Een energiebevoorrading die grotendeels draait op hernieuwbare energiebronnen, kan moeilijk zonder Power-to-X. Daarbij worden met zonne- en windstroom energiedragers zoals waterstof geproduceerd, of synthetische grond- en brandstoffen. Maar waar en hoe moet de technologie precies worden uitgerold, willen we het Belgische energiesysteem tegen 2050 zowel koolstofarm als veilig maken? Een interdisciplinair consortium zoekt het de komende vijf jaar uit.
De laatste tijd geniet waterstof in het kader van de energietransitie weer meer aandacht. Tal van landen zetten tegenwoordig hoog in op waterstoftechnologie, waaronder ook België – denk maar aan de geplande fabriek in Oostende waar uit windstroom van op zee waterstof zal worden geproduceerd. Er worden ook verschillende energetische toepassingen met waterstof onderzocht en ontwikkeld – van de verwarming van gebouwen over transport tot industriële processen. Niet zelden wordt waterstof daarbij als finale energiedrager gezien. ‘En dat is niet altijd terecht’, zegt Pieter Lodewijks van VITO/EnergyVille. ‘Het is bijna altijd efficiënter om elektriciteit rechtstreekste gebruiken – als dat tenminste mogelijk is.’
Taxonomie van waterstof
De efficiëntie van het gebruik van waterstof hangt dus sterk af van de toepassing en van de sector. Hoe dat plaatje er in de context van het Belgische energiesysteem uitziet, is een van de belangrijke vragen die de komende vijf jaar worden onderzocht binnen het PROCURA-project (voluit: Power to X and Carbon Capture & Utilization Roadmap for Belgium). ‘Voor eindtoepassingen in de transportsector zijn synthetische brandstoffen wellicht geschikter’, zegt Pieter Vingerhoets van VITO/EnergyVille. ‘Met PROCURA willen we komen tot een duidelijke en allesomvattende taxonomie van waterstof. Waar gebruiken we dit het best rechtstreeks, en waar zetten we het beter eerst om in andere synthetische chemicaliën? ’Binnen het project worden verschillende mogelijke oplossingen die tegen 2050 kunnen leiden tot een emissiearm en veilig energiesysteem, getoetst op hun potentieel. Er wordt gekeken naar opschaalbaarheid van de technologie, naar betaalbaarheid en naar de mogelijkheid om een gebalanceerd en bevoorradingszeker energiesysteem te behouden.
Waterstof is natuurlijk maar één van deze oplossingen. Bovendien maakt de energiedrager deel uit van het bredere Power-to-X-verhaal (P2X), waarbij met goedkope stroom welbepaalde synthetische chemicaliën en brandstoffen(zogenaamde ‘e-fuels’) worden geproduceerd. Zowel voor België als voor Europa, waar de energietransitie staat of valt met de verdere uitbouw van hernieuwbare elektriciteit, is P2X een welgekomen oplossing. Lodewijks: ‘P2X is enerzijds belangrijk voor het balanceren van ons elektriciteitssysteem, anderzijds omdat de energietransitie in een aantal sectoren niet zonder moleculen kan.’ Tegen het einde van het PROCURA-project (omstreeks 2025) moet er een gedetailleerd en duidelijk becijferd scenario op tafel liggen dat toont hoe P2X aan het toekomstige Belgische energiesysteem kan bijdragen – inclusief concrete beleidsacties die vóór 2030 moeten genomen worden. ‘We bekijken ook hoe de inzet van P2X in België – waar het potentieel aan hernieuwbare energie relatief beperkt is – zich verhoudt tot de situatie in de buurlanden. En we bestuderen de import van moleculen uit regio’s waar dit potentieel veel groter is.’
Interdisciplinaire samenwerking
PROCURA loopt sinds 1 maart 2020 en wordt gesponsord vanuit het federale Energietransitiefonds – het budget bedraagt 4,5 miljoen euro. Het omvat een interdisciplinaire samenwerking tussen Belgische kennisorganisaties die elk hun eigen inbreng leveren: imec, WaterstofNet, de KU Leuven, de VUB, de universiteit van Luik en tenslotte VITO/EnergyVille. De interdisciplinariteit zit trouwens niet alleen in de samenwerking, maar ook binnen VITO/EnergyVille. ‘PROCURA brengt liefst drie verschillende VITO-onderzoeksdomeinensamen’, zegt Metin Bulut van VITO. ‘Dat is onze sterkte.’
Het consortium wordt aangestuurd door imec, dat daarmee zijn knowhow op het vlak van nanomaterialen ter beschikking stelt. ‘Op energievlak werkten we al rond technologieën zoals vaste-stofbatterijen, maar we willen onze kennis nu ook toepassen op elektrolysesystemen’, zegt Joachim John, programmamanager bij imec. ‘De oppervlakte-eigenschappen van materialen op nanoschaal spelen bijvoorbeeld een belangrijke rol in de efficiëntie van elektrochemische reactors die licht direct omzetten in waterstof (dat vervolgens, mits toevoeging van andere chemicaliën, kan omgezet worden in zogenaamde zonnebrandstoffen).’
Het potentieel van deze solar fuels vormt een apart werkpakket binnen PROCURA. Binnen die pakketten (er zijn er zeven) wordt gefocust op technologieontwikkeling vanaf de basis. Maar op het niveau daarboven worden de resultaten van de werkpakketten samengenomen en in modellen en mogelijke roadmaps gegoten – telkens met horizon 2050. ‘Dit maakt dit project echt uniek’, zegt Lodewijks. ‘Daardoor is het zowel een high-level study als een fundamenteel onderzoek naar nieuwe P2X-technologie. De inzichten vanuit de werkpakketten worden in systeemmodellen verwerkt die we bij VITO/EnergyVille vervolgens opschalen naar Belgisch niveau. Die modellering op systeemniveau is precies onze specialiteit.’
Elektrolyse van CO2
Binnen PROCURA wordt ook het potentieel van een veelbelovende CCU-technologie bekeken: de directe omzetting van CO2 met water en stroom (die idealiter weer van hernieuwbare bronnen komt) naar ‘groene’ moleculen. Deze ‘CO2-elektrolyse’ kan flexibel werken volgens het elektriciteitsaanbod, zonder dat de tussenstap van een waterelektrolyse nodig is. Zo kan de technologie een alternatief vormen voor waterstofgebaseerde strategieën. ‘Voor synthetische brandstoffen kunnen chemicaliën zoals methanol bijvoorbeeld geschikter zijn’, zegt Bulut. ‘De energiedichtheid is veel groter, waardoor methanol gemakkelijker te transporteren is.’
Het nadeel is dat de technologie nog in de kinderschoenen staat. ‘Maar ze bezit een erg groot potentieel om ook andere moleculen te maken’, zegt Jan Vaes, programmamanager Duurzame chemie bij VITO. ‘We onderzoeken bijvoorbeeld ook de aanmaak van ‘groen’ mierenzuur uit afgevangen CO2 op deze manier, en het gebruik ervan als hoogwaardige chemicalie.’
Hoewel PROCURA op de leest geschoeid is van het Belgische energiesysteem, is de gehanteerde methodiek generisch en dus ook toepasbaar op andere landen. ‘Ook in dit opzicht is dit een uniek project, het kent zijn gelijke niet in Europa of daarbuiten’, zegt Lodewijks. De voorwaarde is wel dat het energiesysteem (tegen 2050) grotendeels draait op hernieuwbare energie. Het aandeel daarvan in de energiemix zal – wat de resultaten ook zijn van het project – in ieder geval dus nog sterk moeten stijgen. Vingerhoets: ‘Voor een gebalanceerd systeem waarin bijvoorbeeld lokaal geproduceerde, groene chemische energieopslag een sleutelrol speelt, hebben we momenteel veel te weinig zonne- en windenergie. Er is dus nog een lange weg te gaan.’
