TNO-onderzoek naar e-fuels, technisch en politiek besproken

Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO) en de partners in het onderzoek
TNO is opgericht voor wat de naam zegt. Het is een publiekrechtelijke organisatie met een onafhankelijke positie, die zich doelgericht bezig houdt met innovaties, onderzoeken en data die direct kunnen worden toegepast door bedrijven en overheden.

Onlangs heeft TNO een rapport uitgebracht over synthetische brandstoffen op basis van waterstof en elektrische energie (e-fuels). Partners waren o.a. de havens van Amsterdam en Rotterdam, het Maritiem Kennis Centrum, het Lucht- en Ruimtevaart Laboratorium (NLR), de bedrijvenkoepel Deltalinqs in de Rotterdamse haven, de biogas upgrading specialist DMT, het Expertise en Innovatie Centrum Binnenvaart EICB, SmartPort (het wetenschappelijk bureau van de Rotterdamse haven, ENVIU (een adviesbureau op het gebied van maatschappelijk verantwoord ondernemen) en de VIV, een soort brancheorganisatie voor ‘niet voor de weg bestemde mobiele machines’.
Het onderzoek is te vinden op www.tno.nl/nl/over-tno/nieuws/2020/9/e-fuels-cruciaal-voor-verduurzaming-zwaar-transport/ .

Het onderwerp is van belang voor het koolstofvrij maken van het transport. Tot nu toe komt daar weinig van terecht. Nog sterker, de lozingen groeien.
Zoals TNO zegt, kan men streven naar minder CO2 – lozing in het transport door

  • per persoon minder te verplaatsen
  • per kilometer verplaatsing minder brandstof te gebruiken (efficiëntere machines)
  • per eenheid van brandstof minder koolstof in de lucht te brengen (liefst geen)

Het onderzoek van TNO gaat over het laatste. Het analyseert, en geeft een overzicht, van wat er kan en schetst de contouren voor een politiek-economisch programma om het zover te brengen. Dat laatste is een gigaprogramma, maar het past niet in de context van deze website. Ik beperk me tot het overzicht.

Behalve vanwege het rechtstreekse belang van de kwestie zelf, heb ik interesse in het onderwerp omdat ik aan de Open Universiteit afgestudeerd ben (met een groep) op een literatuurstudie over synthetische kerosine. De TNO-studie gaat over alle brandstoffen en niet alleen over kerosine, maar die andere brandstoffen interesseren me ook wel. En er is wel verschil tussen diesel en kerosine (al dan niet e-), maar dat is niet heel groot. Zie Bachelor Milieukunde aan de Open Universiteit gehaald .

Afpellen van wat er kan
Het makkelijkste is om de mogelijkheden, zoals TNO die ziet, stap voor stap af te pellen.

Het onderzoek gaat niet over batterijen, maar volledigheidshalve worden die even genoemd. Batterijen zijn goed voor licht verkeer en de korte afstand.

Wat als doel overblijft is zwaar vrachtverkeer voor de korte en de lange afstand, scheepvaart (binnenvaart en korte en lange afstand-scheepvaart, en luchtvaart.
Wat als middel overblijft is waterstof als puur element in een brandstofcel, waterstof in verbindingen met koolstof in een verbrandingsmotor en waterstof in verbinding met stikstof (en wel ammoniak, NH3 ), ook in een verbrandingsmotor. Lees hierna voor alle stofnamen de aanduiding “e-“ voor.
Het wordt nu een beetje heen en weer springen tussen doel en middel.

Pure waterstof (cryogeen of onder 700Bar, dus in gespecialiseerde en zware tanks) moet erg vaak getankt worden. Dit is echt zero emission en dat is vooral van belang in stedelijk gebied. Het is een nichebrandstof voor de korte afstanden, bijvoorbeeld distributietrucks in de stad of veerboten  en sleepboten in de haven.

Ammoniak op de weg is link. Het moet worden samengeperst en/of afgekoeld, maar een stuk minder dan waterstof. Het is erg giftig en men moet er niet aan denken dat een tank gaat lekken in een tunnel. Daarom is ammoniak eventueel een mogelijkheid voor de grote scheepvaart, vooral aantrekkelijk bij een hoge koolstofprijs.

Vliegtuigen slikken maar één ding, en dat is synthetische kerosine die even goed is (of zelf iets beter) als fossiele, en die dus in dezelfde straalmotor kan. Gemakshalve kan men het beste hierna kerosine (al dan niet synthetisch) opvatten als diesel met wat nabewerking.

Blijven over de verbindingen van waterstof, gekoppeld aan koolstof: methaan (een gas dat gekoeld en gecomprimeerd wordt tot LNG); methanol en diesel (beide vloeistof bij normale druk en temperatuur).

LNG is geen LPG. In beide gevallen staat de L voor Liquid en de G voor Gas, maar de koolstofketen in LNG is 1 C-atoom lang (het is aardgas), en in LPG een mengsel van 3 en 4 C-atomen (propaan en butaan). Daardoor is LPG minder vluchtig en handiger in de dagelijkse praktijk, vooral bij personenauto’s.
Het gebruik van LNG is bekend bij nieuwe vrachtauto’s en schepen en vraagt weinig of geen motoraanpassingen. Een aardige informatiebron is https://info.iveco.nl/blog/vrachtvervoer-lng-transport-heavy .

Met e-diesel kun je precies hetzelfde als met fossiele diesel (hij verbrandt alleen schoner).

Op zuivere bijgemengde methanol kan een auto rijden, maar dat vraagt om de oplossing van nogal wat aandachtspunten. Broertje ethanol (met twee C-atomen in plaats van één) werk handiger.
Methanol kan, naar men zegt, op termijn wel een goede brandstof voor de scheepvaart worden.

Natuurkunde en scheikunde
Voor alle genoemde e-fuels moet eerst waterstof gemaakt worden, en wil dat duurzaam zijn, dan moet dat door elektrolyse van water met duurzaam opgewekte stroom. Het concept is eenvoudig, maar de uitvoering op grote schaal is een klus. TNO rekent met een z.g. PEM-electrolyser die 64% rendement moet kunnen halen.

Als men met die waterstof ammoniak wil maken, moet die als tweede stap reageren met stikstof uit de lucht (Haber-Bosch, rendement 70%).

Als men koolstofhoudende verbindingen wil maken, moet men als tweede stap CO2 uit de lucht halen of CO en CO2 uit schoorsteengassen (van bijvoorbeeld Tata Steel). Uit de schoorsteen is puristisch minder mooi, maar wel makkelijker.
Vervolgens moet die CO en/of  CO2 in een of meer vervolgreacties met de waterstof reageren tot het gewenste product. Ik zal daar verder niet uitgebreid op ingaan.

Sabatier-reactie voor vorming van methaan uit CO2

Daarna komen er nog allerlei werkzaamheden als comprimeren, verplaatsen en afleveren.

Behalve de hier behandelde synthetische brandstoffen zijn er ook andere mogelijk. Het geheel wordt vaak weergegeven in een diagram met horizontaal de energie (MJ) per liter , en vertikaal de energie (MJ) per kilo. Links is alleen de brandstof, midden is de brandstof inclusief het gewicht van de tank  en rechts de brandstof inclusief het gewicht van de tank en ook de onpraktische vorm van gespecialiseerde tanks.

Voor vliegtuigen kan het niets lijden en daarom alleen gewone tanks met per kg en liter maximale energie, dus kerosine.
Boten zijn groot en drijven, dus kan het wat meer lijden en komt bijvoorbeeld methanol en LNG (= Methane cryogenic) in beeld. Enzovoort.

Maatschappelijke effecten

  • Het vreet stroom.
    Vanwege de rendementen ver onder de 100%, en omdat er meerdere rendementen achter elkaar staan, kost de wederopbouw van een molecuul als methanol veel meer energie dan het verbranden ervan ooit opleverde.
    Bij Business As Usual (TNO doet niet aan eigen scenario’s) zou het verbruik in de doelcategorie zwaar vrachtverkeer, boten en vliegtuigen uitkomen op 960PJ (waarvan het verbruik voor vliegtuigen en grensoverschrijdende scheepvaart buiten het nationale energiebudget staat. In 2019 tankte de luchtvaart 168PJ en de grensoverschrijdende scheepvaart 465PJ.). De brandstof is dan in de vorm van methanol.
    Om in het jaar 2050 960PJ energie in brandstof om te draaien , moet men in dat jaar ruim 2000PJ elektrische energie toevoeren (het rendement is dus minder dan 48%).  

Ter vergelijking: het totale Nederlandse elektriciteitsbudget in 2019 bedroeg 436PJ .

  • Het vreet ruimte.
    Genoemde 960PJ methanol zou, op basis van CO2direct uit de lucht, ongeveer 600 hectare vragen, 60% van de Tweede Maasvlakte (die op zich overigens een logische plaats zou zijn). Diesel en LNG zouden met wat minder ruimte toe kunnen.
  • Het wordt duurder. Bovenstaand plaatje geeft de kostprijs voor verschillende doelen en middelen. De kosten zijn inclusief bijkomende kosten als de distributie en houden rekening met het rendement van het aandrijfsysteem en aanpassing van het voertuig.
    Aangenomen wordt dat elektriciteit 3,0 cent/kWh kost; dat de CO2 belasting aan de e-fuel wordt toegerekend; en dat de reguliere productiekosten van de CO2 en de koolstofbelasting (bijvoorbeeld het ETS) samen €40 per ton kosten. Deze kengetallen lijken overigens veel op de huidige situatie.
    Gewone mensen zijn gewend om in €/liter af te rekenen en niet in €/GJ. Als je die omrekening voor diesel en voor vrachtauto’s uitvoert, kom je op ongeveer €1,08/liter. Kostprijs, exclusief belasting en winstmarge.

Bij 5,0 cent/kWh en €200/ton CO2 wordt de kostprijs van diesel ongeveer anderhalf keer zo hoog.

Je krijgt overigens interessante juridische en economische discussies over hoe het precies moet met die CO2-heffing.

  • Scheepvaart en luchtvaart worden schoner. Synthetische brandstoffen zijn zwavelvrij en roet-arm (bij ammoniak zelfs roetvrij).
    Bij auto’s is die winst er niet, omdat er al een nabehandeling is op de uitlaatgassen. Wel slibt het roetfilter minder snel dicht.
  • Het is volstrekt onhelder hoe Nederland in 2050 aan 2000PJ duurzame stroom moet komen, en hoe dat past binnen de vele andere functies die ook, direct of indirect, geëlektrificeerd moeten worden – om er maar eens een paar te noemen datacenters en Tata Steel  en andere sectoren in de chemische industrie.
    TNO rept in de kleine lettertjes voorzichtig twee maal van import van stroom, waterstof of e-fuel, maar dat wordt niet uitgewerkt. Op zich is dat een logische gedachte, want de huidige brandstof wordt ook geheel ingevoerd. Energie-autarkie voor Nederland is een illusie. Maar bovenstaande road map is toch echt voor Nederland, staat er bij, en niet voor Spanje of Marokko – om maar eens twee mogelijke importlanden van duurzame stroom te noemen. Vooralsnog lijkt het nog meer op een road map voor een luchtkasteel.

    Ten overvloede valt het grootste deel van de onderzochte sector niet eens onder het nationale energiebudget. Het zware vrachtverkeer wel, maar de scheepvaart- en vliegtuigbunkers zijn extraterritoriaal gedefinieerd. Nu ontstaat de figuur dat Nederland geen belasting mag heffen op de bunkers vanwege de extraterritorialiteit, maar dat Nederland wel een verduurzamingssysteem zou moeten optuigen dat concurreert met andere nationale doelen. Ik zie dat als een wezenlijke politieke structuurfout.

Bij TNO werken techneuten en dat kun je ze niet kwalijk nemen. Technisch gezien is dit best wel een aardig rapport. Maar het vraagt om een fundamenteel andere politieke onderbouwing.

Misschien moet dit land beginnen met de eerste aanbeveling van TNO: per persoon minder verplaatsen – minder vliegen bijvoorbeeld.

  • TNO toont en passant aan dat het SER-advies, zoals ik zei, veel te optimistisch is. (voor een bespreking daarvan zie www.bjmgerard.nl/?p=13163 ). Dat zijn SER-adviezen trouwens altijd – ik heb nog nooit een SER-afspraak op energiegebied gezien die zelfs maar in de verte op tijd zijn doel haalde.
    Het SER-advies meent dat je tegen 2030 al weer kunt stoppen met biokerosine omdat er dan een commercieel werkende e-fuel techniek is. Ik geloofde er toen geen moer en met de road map van TNO erbij nog minder.
Noor III Solar Tower of the Ouarzazate Power Station at dusk – Marc Lacoste Own work – Wikipedia. Als er import komt, is het waarschijnlijk uit dit type inrichtingen. Deze is in Marokko.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.