Verlengingsaanvraag lectoraat Nieuwe Energie in de Stad
De klimaatdoelstelling van de nederlandse overheid is om in 2020 de co2 uitstoot met 30 te reduceren ten opzichte van 1990. Diverse scenario’s gaan uit van een reductie van de co2 met 50% in 2050 [o.a. Uyterlinde 2007]. Voor 2020 wil men de doelstelling bereiken door inzet van 20% duurzame energie en een aanzienlijke efficiencyverbetering in het energiegebruik. Maar als we in 2050 de co2 emissie met 50% verminderd willen hebben, zullen ook andere maatregelen moeten worden genomen. Hierbij wordt onder andere gedacht aan afvang van co2 bij de industrie en elektriciteitsopwekking, en ondergrondse opslag van het afgevangen co2. Ook het wegtransport zal veel efficiënter moeten gaan plaatsvinden. Een belangrijk middel hierbij is om auto’s te laten rijden op een waterstof aangedreven brandstofcel. Alhoewel waterstof zelf geen duurzame brandstof is, kan het wel duurzaam geproduceerd worden met windenergie of uit fossiele energie met afvang van co2. Tot nu toe is er weinig aandacht geweest voor de veiligheidsaspecten van de energietransitiemaatregelen. Als het co2 tijdens het transport van de afvanglocatie naar de ondergrondse opslag door een ongeval vrij zou komen, kan dit gevolgen hebben voor de gezondheid van mensen die in de nabijheid van de transportroute wonen of werken. Het tanken en het vervoeren van het zeer brandbare waterstof (bij een druk van 700 bar), zal zodanig moeten plaatsvinden dat de bestuurder en passagiers even veilig kunnen rijden als in een auto met conventionele brandstoffen.
MULTIFILE
Kunstmest voor de velden en brandstof voor landbouwvoertuigen zijn belangrijke kostenposten voor de landbouw. Kunstmest en dieselbrandstof zijn energie-intensieve producten en daarmee ook een belangrijke bron van CO2 emissies vanuit de landbouw. Technologie voor hernieuwbare energie zoals zonne- en wind energie wordt steeds goedkoper waardoor het rendabeler wordt deze technologie ook te gebruiken. Terug leveren van geproduceerde hernieuwbare elektriciteit aan het elektriciteitsnet is echter niet altijd voordelig. De hernieuwbare energie moet hier concurreren met gesubsidieerde fossiele elektriciteit opgewekt met kolen, gas en kerncentrales. Kleinschalige decentrale productie op het boerenbedrijf van zowel kunstmest als transportbrandstof met behulp van hernieuwbare energie levert de boer en zijn omgeving direct voordeel op:Inkoopkosten voor deze producten worden lagerVermindert de CO2-emissie van de landbouw aanzienlijk, de carbo-footprint wordt verminderdRendement op hernieuwbare energie technologie wordt hogerAmmoniak (NH3) is zowel grondstof voor kunstmest als brandstof voor motoren. Ammoniak kan diesel voor meer dan 90% vervangen in bestaande dieselmotoren. Daarmee is ammoniak een uitstekende vervanger voor diesel in het landbouw en wegverkeer. Ammoniak is ook grondstof voor waterstof (H2) in waterstofmotoren. De technologie om ammoniak te maken is gebaseerd op het Haber-Bosch proces uit het begin van de vorige eeuw. Deze technologie vraagt veel energie voor het creëren van de hoge druk en de hoge temperaturen. Daarom is het voordelig het Haber-Bosch proces in grote installaties uit te voeren.Nieuwe brandstofcel-technologie maakt het mogelijk het Haber-Bosch proces (elektro-katalytisch) op kleine schaal uit te voeren. Het Kiemkracht concept Greenfertilizer onderzoekt de mogelijkheden van deze technologie voor ammoniak productie en benutting op het eigen boerenbedrijf.Het onderzoek is uitgevoerd door TU-Delft en Hanzehogeschool. Het doel was een opgeschaald ammonia elektrolyse synthese proces te ontwikkelen waar een eerste schaal-sprong gemaakt zou worden.Het elektrochemisch ammonia synthese proces is gebaseerd op zuurstofgeleidende elektroden, (proces figuur3. zie onder). Het voordeel van deze zuurstofgeleidende electroden boven proton geleidende electroden is dat er met omgevingslucht gewerkt kan worden in plaats van met stoom. Stoom maakt technologische ontwikkeling van het proces gecompliceerder. Experimenteel en theoretisch onderzoek van TU-Delft laat zien dat met deze elektroden ammonia te produceren is. TU-Delft heeft met zuurstof geleidende electroden ammonia productiesnelheden behaald van 1,84x 10-10 mol s-1 cm-2 bij 650oC. Deze snelheden zijn een factor 100-1000 hoger dan tot nu toe gerapporteerd in literatuur (Kyriakou et al 2017). Simulatie-studies van TU-Delft laten zien dat het ammonia synthese proces met een factor 100-1000 versneld kan worden door het proces onder druk te brengen bij een temperatuur van 400-500C. Op basis van deze simulaties is een ontwerp gemaakt en uitgevoerd voor een “hoge-druk electrolyse reactor”. Technische complicaties met deze hoge druk elektrolyse reactor maakte het onmogelijk betrouwbare resultaten te verkrijgen. Met name gas lekkages bij hoge temperaturen maakten het onmogelijk ammonia massabalansen op te stellen. Bovendien was ammonia productie niet aan te tonen. Hiermee zijn de simulatie voorspellingen niet bevestigd en blijft het onduidelijk of de onderliggende hypothesen correct zijn. De Hanzehogeschool heeft onderzoek uitgevoerd naar het concentreren van ammonia voor toepassing als vloeibare kunstmest. Uitgangspunt hierbij waren de ammonia productieniveau van de experimentele opzet en de voorspelde gesimuleerde opzet. Met de juiste technologie is het mogelijk de ammonia te concentreren voor verdere verwerking als kunstmest. Echter dit proces is economisch rendabel bij een ammonia concentratie in de uitstroom van de elektrolyse reactor die een factor 1000 hoger is dan tot nu toe is gemeten. Het feit dat de TU-Delft er niet in is geslaagd een kleine schaalsprong (factor 10) te maken met de drukreactor betekent dat commerciële toepassing van dit proces voorlopig nog niet aan de orde is. Achteraf gezien was het wellicht beter geweest de keuze te maken voor de proton geleidende electroden die bij lagere temperaturen werkzaam zijn, hier is een schaalsprong van een factor 100 ten opzichte van de recent gerapporteerde ammonia synthese snelheden. Een recente review door Kyriakou et al 2017 geeft als aanbeveling onderzoek te verrichten naar verbeterde elektrodematerialen en geleidende elektrolyten in de reactorcellen. Uiteindelijk zal het elektrochemisch ammonia synthese proces er komen vanwege de vele voordelen die het beidt. Processen moeten met een factor 100-1000 verbeterd worden eer het proces economisch rendabel is. Op dit moment is het nog niet te voospellen wanneer dit moment er is.
Dit KIEM-VANG project gaat een bijdrage leveren aan het verwerken en beter verwaarden van heterogene biotische afvalstromen zoals restaurantafval. Voor een dergelijke afvalstroom is verwaarden van individuele componenten problematisch en de stroom wordt daarom doorgaans door vergisting omgezet in biogas. Een vloeibare energiedrager als methanol zou hanteerbaarder en attractiever zijn, bijvoorbeeld voor opslag. Bovendien is methanol één van de belangrijkste platformchemicaliën voor de chemische industrie. Methanol wordt nu gemaakt uit aardgas in een duur en complex proces. Dit project beoogt de haalbaarheid van een alternatieve route van biogas naar methanol te onderzoeken: omzetting van biogas naar methanol in een biologische route. De biologische productie van methanol uit biogas draagt bij aan het verminderen van het gebruik van fossiele bronnen en broeikasgasemissies, creëert een nieuwe kringloop van biotisch afval naar hernieuwbare chemische synthese en is potentieel decentraal en kleinschalig toe te passen. Kleinschaligheid impliceert decentrale productie en opslag, vergemakkelijkt de logistiek, vermindert benodigde investeringen en verhoogt tevens de zichtbaarheid voor en daarmee de acceptatie door het grote publiek. Het onderzoek richt zich met literatuurstudie, virtueel prototyping en laboratoriumtesten op de technologische (biologische en/of chemische) parameters die de efficiënte productie van methanol uit biogas bepalen, met aandacht voor katalysatoren, (kunstmatige) enzymen en microbiële omzetting, resulterend in het conceptontwerp van een grote installatie. Daarnaast wordt de economische haalbaarheid en duurzaamheid van biologische methanolproductie onderzocht en vergeleken met bestaande alternatieven in een adaptief rekenmodel met het oog op duurzame inpassing in (kleinschalige) biogasketens. De samenwerkende MKB’s Enki Energie en Physixfactor zien kansen met dit idee hun marktpositie in kleinschalige duurzame energie (Enki) en het doorrekenen van innovatieve installaties (Physixfactor) uit te breiden. Samen met de kennisinstelling Hanze University of Applied Sciences Groningen is een goede aanzet te geven tot een groter vervolgproject met een groter kennisnetwerk van belang en belangstelling hebbende bedrijven en kennisinstellingen.
Wereldwijd groeit de consumptie van grondstoffen, zowel om te voorzien in onze energiebehoefte als in onze materiaalbehoefte. De gebouwde omgeving speelt hier een significante rol in, goed voor 40% van de energieconsumptie en 50% van de materiaalconsumptie. Deze vraag aan grondstoffen leidt tot schaarste, uitputting, en negatieve milieueffecten, zoals klimaatverandering. Om de consumptie van grondstoffen en gerelateerde negatieve effecten te verminderen heeft Nederland de doelstelling geformuleerd om tot 2050 de gebouwde omgeving geheel CO₂ neutraal te maken en de economie 100% circulair te maken. In een CO2 neutrale en circulair gebouwde omgeving is de gehele energiebehoefte gebaseerd op hernieuwbare energie, en worden alle materialen oneindig hergebruikt of zijn ze onderdeel van een biologisch proces. Dit impliceert dat bouwprocessen anders doorlopen moeten worden, er andere bouwproducten en -componenten beschikbaar moeten komen en er andere competenties gevraagd worden van onze aankomende bouwprofessionals. In de stadsregio Parkstad Limburg speelt een derde opgave; door krimp en vergrijzing moeten er 10.000 woningen en 100.000 m2 utiliteit/retail uit de markt onttrokken worden. De samenkomst van deze drie opgaves resulteert dan ook in de uitdaging hoe we de bestaande gebouwvoorraad CO2 en circulair kunnen verduurzamen met ten eerste regionaal vrijkomende materialen en ten tweede door het inzetten van zo lokaal mogelijke biobased materialen. In de faculteit BETA Sciences and Technology werken we in 2 lectoraten en 5 programmalijnen aan deze opgaves door alle schaalniveaus van de bouwproces. De doelstelling van het postdoconderzoek van Michiel Ritzen richt zich op het opzetten van een programmalijn circular building technology om hieraan mede bij te dragen. De programmalijn geeft invulling aan de kennisontwikkeling en disseminatie op een ontbrekend onderdeel in een real life lab omgeving, met het ontwikkelen en valideren van innovaties die nodig zijn om vrijkomende bouwmaterialen hoogwaardig her te gebruiken en/of te recyclen in CO2 neutrale en circulaire gebouwrenovaties.
Tegen de achtergrond van de klimaatbescherming worden de eisen aan de stadscentra steeds hoger. Logistiek in steden heeft een grote invloed op de vermindering van emissies. Koeriers-, expres- en pakketzendingen vertegenwoordigen reeds een groot en toenemend deel van de goederenleveringen in steden. Ook de vraag van klanten naar klimaatneutrale pakketdiensten neemt toe. Om de daaruit voortvloeiende stijgende kosten, het toegenomen verkeersvolume en de lasten in termen van landgebruik en lucht- en geluidsemissies tegen te gaan, zijn nieuwe logistieke concepten nodig, met namein de context van de zogenaamde "last mile". Decentralisatie, zelfvoorziening op energiegebied en flexibiliteit in de tijd zijn beslissende sleutels tot kosten- en energieoptimalisatie.Het doel van het project is dan ook de ontwikkeling van een innovatief, intelligent en duurzaam distributiesysteem, bestaande uit een energetisch zelfvoorzienende, mobiele mini-hub en een voor dit doel ontworpen en nieuw ontwikkeld elektrisch voertuig. - LEFV (Light Electric Freight Vehicle), dat werkt op basis van de hernieuwbare energie die door de mini-hub wordt opgewekt. De mini-hub is modulair en gemaakt van duurzame bouwmaterialen en is ook geschikt voor tijdelijk gebruik.
