Nieuws

De prijs van energieconversie

Elke vorm van energie is om te zetten in rijwel elke ander vorm. Maar elke conversiestap leidt tot verlies.

Een gedachtenexperiment: een elektrische stroom splitst water door middel van elektrolyse in waterstof en zuurstof; het energetisch rendement van deze conversie ligt op 74 à 87 procent. Een brandstofcel zet deze waterstof weer om in elektriciteit; het rendement van die stap ligt op 40 à 75 procent, afhankelijk van het type cel. Het energierendement van deze conversie van stroom naar stroom ligt tussen de 30 en 65 procent.

Moet de waterstof tussen die twee stappen worden opgeslagen of vervoerd, dan gaat dat gepaard met verliezen van 10 respectievelijk 34 procent. Het rendement van de omzetting van elektrische energie in elektrische energie ligt dan maximaal op 0,87 x 0,75 x 0,9 = 0,58, maar het kan ook bij 20 procent blijven steken.

Nemen we ook nog het rendement mee waarmee de stroom voor de elektrolyse is opgewekt – stel in een gascentrale met een rendement van 50 procent dan daalt het overall energetisch rendement van de hele omzettingsketen naar 10 à 29 procent.

 

Fischer-Tropsch

Vrijwel elke vorm van energie is om te zetten in een andere vorm, maar elke omzetting gaat gepaard met verliezen. Van brandstof naar energiedrager naar een volgende energiedrager, in principe is de keten eindeloos. De prijs die er voor moet worden betaald is rendementsverlies.

Conversie kan echter nodig zijn bij schaarste aan een bepaalde brandstof, of omdat een bepaalde energiedrager handiger is in het gebruik. Bij fysieke of financiële schaarste van een bepaalde vorm van energie is het vaak nodig om zo’n conversiestap te zetten.

China kocht onlangs techniek in Duitsland om steenkool om te zetten in olieproducten. Het land heeft genoeg steenkoolvoorraden, maar olie is schaars en dus duur. In Duitsland is met name vóór en tijdens de Tweede Wereldoorlog techniek ontwikkeld en toegepast – het bekende FischerTropsch-proces – om steenkool in benzine en diesel om te zetten. In Zuid-Afrika bestaat ook uitgebreide ervaring met dit soort technieken.

Elektrische energie is de fijnst regelbare van alle energievormen. Elektriciteit kan van elke gelijk- of wisselspanning, stroom of spanningsterkte, worden omgezet in elke andere stroom of spanningsvorm of -sterkte. Daarom is elektrische energie zo hard nodig en ook niet meer weg te denken uit onze maatschappij.

Veel energie-onderzoek is gericht op verbetering van conversie-rendementen en beperking van emissies. De opwekking van elektriciteit in centrales is de afgelopen decennia met 10 à 15 procent verbeterd, en ligt nu op 40 procent voor steenkool en op 55 procent voor gasgestookte centrales. Gezamenlijke opwekking van stroom en warmte in één installatie leidt echter tot nog veel hogere rendementen (rond de 80 procent). Ook die techniek, warmtekracht, is de voorbije tientallen jaren in Nederland tot wasdom gekomen. Rendementsverbetering leidt per definitie tot beperking van emissies, want elke druppel olie die niet wordt verbrand, kan ook niet vervuilen.

De schaarste concentreert zich op het ogenblik op aardolie en producten daarvan. Dat geldt met name voor autobrandstoffen, omdat daar niet of nauwelijks een alternatief voor is. Industriële installaties kunnen ook worden gestookt met het ruim voorradige steenkool en aardgas, en voor ruimteverwarming komen deze twee brandstoffen eveneens in aanmerking. Zelfs hout is daarvoor een – beperkt – alternatief.

Een conversietechniek in opkomst is de omzetting van aardgas in autobrandstoffen (GTL: gas tot liquids). De basis vormt opnieuw het Fischer-Tropschproces, dat door Shell Research, onder leiding van prof.dr.ir. Swan Tiong Sie, verder is verbeterd. Het energetisch rendement van deze conversie ligt rond de 63 procent.

 

Schone diesel

Shell heeft al bijna tien jaar een kleine proefinstallatie in Maleisië, en bouwt momenteel een fabriek op commerciële schaal in Qatar. Deze beslaat een oppervlak van anderhalve vierkante kilometer, kost zes miljard dollar, krijgt een capaciteit van 140.000 vaten vloeibare brandstof per dag en moet in 2009 in bedrijf gaan. Ook de combinatie ChevronTexaco/Sasol/Qatar Petroleum bouwt een dergelijke installatie in Qatar. ExxonMobil heeft eveneens plannen voor een grote GTL-fabriek.

Het is een manier om aardgas dat beschikbaar komt op een plek ver verwijderd van de belangrijkste afzetmarkten, geschikt te maken voor transport (aardgas is vloeibaar gemakkelijker te transporteren dan in gasvorm) en het in dezelfde stap op te waarderen in de gebruiksketen (autobrandstof in plaats van aardgas). Deze conversie heeft tevens als voordeel dat het zeer schone benzine en diesel oplevert.

 

 

***Kader***

 

Steenkool, olie en aardgas

Steenkool (één deel koolstof op één deel waterstof), aardolie (twee waterstofatomen op één koolstofatoom) en aardgas (vier delen waterstof per deel koolstof) zijn alledrie om te zetten in elektriciteit en warmte. Maar er is veel meer mogelijk.

 

Steenkool conversie in:

vloeibare brandstoffen, met Fischer-Tropsch-proces.

gas, door middel van kolenvergassing. In de 19 en eerste helft 20 eeuw in Nederland op grote schaal toegepast als stadsgas (koolmonoxide). Ruim een decennium geleden is in Buggenum een kolenvergasser gebouwd (op basis van Shell-techniek) die na enkele jaren is gesneuveld in de liberalisering van de energiemarkt. Shell onderhandelt over verkoop van deze techniek aan China. orimulsie, een mengsel van kolengruis en smeerolie.

Vormt een – verpompbare – vloeibare brandstof. Schepen gebruiken het als brandstof.

Aardolie conversie in:

benzine, kerosine, nafta (grondstof voor kunststoffen), enz.

gas; Shell heeft een vergassingsinstallatie bij Moerdijk. Het levert onder andere waterstof op. In Italië staan vergassers die residuale olie omzetten in gas.

Vaste stof, zoals asfalt. Heeft vanwege laag rendement weinig zin. Shell werkt aan een proces – C-fix – om van de laatste, zware fractie van het raffinageproces een soor bakstenen te maken. Dit scheelt in de CO2 -emissie. De waterstof die vrijkomt is als brandstof bruikbaar

Aardgas conversie in:

waterstof; Air Products heeft drie waterstoffabrieken in Rijnmond. Waterstof wordt onder andere gebruikt voor ontzwavelen van olie. Dergelijke waterstoffabrieken vormen

‘oude’ techniek; ingenieursbureaus kunnen het ontwerp zo uit de kast halen.

vloeibare brandstoffen: zeer schone diesel en benzine. Techniek van de toekomst.

vaste stof. Norit haalt koolstof uit aardgas en verbrandt deze met ondermaat zuurstof. Zo ontstaat het bekende zwarte Norit-poeder. Bij dit proces komt wel waterdamp, maar geen CO2 vrij.

 

 

***Biomassa***

Biomassa

Leent zich ook voor energie-opwekking. Chemisch gezien betreft het koolwaterstoffen met zuurstof. Vanwege die zuurstof is biomassa lastig te verwerken. Die moet er eerst uit, door waterstof toe te voegen.

 

Vaste biomassa (waaronder hout, olifantsgras), conversie in:

warmte

elektriciteit (hout als bijstook in elektriciteitscentrales)

vloeibare brandstof; verschillende routes, Shell HTU-proces (nog in onderzoeksfase), of met bacteriën.

gas; vergassen via Fischer-Tropsch-procédé. Gebeurt in Nederland in houtvergasser bij Cuijk. Gas gebruikt voor bijstook in elektriciteitscentrale. ECN onderzoekt of er van dit gas, door reactie met waterstof, ook aardgas kan worden gemaakt.

Vloeibare biomassa

Plantaardige oliën; met waterstof vloeibaar(der) maken.

Koolzaad, zonnebloemen palmpitten. Koolzaad verwerken in koolzaadmolen, product laten reageren met methanol, geeft koolzaadmethylester. Dit kan worden gebruikt als transportbrandstof, maar is niet altijd vloeibaar genoeg. Het stolt reedsbij lage temperatuur en bederft op den duur

Tarwe, suiker, bieten, riet

In ethanol omzetten. Zuiveren van ethanol kost veel energie (ongunstige energiebalans; tarwe/suiker laten gisten, levert alcohol/ water-mengsel op, door het water te verwijderen ontstaat ethanol. Nedalco gebruikt melasse – restproduct van de suikerproductie – voor de productie van (m)ethanol.