Op basis van water en kooldioxide en aangedreven met zonne-energie zijn 'zonnebrandstoffen' (solar fuels) te produceren, die de huidige - op fossiele bronnen gebaseerde - brandstoffen kunnen vervangen. In zulke hernieuwbare brandstoffen ligt de sleutel tot duurzame toekomstige energiesystemen. Ze zijn niet alleen toe te passen als energiedrager voor de transportsector, maar ook als potentieel opslagmedium voor de elektriciteitsector. Daarnaast kunnen ze 'groene' bouwstenen opleveren voor de chemische industrie.

Remko Detz, Joost Reek en Bob van der Zwaan analyseerden meerdere technologieën die nodig zijn voor de productie van hernieuwbare waterstof, syngas, methanol en diesel. Door leercurven toe te passen die samenhangen met afzonderlijke componenten van de productietechnologie, projecteren ze de afname in de benodigde investeringen en productiekosten.

Snelle kostenbesparingen en hoog rendement

Als ze een optimistisch scenario hanteren, komen de onderzoekers tot de voorspelling dat alle vier de hernieuwbare brandstoffen tussen 2025 en 2050 concurrerend kunnen zijn met hun fossiele tegenhangers.

Waterstofproductie via elektrolyse en dieselproductie met Fischer-Tropsch-synthese kunnen zelfs in een meer conservatief scenario vóór 2040 kostendekkend worden. Beide processen maken gebruik van vast-oxide elektrolyse, die volgens de onderzoekers tot snelle kostenbesparingen en een hoog rendement zal leiden. ‘Volgens ons is vast-oxide elektrolyse een early winner’, aldus eerste auteur Detz. ‘Maar om het potentieel van die technologie te realiseren, is het van belang huidige systemen met een typische grootte van 150 kW op te schalen naar het megawatt-niveau.’

Investeren in al doende leren

‘Of de hernieuwbare brandstoffen echt concurrerend worden, hangt van veel factoren af, zoals geïnstalleerde capaciteit, belastingen, subsidies en ander beleid, en de prijs van CO₂. Maar onze resultaten laten zien dat de kosten de komende decennia aanzienlijk kunnen dalen’, aldus Detz. Hij stelt dat het van groot belang is om te investeren in onderzoek in deze technologieën én al doende te leren. ‘Maatregelen die de schaalbaarheid, efficiëntie, integratie en betaalbaarheid van de benodigde componenten verbeteren, zijn allemaal van belang voor een succesvolle grootschalige toepassing.’

Vier veel voorkomende brandstoffen

De studie richtte zich op vier veel voorkomende brandstoffen (waterstof, syngas, methanol en diesel), omdat deze relatief gemakkelijk in duurzame energieroutes zijn te integreren. In totaal bestudeerden de onderzoekers zeven productie-routes voor hernieuwbare brandstoffen : vier voor waterstof en één voor elk van de andere drie brandstoffen. Daarbij is sprake van een hoge mate van technology readiness of – met name bij kunstmatige fotosynthese – is er de belofte van relatief eenvoudige productie van de hernieuwbare brandstof. Detz: ‘Het zeker de moeite waard nieuwe benaderingen voor kunstmatige fotosynthese te ontwikkelen. Hierbij zal sprake zijn van een steile leercurve en dus een snelle kostenbesparing. Zo zoueen conversiesysteem waarin lichtopname, ladingsscheiding en katalyse volledig geïntegreerd zijn, in één stap de gewenste hernieuwbare brandstof kunnen opleveren. Zo'n aanpak heeft de potentie om de investeringskosten aanzienlijk te verlagen. Dit was immers ook het geval bij vergelijkbare geïntegreerde systemen, zoals zonnecellen voor de productie van elektriciteit.

Publicatiegegevens:         

R. J. Detz, J. N. H. Reek en B. C. C. van der Zwaan: The future of solar fuels: when could they become competitive?, in Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/C8EE00111A

Internationale top bijeen in Amsterdam

Tijdens het International Symposium on Homogeneous Catalysis (ISHC), dat van 8 tot 13 juli plaatsvindt in Amsterdam, deelt de internationale wetenschappelijke top op het terrein van de homogene katalyse nieuwe ontwikkelingen en vooruitzichten met elkaar. Aan bod komen onder meer supramoleculaire strategieën in homogene katalyse, hernieuwbare energiebronnen en metaalkatalyse. Er zijn ook bijdragen over solar fuels: Li-Zhu Wu (Chinese Academy of Sciences) spreekt over kunstmatige fotosynthetische systemen voor chemische transformatie en Erwin Reisner (University of Cambridge) over zon-gedreven synthese van brandstoffen en chemicaliën. Duncan Wass (University of Bristol) gaat in op nieuwe katalyseroutes voor geavanceerde biofuels.