Zonnewaterstof in het energielandschap van de toekomst. Prof. Johan A. Martens KU Leuven

Transcriptie

1 Zonnewaterstof in het energielandschap van de toekomst Prof. Johan A. Martens KU Leuven

2 Op dit ogenblik groeit de wereldbevolking met groeit wereld energieverbruik met kw stijgt de aardolie ontginning met Ton

3 Het op te lossen probleem De eindigheid van de fossiele koolstofreserves vormt geen onmiddellijk probleem gezien de immense voorraden Het probleem is de stijgende CO 2 -concentratie in de atmosfeer die de klimaatsverandering veroorzaakt

4 CO 2 uitstoot in atmosfeer Gt CO 2 - equivalent Totale uitstoot sinds de Industriële Revolutie Toegelaten hoeveelheid uit te stoten tot 2050 (2 C stijging) Toegelaten hoeveelheid uit te stoten tot 2100 (2 C stijging) Gt CO 2 = 520 Gt C Reserves fossiele koolstof overtreffen deze toekomstige behoefte Global Greenhouse Gas Emissions Data,

5 Fossiele Koolstof (C) reserves op Aarde Reserves (Gt C) Voorraden(Gt C) Aardolie Teerzanden en schalie-olie Aardgas Schaliegas Methaanhydraten Steenkool , Totaal

6 CO 2 -uitstoot per energie technologie (LCA) g CO 2 -equivalent /kwh Hoge koolstof Steenkool 820 Aardgas 490 Biomassa 230 Lage koolstof Zonnepanelen 48 Geothermie 38 Geconcentreerde zonne-energie 27 Hydro-energie 24 Wind offshore 12 Nucleair 12 Wind onshore 11 Technology specific cost and performance parameters,

7 Elektrificatie opdrijven België 20 % elektrificatie 50 % elektrificatie Elektrificatie potentieel sterk sector afhankelijk Blijvende nood aan chemische brandstoffen

8 De koolstof economie Onvervangbare koolstofverbindingen voeding metallurgie CaCO 3 kunststoffen chemicaliën CO 2 uitstoot tijdens de levenscyclus Gebruik fossiele koolstofbronnen

9 CO 2 -productie zal blijven bestaan CO 2 -lozing in de atmosfeer moet worden vermeden

10 Circulaire Koolstof-waterstof-economie (koolstof en water neutraal) O 2 H 2 O Brandstof H 2 CO 2 Chemische reactoren H 2 O Lage koolstof CH 3 OH - Methanol CH 4 - Methaan Energie

11 Hoe maak je zonnewaterstof? Bron: phys.org 11

12 Waterstof opslag in brandstoffen Molecule Verbrandingswarmte kj/mol C H 2 -equivalent b Opslag % van H 2 - energie c Waterstof -240 a Methanol c Dimethyl ether Diesel Glucose a in kj/mol H 2 b H 2 -moleculen nodig om de overeenkomstige molecule te maken via hydrogenatie van CO 2 Bvb.: 3 H 2 + CO 2 CH 3 OH + H 2 O c verbrandingswarmte van methanol, 680 kj/mol, is 94% van de verbrandingswarmte van 3 H 2 - moleculen die nodig zijn om CO 2 te reduceren naar methanol (= 680/(240 3))

13 CO 2 uitstoot per sector Vlaanderen 6% 49% 17% 24% 51% Uitstoot diffuse bronnen 21% 27% Uitstoot puntbronnen: 220 installaties (voornamelijk 5% elektriciteitscentrales) Energie Bosbouw, landgebruik & landbouw Huishoudens Industrie Transport Handel & diensten

14 Cumulatieve emissies (GtCO 2 eq) Naar een globale oplossing CO 2 vermijden C 1.5 C Paris pledges (INDC) Afgesproken uitstoot Circulaire C/H-economie Sources: The Global Calculator; PBL NEAA

15 CO 2 -neutraal landbouwbedrijf CH 4 CO 2 CO 2 Zonne-H 2 New Holland CH 4 Biomassa CO 2 reactor CH 4 Voedsel warmte

16 Energie type Energiedichtheid Brandstof Energie dichtheid (MJ/kg) Energie dichtheid (MJ/L) Nucleair Uranium 80,620,000 1,539,842,000 Chemisch Electrochemisch Waterstof (700 bar) Methaan (aardgas 200 bar) 47 9 LPG (8 bar) Diesel Benzine Steenkool Methanol Lithium-ion batterij Alkaline batterij Nickel-metaal hydride batterij

17 H/C ratio van brandstoffen Brandstof H/C ratio Waterstof CNG (aardgas) LPG 2.6 Benzine 1.8 Diesel Steenkool Smagala et al., Energ. Fuels, 2013, 27, 237.

18 Mobiliteit met zonnewaterstof Zwaar en lange afstand transport: o Vorkheftruck o Bus o Vrachtwagen o Tractor o Auto De Lijn New Holland Voordelen: o Snel tanken ( 2-5 min) o Bereik H 2 > batterij o Geen uitstoot (0 g CO 2 /km) Enkel water Toyota New Holland

19 Zonne-waterstof uit de lucht Zon intensiteit 1000 W m -2 Stroom densiteit 150 A m -2 Waterstof productie 0.8 mmol m -2 s -1 Water consumptie 14 mg m -2 s g m -2 h -1 1 glas water per uur waterdamp uit de lucht te gebruiken 19

20 Zonne-waterstof uit de lucht 1 ha = 8 10% efficiëntie lucht Katalysator PV: 90 /m² Katalysator/membraan: 45 /m² Vervangen elke 20 jaar PV Balance of Systems Kost waterstof < 1 /kg H 2

21 Energieopslag met lucht-zonnewaterstof panelen zon Zonnepanelen 20% efficiëntie Zonnepanelen voor directe elektrificatie Dag-nacht en zomer-winter cyclus overbruggen met op lucht gebaseerde zonnewaterstof panelen 21

22 Waar zonnewaterstof maken? Extensief & gebruiksvriendelijk pv-magazine Dubbel gebruik oppervlak hln Colruyt 22

23 Conclusies De wereld moet evolueren naar een circulaire koolstof-waterstof economie. De koolstofcyclus te worden kortgesloten door het inzetten van energiebronnen met weinig CO 2 -emissie (PV, windenergie, getijdenenergie, geothermische energie en kernenergie) Zonne-waterstof zal een cruciale rol spelen Het onderscheid tussen hernieuwbare en niet-hernieuwbare energie werkt contraproductief voor het uitwerken van oplossingen Integratie van energieopwekkingssystemen, eerder dan geleidelijke vervanging van niet hernieuwbare door hernieuwbare is de aangewezen weg naar een CO 2 -neutralere wereld. Voor het vervoer op brandstof is opdrijven van H/C verhouding van brandstoffen, en uiteindelijk het rijden op H 2 aangewezen

24 KU Leuven Solar fuel team First Belgian Energy Award 2015 Solar fuel team: - Dr. Jan Rongé - Ir. Tom Bosserez - Ir. Lisa Geerts - Dr. Christos Trompoukis - Prof. Johan

25 De chemische weg naar een CO2-neutrale wereld Standpunt van de KVAB Johan Martens Annemie Bogaerts Norbert De Kimpe Pierre Jacobs Guy Marin Korneel Rabaey Mark Saeys Sebastian Verhelst

26 Dank u