Elektrochemie als de heilige graal
Stel je voor, een industrieterrein met steriele fabrieken zonder rookpluimen en vreemde luchtjes, die geheel op elektriciteit ‘draait’. Ruud Kortlever, universitair docent bij de afdeling Process & Energy van de TU Delft is van mening dat dit moet kunnen, namelijk door het implementeren van elektrochemische systemen in de chemie.
Een CO2-neutrale samenleving in 2050, om opwarming van de aarde tegen te gaan. Daaraan heeft de Europese Unie zich in 2015 via het klimaatakkoord van Parijs gecommitteerd. Als we dit willen realiseren, speelt de chemische industrie een belangrijke rol. Deze industrietak is nu nog voornamelijk gebaseerd op fossiele brandstoffen en grondstoffen, en is in Nederland verantwoordelijk voor een derde van de totale nationale CO2-uitstoot. Dat is evenveel als de gehele transportsector en de landbouw samen. Aan de Technische Universiteit Delft werkt Ruud Kortlever aan een alternatieve productiemethode voor chemische fabrieken, die onder andere koolstofdioxide en stikstof gebruikt als basis voor de productie van grondstoffen en brandstoffen. Daarnaast biedt de technologie de mogelijkheid om elektriciteit uit fluctuerende, duurzame energiebronnen als wind en zon langdurig op te slaan in de vorm van chemische bindingen.
Ruud Kortlever
“Door de aanpak van e-Refinery ben ik veel meer over het grote plaatje gaan nadenken. Ik zoom niet alleen meer in op mijn eigen vakgebied maar kijk buiten de grenzen en werk samen met meerdere disciplines. Mijn onderzoek wordt hierdoor veel relevanter voor de toepassing.”
e-Refinery: elektriciteit als drijvende kracht
‘Mijn groep maakt onderdeel uit van het e-Refinery consortium. Dit is een Delfts onderzoeksinitiatief waarin wetenschappers uit sterk uiteenlopende disciplines en publieke -en private partners de handen ineen te slaan op het gebied van energieopslag en versnelling van de verduurzaming. De unieke aanpak van E-Refinery is dat we op diverse schalen en met meerdere disciplines tegelijk naar een uitdaging kijken. Dit versnelt het innovatieproces. We werken actief samen met meerdere partijen binnen de kennisketen om zo wetenschappelijke doorbraken te kunnen bereiken. Een van de doorbraken die we over vijf jaar willen hebben bereikt is een compleet elektrolyse systeem dat per dag honderd kilo aan chemische producten oplevert,’ vertelt Kortlever. Elektrolyse is een bekende techniek om met behulp van elektrische stroom chemische reacties aan te drijven, die onder andere wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Je hebt hiervoor een cel nodig die bestaat uit een vloeistof met daarin de stoffen die je wilt omzetten. Daarin steek je elektroden die je bedekt met een katalysator om het gewenste proces te versnellen. Zodra er een elektrische spanning over de elektroden wordt gezet, zullen positief geladen deeltjes uit de vloeistof naar de zogeheten kathode bewegen en daar elektronen opnemen. Aan de andere elektrode, die anode heet, staan negatief geladen deeltjes uit de vloeistof hun elektronen af.
‘Binnen e-Refinery bekijken we verschillende manieren om met behulp van duurzaam opgewekte elektriciteit chemische processen te realiseren in zo’n elektrolyse-opstelling,’ vertelt Kortlever. ‘Eén van die mogelijkheden is de directe omzetting van stoffen zoals koolstofdioxide en stikstof naar respectievelijk alcoholen en ammoniak. Mijn groep onderzoekt onder andere de katalysatoren die je daarvoor nodig hebt, en onder welke procescondities zoals druk, temperatuur en zuurgraad je de hoogste concentratie aan nuttige producten krijgt, tegen de laagste energiekosten.’
Hobbels wegnemen
Koolstofdioxide is een zeer stabiel molecuul dat je moeilijk kapot krijgt. Datzelfde geldt voor stikstof. Het huidige proces om van stikstof ammoniak te maken, heeft daarom hoge temperaturen en drukken nodig. In theorie zou dat met een elektrochemisch alternatief veel energiezuiniger moeten kunnen. Maar voordat dat op industriële schaal mogelijk is, moeten de onderzoekers eerst nog wat hobbels wegnemen. Kortlever somt op: ‘De katalysator die op dit moment wordt gebruikt om CO2 te splitsen, werkt niet optimaal. Je moet een erg grote spanning aanleggen over de elektrodes om de binding tussen de koolstof- en zuurstofatomen te breken, maar de katalysator kan daar eigenlijk niet goed tegen. We moeten dus op zoek naar andere materialen. Daarnaast hebben we op dit moment nog veel te weinig controle over welke producten er in welke hoeveelheden worden gemaakt. Ook is de stabiliteit van de elektrodes zelf nog een uitdaging. Een reactor moet meerdere jaren stabiel kunnen opereren, maar veel van de chemische processen die erin plaatsvinden vervuilen de elektrodes, waardoor ze minder actief worden. En tot slot zoeken we naar oplossingen van problemen die kunnen ontstaan als we een proces uit ons lab gaan opschalen naar een complete fabriek. We houden er bijvoorbeeld nu al rekening mee waar de CO2 straks vandaan gaat komen, en onder welke condities. Als het rechtstreeks uit de lucht komt heeft het een andere samenstelling dan wanneer het uit een andere bron zoals afvalverbranding komt. En hebben we bijvoorbeeld te maken met stromingseigenschappen waar we in ons chemisch proces rekening mee moeten houden?’
Ruud Kortlever toont een demonstratie elektrochemische cel met commerciële poreuze elektroden
Van lab naar fab
De wetenschappers hoeven niet bij nul te beginnen, vertelt de chemicus. ‘Het is al sinds de jaren tachtig bekend dat je met koperelektrodes koolstofdioxide elektrochemisch kunt omzetten, maar er wordt pas een jaar of tien, twintig echt intensief onderzoek naar gedaan. Moleculair snappen we hoe het werkt, welke katalysatoren wat doen en onder welke procescondities. We kunnen bijvoorbeeld ethyleen maken met zestig procent selectiviteit in een elektrochemische cel die 200 tot 300 uur stabiel blijft draaien. Nu moeten we de vertaalslag gaan maken van een enkele cel met een paar elektrodes naar een werkend minifabriekje. Daar zijn we nu mee bezig.’
Blik verbreden
Hoewel de chemicus via zijn promotieonderzoek min of meer bij toeval in de elektrochemie is terechtgekomen, heeft het vakgebied hem helemaal gegrepen, vertelt Kortlever. Na een fundamentele promotie aan de Universiteit Leiden en een meer op materiaalkunde gerichte postdoc aan het Amerikaanse Caltech, voelt hij zich in Delft helemaal op zijn plaats: ‘Waar ik tijdens mijn eerdere werk vooral bezig was met vraagstukken op moleculair niveau, kijk ik nu veel meer naar het hele proces. En dan spelen engineering vraagstukken ineens een grote rol. Hoe ziet zo’n fabriek er straks uit? Hoe groot moet je elektrochemische cel dan zijn? Over welke stroomdichtheden heb je het in dat geval? En hoe doen we scheidingsstappen achteraf?’ Want een systeem met een koperelektrode leidt tot zestien verschillende producten, en die zal je allemaal van elkaar moeten kunnen scheiden om er iets nuttigs mee te kunnen doen.
Het feit dat het e-Refinery consortium met zijn beoogde pilot reactor zo’n duidelijke stip op de horizon heeft gezet, helpt hem in het maken van keuzes. ‘We willen binnen enkele jaren een techniek die nu alleen nog maar op kleine schaal werkt, laten zien in een grote schaal demonstrator. Dat helpt mij bij het stellen van prioriteiten in mijn onderzoek. We kiezen nu bijvoorbeeld eerst voor een op koper gebaseerd systeem, omdat we al weten dat dat in ieder geval werkt. Ondertussen verbeteren we het eindconcept, en exploreren we als een op de langere termijn gericht zijpad de mogelijkheden van nieuwe materialen.’
Samen alternatieven ontwikkelen
‘Deze technologie kan een sterke impact gaan hebben,’ verklaart Kortlever zijn enthousiasme voor zijn onderzoeksonderwerp. ‘Het is bijzonder motiverend om met zo’n gedreven, multidisciplinair en op samenwerking gericht team te werken aan een schone manier om chemische producten en bandstoffen te maken. En dat doen we niet alleen, we werken ook veelvuldig samen met bedrijven. Die weten dat ze in 2050 hun zaken anders geregeld moeten hebben, en werken nu alvast met ons aan nieuwe mogelijkheden op het gebied van elektrochemie.’