Power to X

X is hier niet “the people”, zoals de oude, maar nog steeds actuele strijdkreet luidt. X staat hier voor vormen van energie.

Inleiding
De ‘power’ is duurzame elektriciteit (eventueel overtollig), de X is een energievorm waarin die duurzame elektriciteit kan worden omgezet: warmte, gas, vloeibare brandstof, of andere chemicaliën. Als de power op dat moment overtollig was, kun je deze techniek zien als een vorm van energieopslag.

Dit alles kwam aan de orde tijdens de sessie van de Energy Days op de TU/e op 22 maart 2018.

De presentaties zijn te vinden op www.tue.nl/en/research/strategic-area-energy/about-energy/energy-events/energydays/series-5-2017-2019/day-2-renewable-fuels-and-chemicals/ .

Kramer, van der Schaaf en Eichel

Sprekers waren Eichel van het onderzoekscentrum in Jülich, Van der Schaaf van de TU/e en Kramer van het Copernicus Instituut voor Duurzame Ontwikkeling van de Universiteit van Utrecht. Ik volg hier vooral de betogen van Eichel (voor de techniek) en Kramer (voor prijs en kansen).

Dit artikel gaat over vooral over één route, namelijk die naar vloeibare brandstof, bijvoorbeeld diesel of kerosine (diesel is niet precies hetzelfde als kerosine, maar ze lijken genoeg op elkaar om ze in dit artikel even over één kam te scheren).
De route naar warmte is in deze kolommen al eerder aan de orde geweest, zie Energy Day TU/e bespreekt Ecovat-systeem
De route van stroom naar gas is een serieus alternatief voor opslag. Voordeel is dat er al een leidingennet ligt (van het aardgas af betekent niet noodzakelijkerwijs ook dat de gasleiding weg moet). Dit verdient in de toekomst een apart artikel (maar zie al vast CE rekent klimaatneutrale warmtevoorziening woningen door voor 2050 ).
De route van gas naar vloeistof (GTL) is al eerder aan de orde geweest, zie Roet en zwavel uit straalmotoren: dat kan veel minder! en Hinderbeperkende maatregelen op vliegveld Eindhoven (update-versie 18 jan 2018) . Die stap van gas naar diesel zetten de Shell en Sasol in Qatar. Het eindresultaat is synthetische brandstof, die (nu) voor 50% met kerosine gemengd kan worden. De technische term is FT-brandstof (Fischer-Tropsch, naar de ontwikkelaars van het procedé).

In schema:

Verschillende Power to X – routes

De techniek

Die brandstoffen bevatten als regel koolstof en die moet ergens vandaan komen. Daaraan geen nood: er is toch al teveel CO2 in de lucht en die kun  je gebruiken, liefst in geconcentreerde vorm voordat het spul de schoorsteen verlaat. Eigenlijk keer je dus de verbranding om: als je gas of kolen verbrandt krijg je CO2 en dat draai je dan om.
Eigenlijk doe je niet anders als bij een twee richting-stuwmeer: als je stroom nodig hebt gaat het water met de zwaartekracht mee van boven naar beneden, en als je stroom teveel hebt pomp je het water terug.

Het CO2-verhaal klinkt mooi en tot op zekere hoogte is het ook mooi, maar tussen droom en daad staan natuurwetten in de weg en praktische bezwaren.
Als je eerst water omhoog pompt en het dan weer door een turbine laat vallen, ben je grofweg 20% van je energie kwijt aan verliezen. In technische termen: het cyclusrendement is zo’n 80%.
Net zo kun je eerst diesel verbranden, en dan de  gevormde CO2 vervolgens weer terug’pompen’ naar de dieselvorm. Als je wilt, kan dat, maar je hebt een cyclusrendement en dat is tamelijk laag.

Cyclusrendementen van stroom naar stroom

Bovenstaande figuur van Eichel legt een vergelijkbare gedachte uit met een ander begin- en eindpunt. Het schema begint met grillige elektriciteit van (bijvoorbeeld) een windmolen en eindigt met geheel geregelde elektriciteit op een gewenst tijdstip.
Als dat via de tussenstap gas en een gasturbine gaat (bovenste regel) is het totaalrendement 15 – 35% , en als het via waterstof en een brandstofcel gaat 35 tot 60%.
Als je in de bovenste regel stopt bij hokje ‘gas grid’ en dan ‘afslaat’ om alle CH4-tjes van het gas aan elkaar te plakken tot diesel, zal er wel weer wat verlies optreden. Hoeveel weet ik niet, maar ik schat in dat het totaalrendement van windmolen-energie tot aldus vervaardigde diesel-energie ergens op 1/3de tot 1/2de uitkomt. Voor het doel van dit artikel is deze nauwkeurigheid groot genoeg.

Met andere woorden: voor elke Joule die je wint als diesel (of kerosine of benzine), onder ontwikkeling van CO2 verbrand wordt, moet je 2 tot 3* zoveel elektrische energie investeren om van die CO2 weer diesel te maken. Dit is de meest basale wet die hier geldt.

Je hebt dan wel extra’s met enig belang: de brandstof, die je zo krijgt, verbrandt schoner. Er gaat geen zwavel in en er komt dus ook geen zwavel uit, en dus ook veel minder ultrafijn stof. Er kan ook minder roet ontstaan.

Energiedichtheid van sunthetische brandstoffen en NOx- en roetontwikkeling

In dit plaatje is EN590 gewone autodiesel, FT-diesel wat hierboven beschreven is, verder biodiesel uit raapolie en OME, een stof waaraan momenteel nog veel onderzoek gedaan wordt en die mogelijk gebruikt kan worden als additief in dieselolie voor auto’s.
Het diagram toont dat de balans tussen roet en NOx een trade-off is. Maar bij een gegeven NOx-niveau geeft de FT-diesel ruim de helft minder roet.

Prijs en kansen
Waar Eichel vooral op het procédé in ging, ging Kramer vooral over wat het kost, wat de maatschappelijke kansen zijn en welke keuzes nodig zijn.

De kosten van Power to Liquid, uitgerekend op de achterkant van een enveloppe.
Hoe het uitpakt met de prijs.

Kramer komt voor synthetische (P2X) brandstof, als hij het op de achterkant van een envelop uitrekent, op zo’n 30$/GJ . Daar mag een kwart van af als de CO2 uit een geconcentreerde bron komt, bijv. een schoorsteen.
Ter vergelijking: bij een ruwe olieprijs van 50$ per barrel kost olie €8,6$/GJ. Maar die ruwe olie moet nog bewerkt worden, dus het prijsverschil ligt iets gunstiger.
Momenteel ligt de olieprijs weer wat hoger, dus P2X-brandstof zou nu grofweg 2 a 3* zo duur zijn als reguliere fossiele brandstof, als er al sprake zou zijn van grootschalige productie.

De toekomst van de energie volgens Kramer

Kramers plaatje voor de toekomst, en tegelijk zijn conclusies, met enige uitleg mijnerzijds:
(TFC is de Engelse afkorting voor Finaal Energetisch Verbruik, dat wat netto aan de klant wordt afgeleverd).

  • The remarkable progress on electric renewables have fundamentally changed the energy and climate outlook.
  • We have about a decade to sort out what we will do with (hydrocarbon) fuels.
  • Mind the development times (decades)
  • P2H2 will come in time (bedoeld wordt de fabricage van waterstof bg)
  • P2X synfuels are more questionable: the Bio / CCS / P2X split hinges on societal choices and on technical progress in P2X (electrolysis & capture)

Over dat laatste: de mensheid kan (volgens Kramer) na 2040 twee kanten op om in 2050 op een situatie uit te komen, waarin zonder netto CO2 – emissie netto 600EJ (dat is 600.000 PJ) aan de klant wordt afgeleverd. Die 600EJ bestaat voor de helft uit stroom en voor de helft uit brandstof.
In het ene scenario is alles RE = Renewable Energy, en komt dus de brandstof uit duurzame bron (Power to X). Dit vraagt vooral om verdere technische vooruitgang.
In het ander scenario wordt in 2050 nog steeds flink wat fossiele brandstof ingezet, en ook biobrandstof, en wordt de vrijkomende CO2 onder de grond gestopt (de CCS-afkorting). Dit vereist minder technische vooruitgang, maar meer maatschappelijke struikelblokken.

Hierover zal de mensheid een zeer fundamentele discussie moeten gaan voeren.

2 thoughts on “Power to X”

  1. Indrukwekkend betoog dat voor een gemiddelde leek toch erg lastig te begrijpen is. Maar wel is mij duidelijk dat de dieselmotor in zijn algemeenheid zeker niet afgeschreven hoeft te worden. Rendementsverbetering is zeker nog mogelijk bij toepassing van nieuwe (keramische?) onderdelen. Ook de elektronische regeltechniek, warmteontwikkeling met de daar aangekoppelde energieverliezen en nog slimmere overbrengingssystemen kunnen daaraan bijdragen. Maar de maatschappelijke kwestie is natuurlijk toch, verminderen van transport over grote afstanden. Die vraag moet mee gewogen worden. En die fundamentele discussie kunnen we, vrees ik, niet aan de “mensheid” overlaten. We zullen van consument weer naar mens zijn moeten transformeren. Ook moet de ongebreidelde groei van de wereldbevolking op vreedzame wijze worden afgebogen.

  2. Adrian,
    je haalt er een heleboel tegelijk bij. Ik kan niet overal op antwoorden zonder een heel essay te schrijven.

    Een paar dingen.
    Bij het schrijven van het artikel had ik vooral de luchtvaart in gedachten, en dus de straalmotor. Dat is momenteel een hot item.
    Ik heb me dus geen gedachten gevormd over de toekomst van de dieselmotor. Ik heb niet zo heel veel verstand van cylindermotoren.
    Verwacht van mij op dit moment geen sweeping statements over de techniek van automotoren. Het lijkt me aannemelijk dat je gelijk hebt dat dieselmotoren nog verbeterd kunnen worden, en daar laat ik het bij.
    Ik denk dat dieselmotoren vooralsnog ingezet zullen blijven worden voor lange afstanden en zware transporten.

    Ik heb geen principiele mening over de onwenselijkheid van lange afstands-transport in zijn algemeenheid. Het lijkt me dat die wenselijkheid sterk van van allerlei bijkomende zaken afhangt. Het voert te ver om hierover een beschouwing te schrijven.
    Datzelfde geldt voor je filosofie over de toekomst van de mensheid

Leave a Reply

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