangrijk deel in onze energievraag. Maar naast elektriciteit hebben we ook brandstoffen nodig. Hiervoor gebruiken we meestal nog aardolie en aardgas. Het nadeel hiervan is dat het winnen van deze producten tot problemen en milieuschade kan leiden. Denk bijvoorbeeld maar aan de aardbevingen in Groningen als gevolg van de aardgaswinning. En ook aan de winning van aardolie, die schadelijke gevolgen heeft voor het milieu. Bovendien komt er door de verbranding van aardgas en aardolie steeds meer CO2 in de atmosfeer. En dat is nou net wat je niet wilt.

Wat is een zonnebrandstof?

Gelukkig is er een alternatief: je zou ook duurzame brandstoffen kunnen produceren, zonnebrandstoffen. Dit zijn brandstoffen die je maakt met zonne-energie (direct uit zonlicht of indirect via zonnepanelen of windenergie) en die CO2-neutraal zijn. Dat betekent dat je voor de productie hiervan net zo veel CO2 gebruikt als er vrijkomt wanneer je de brandstof verbruikt.

 Kringloop zonnebrandstof

Figuur 1: Kringloop van een zonnebrandstof. Met zonne-energie zet je CO2 en water om in brandstof. Bij verbranding komen energie en CO2 vrij. Illustratie: DIFFER.

Het gaat hierbij om brandstoffen, of eigenlijk energierijke moleculen, die we kunnen maken van water, stikstof en/of koolstofdioxide en die we daarna meteen kunnen gebruiken. Eigenlijk kun je het vergelijken met wat planten doen. Die gebruiken bij de fotosynthese zonlicht om de CO2 die ze opnemen uit de lucht samen met water om te zetten in glucose en zuurstof. Glucose in planten is dus ook een zonnebrandstof, maar dan gemaakt door de natuur.

Soorten zonnebrandstoffen

Planten maken de brandstof glucose, maar welke brandstoffen kunnen wij maken met zonne-energie? Er zijn drie groepen stoffen die we zouden kunnen maken. Dit zijn als eerste de synthetische (door mensen gemaakte) brandstoffen, zoals waterstof en koolstofmonoxide (CO). De tweede groep, die we ook tot de zonnebrandstoffen rekenen, zijn chemicaliën die nodig zijn als grondstof voor de chemische industrie. Dit zijn bijvoorbeeld alkanen (zoals methaan) en alcoholen. De laatste groep zonnebrandstoffen zijn de complexe energierijke moleculen, zoals koolhydraten en eiwitten. De manier waarop elke afzonderlijke zonnebrandstof gemaakt wordt, is heel verschillend. Maar de zonnebrandstoffen hebben één ding gemeen: ze zijn allemaal gemaakt met zonne-energie.

Groepen zonnebrandstoffen uit water, stikstof en/of koolstofdioxide

Figuur 2: Groepen zonnebrandstoffen die worden gemaakt uit water, stikstof en/of koolstofdioxide met behulp van zonne-energie. Illustratie: DIFFER.

Duurzame kerosine

Een goede toepassing van zonnebrandstof is het maken van duurzame kerosine. Voor vliegtuigen heb je echt een brandstof als kerosine nodig, omdat vliegen op zonnepanelen, met accu’s of op waterstof niet ideaal is. Als je nu CO2 uit de atmosfeer zou kunnen halen en dat met zonne-energie om zou zetten in de lange koolwaterstofketens waaruit kerosine bestaat, dan zou je vliegtuigen hierop kunnen laten vliegen. De vliegtuigen vliegen dan CO2-neutraal op duurzame elektriciteit.

Kringloop CO2 bij productie duurzame kerosine

Figuur 3: Schema van CO2-kringloop bij productie duurzame kerosine. Illustratie: DIFFER.

Eenvoudig is het proces om duurzame kerosine te maken niet. Eerst moet je CO2 uit de lucht halen. Deze CO2 voer je toe aan een plasmareactor, die werkt op elektriciteit opgewekt met zonne- of windenergie. In de plasmareactor maak je CO waarbij zuurstof vrijkomt. Als je de zuurstof en de overgebleven CO2-moleculen uit het mengsel haalt, houd je alleen CO over. Als je deze CO samen met waterstof in een speciale reactor laat reageren, ontstaan er koolwaterstoffen, waarmee je dan duurzame kerosine kunt maken. Als het vliegtuig vliegt op deze duurzame kerosine, komt bij de verbranding weer CO2 vrij. Dit gebruik je dan weer om nieuwe kerosine te maken. In het Europese Horizon 2020 project ‘Kerogreen’ werkt DIFFER onder leiding van Adelbert Goede samen met andere Europese instituten aan de ontwikkeling van deze duurzame kerosine.

Matras uit zonnebrandstof

Ook zou je de koolwaterstoffen die je maakt uit zonne-energie kunnen gebruiken als grondstof voor de chemische industrie, zodat je hiervoor geen aardolie nodig hebt. Als je met de CO2 die je uit de atmosfeer haalt koolwaterstoffen produceert, kun je hiermee bijvoorbeeld (CO2-neutrale) matrassen maken.

Benutten overproductie elektriciteit

Zonnebrandstoffen zijn beter voor ons milieu dan brandstoffen uit aardolie of aardgas, omdat ze CO2-neutraal zijn. Maar er is nog een voordeel. Het onhandige van zonnepanelen en windmolens is dat er momenten zijn dat deze energieopwekkers meer energie opwekken dat de energievraag die er op dat moment is. Die energie wil je niet verloren laten gaan. Daarom is het handig als je deze energie kunt opslaan door er zonnebrandstoffen van te maken. Zo kun je de overproductie van elektriciteit omzetten in chemische potentiële energie.

Zonnebrandstoffen maken in de woestijn

Ook zou je bijvoorbeeld zonnebrandstoffen kunnen maken in de woestijn. Deze plek leent zich erg goed voor het opwekken van zonne-energie. Tegelijkertijd is hier geen grote energievraag, omdat hier niet veel mensen wonen, vanwege de ongunstige leefomstandigheden. 

Zonnepanelen in de woestijn

Figuur 4: Zonnepanelen in de woestijn. Foto: Wikimedia Commons - USAF.

Juist op zo’n plek zou je met zonne-energie zonnebrandstoffen kunnen maken, die je dan naar andere plaatsen kunt vervoeren waar ze deze brandstoffen goed kunnen gebruiken. Je kunt de zonnebrandstof dan vervolgens transporteren via pijpleidingen of met schepen.

Onderzoek bij instituut DIFFER

In Nederland werken onderzoekers ook aan de toepassing van zonnebrandstoffen. Bij DIFFER in Eindhoven onderzoeken ze van een aantal zonnebrandstoffen hoe je deze zo efficiënt mogelijk kunt maken. Zo werken ze hier aan het efficiënter maken van een foto-elekrochemische cel, waarmee je direct met zonlicht water om kunt zetten in waterstof. Zo’n cel bestaat uit twee elektroden, een anode en een kathode, met daartussen een elektrolyt. Hierin ontleed je water via elektrolyse in waterstof (kathode) en zuurstof (anode).

Foto-elektrochemische cel

Figuur 5: Opbouw van een foto-elektrochemische cel. Illustratie: DIFFER.

Het omzettingsproces in deze cellen is nog niet zo efficiënt. Door metingen en simulaties uit te voeren, proberen onderzoekers te achterhalen waardoor het proces inefficiënt is en kijken ze hoe ze het efficiënter kunnen maken.

Omzetten CO in plasmacondities

In de groep van professor Gerard van Rooij bij DIFFER onderzoeken ze de omzetting van CO2 naar CO door gebruik te maken van een plasma.

Figuur 6: Plasma-opstelling. Foto: DIFFER.

Waarom gebruiken ze een plasma voor deze omzetting? Dat is omdat bij het omzetten onder plasmacondities een hele hoge energie-efficiëntie mogelijk is. De energie-efficiëntie is de verhouding tussen de energie die nodig is voor de vorming van CO en de energie die je in het omzettingsproces stopt. 

Voordelen plasma

Maar er zijn nog meer voordelen. De techniek om plasmacondities te bereiken is eenvoudig en goedkoop. Je maakt gebruik van hetzelfde principe als de magnetron: microgolven. De omzetting gebeurt in een microgolfplasmareactor. Ook zijn er voor deze techniek geen zeldzame materialen nodig en kun je zowel kleine als grotere plasmareactoren bouwen. Dat is handig, want je zou de plasmareactor bijvoorbeeld ook kunnen inbouwen in de mast van een windmolen die op zee staat. Ook is het handig dat je het plasma vrijwel direct aan of uit kunt zetten. Zo kun je de productie van CO mee laten schakelen met de beschikbaarheid van elektriciteit.

Ioniseren moleculen

Hoe gaat nu het omzetten van CO2 naar CO? Gerard van Rooij: “Je zou simpelweg kunnen zeggen dat door het heel heet maken van CO2 in een plasma de moleculen uit elkaar vallen. Maar het is natuurlijk wel wat ingewikkelder.” In de microgolfplasmareactor maken ze een plasma dat zo heet is dat moleculen hierin kunnen ioniseren. Dit betekent dat er elektronen uit CO2 ontstappen en er CO2+ ontstaat. In het plasma bewegen nog niet geioniseerde CO2-moleculen, CO2+-ionen en losse elektronen door elkaar heen.

Schematische weergave plasma

Figuur 7: Plasma waarin positief geladen moleculen (rood), neutrale moleculen (blauw) en vrije elektronen (geel) door elkaar heen bewegen. Illustratie: DIFFER.

Trillingsenergie

Als de elektronen in het plasma snel genoeg bewegen, kunnen ze hun energie overdragen aan de CO2-moleculen in de vorm van trillingsenergie (dit noem je vibratie-energie) van de bindingen. Tijdens de vibratie bewegen de zuurstofatomen uit het CO2-molecuul van en naar het koolstofatoom toe.

Animatie CO2 molecuul

Figuur 8: Simulatie van vibrerend CO2-molecuul. Animatie: Edwin Schauble / UC Regents.

“Als de elektronen energie overdragen aan de CO2-moleculen in de vorm van vibratie-energie en de trilling van de atomen hierdoor maar hard genoeg gaat,” vertelt Gerard van Rooij, “dan heeft het zuurstofatoom als het van het koolstofatoom af beweegt op een gegeven moment niet meer in de gaten dat het deel uitmaakt van een molecuul en raakt het los. Zo heb je dan op een zachtaardige manier, of beter gezegd een energie-efficiente manier, de zuurstofbinding verbroken.”

Ideale plasmaomstandigheden

Om de elektronen zo ver te krijgen dat ze hun energie overdragen in de vorm van deze trillingsenergie, moet je de juiste omstandigheden in het plasma zien te krijgen. “Om deze omstandigheden te creëren, moet je ervoor zorgen dat maar een klein deel van het plasma geïoniseerd is,” legt Gerard van Rooij uit. “Maar de snelle elektronen die losgekomen zijn uit de neutrale moleculen wil je wel zo lang mogelijk aan de gang houden, zodat zij zuurstofatomen kunnen losmaken. De losgekomen zuurstofmoleculen zullen ook nog met een CO2-molecuul reageren waarbij CO en O2 ontstaat. Het meest ideaal is het als de gastemperatuur laag blijft (dit is de temperatuur die de bewegingsenergie van de moleculen bepaalt), maar de elektronen snel genoeg bewegen om de trillingsenergie van moleculen aan te slaan.”

Scheiden CO

Hoewel het onderzoek bij DIFFER ertoe kan leiden dat het omzettingsproces zeer efficiënt wordt, is de toepassing ervan voor zonnebrandstoffen nog niet vanzelfsprekend. “Er moet een industrie zijn die CO wil gaan gebruiken,” licht professor Van Rooij toe. “En als je CO wilt toepassen om hier bijvoorbeeld duurzame kerosine van te maken, moet je ook kijken hoe je de CO die in het plasma ontstaat, scheidt van de andere stoffen in het plasma. Dat zou bijvoorbeeld kunnen door een membraan te maken, een soort filter waar alleen CO-moleculen doorheen kunnen en geen andere moleculen. Maar er zijn ook andere manieren denkbaar om stoffen indirect te scheiden.”

Prijs zonnebrandstof

En dan is er natuurlijk nog de prijs die je betaalt voor zonnebrandstof. “Als je aanneemt dat er een membraan is om CO te scheiden, dan kom je ongeveer op een prijs voor de opgeslagen energie die vier keer zo hoog is als de elektriciteitsprijs (beide in euro per kWh). Dit verhoudingsgetal kan misschien nog lager worden, maar zal nooit lager worden dan één. De techniek zal natuurlijk nooit gratis brandstof opleveren, want je hebt altijd de kosten van de zonne-energie die je gebruikt om de brandstoffen te produceren.” legt Gerard van Rooij uit.

Draagvlak zonnebrandstoffen

De vraag is of de samenleving deze prijs wil betalen voor zonnebrandstoffen, want aardolie uit de grond halen is nog steeds veel goedkoper. Gerard van Rooij benadrukt: “Het wordt pas financieel aantrekkelijk om zonnebrandstoffen te maken als de olieproducerende landen ons geen olie meer verkopen of als we zelf besluiten dat we deze prijs willen betalen om de vervuiling van de aarde tegen te gaan. Anders gaat het niet werken.”