De energierevolutie: de grootste uitdaging ooit Meer dan 700 energieonderzoekers van de TU Delft gaan samen met partners - deze uitdaging aan
De energierevolutie: de grootste uitdaging ooit The oil age De verbrandingsmotor van de Volkswagen Golf zal over enkele eeuwen in menig museumvitrine staan. Een mooi stukje antieke techniek uit de tijd van the oil age, die korte periode uit de menselijke geschiedenis waarin de wereldbevolking vertienvoudigde, op kosten van de uitputting van fossiele brandstoffen en andere aardse voorraden. Men kent tegen die tijd alleen nog stille, schone machines, die het woonklimaat aangenaam maken, licht uitstralen waar en wanneer dat nodig is, comfort leveren en het transport verzorgen. Het land en de zee leveren naast voedsel de materialen, chemicaliën en geneesmiddelen. Alles de normaalste zaak van de wereld. Men zal moeilijk kunnen bevatten dat het rond het 2 e millennium zo lang duurde voordat het inzicht kwam dat een halt moest worden toegeroepen aan de ongebreidelde groei op beperkte voorraden. De miljoenen jaren oude ondergrondse koolstofvoorraad werd in twee eeuwen in de dunne atmosfeer gepompt. Het had zich toch kunnen laten raden dat grote verstoringen van het leefklimaat niet uit konden blijven? Energierevolutie Vandaag staan we nog aan de andere kant van de grens, met de immense opgave om onze economieën zo om te bouwen dat we de schuld aan toekomstige generaties in kunnen lossen. De energierevolutie dient zich binnen 50 jaar voor een belangrijk deel te voltrekken als we het leefklimaat en de grote economische risico s vanwege oprakende voorraden en een stijgende zeespiegel serieus nemen. Dat trekt een zware wissel op maatschappelijke stabiliteit en vraagt een sterke en gerichte inzet van overheden, industrie en wetenschap. De grootschalige uitrol van duurzame energietechnologie is nog kostbaar. Energiebesparing en de aanleg van nieuwe, intelligente netwerken waarmee we duurzame energiebronnen kunnen delen, zijn enkele belangrijke stappen om onszelf de kans te geven toe te groeien naar geheel nieuwe systemen. De wetenschap zal de doorbraken moeten leveren die de nieuwe energietechnologie betrouwbaar en betaalbaar maakt. Delft Energy Initiative De TU Delft ziet het energievraagstuk als één van haar grootste uitdagingen en heeft het Delft Energy Initiative (DEI) opgericht om in samenwerking met Nederlandse en internationale partners de techniek van de toekomst te ontwikkelen en de ingenieurs op te leiden die de energierevolutie tot een feit moeten maken. Technisch, economisch en maatschappelijk. Binnen het DEI werken alle faculteiten samen. Inzichten uit het fundamentele technische onderzoek worden gedeeld met studies naar de voorwaarden voor maatschappelijke introductie en met de ontwikkeling van nieuwe producten die de toekomstige energieproductie, -opslag, -distributie en -gebruik met elkaar verbinden. Graag delen we met u de belangrijkste uitdagingen waar de 700 wetenschappers van het Delft Energy Initiative met hun studenten en hun partners aan werken. Delft Energy Initiative www.energy.tudelft.nl
Hoe maak je zonnecellen betaalbaar? Hoe versnel je de introductie van windparken op zee? Hoe stoppen we warmteverspilling? Hoe kun je CO 2 veilig opslaan? Hoe ontwerp je een elektriciteitsnet dat niet-continue, decentrale opwekking van elektriciteit aankan? Vind het beste ontwerp voor een nieuwe energieinfrastructuur en energiemarkt Hoe realiseer je olievrij transport? Hoe maak je kernenergie duurzaam? Hoe realiseer je efficiënte en op relevante schaal toepasbare manieren om energie op te slaan? Hoe kan biomassa duurzaam worden gebruikt als groene grondstof? Hoe breng je het energieverbruik van consumentenproducten terug? Welke nieuwe materialen zijn beter en goedkoper voor duurzame energiesystemen?
Zonne-energie Er valt 10.000 keer meer zonne-energie op aarde dan we nodig hebben. Helaas is zonne-energie nog ongeveer 10 keer duurder dan grijze stroom. De uitdaging is: Hoe maak je zonnecellen betaalbaar? Oplossing Goedkopere zonnecellen, met voldoende rendement Dunne film zonnecellen (ook wel: zonnecelfolie) Dunne film zonnecellen zijn vele malen goedkoper dan kristallijn silicium zonnecellen, omdat er veel minder silicium wordt gebruikt. Een zeer dunne laag amorf of kristallijn silicium van 1-2 micron dik (100 tot 500 keer dunner dan gewone zonnecellen) wordt op een folie gespoten. De cellen zijn hierdoor op veel grotere schaal en goedkoper te produceren. Het rendement is 6% tot 9%, mogelijk 15% in de toekomst. Voor deze zonnecellen is de grootste uitdaging het verbeteren van het rendement. (Illustratie dunne filmzonnecel, Eric Verdult, Kennis in Beeld) Helianthos: samenwerkingsprogramma met Nuon, TU Eindhoven, de Universiteit Utrecht en TNO-TPD voor de ontwikkeling van productietechnologie van dunne film zonnecellen. Organische (of hybride organische/anorganische) zonnecellen (gemaakt van koolstofmaterialen) Organische zonnecellen worden niet gemaakt van silicium, maar van andere, goedkopere, materialen. Een combinatie bijvoorbeeld van een organisch materiaal dat het licht absorbeert, zoals polymeren of kleurstoffen, met een elektronenaccepterend materiaal, zoals titaandioxide. Het rendement van dit type zonnecel kan verbeterd worden door de moleculen anders te rangschikken of door meer infrarood licht te absorberen. (Organische zonnecel met kleurstoflaag en laag titaandioxide met 'bewegende' elektronen. Illustratie Eric Verdult, Kennis in Beeld) Quantum Dot zonnecellen In deze zonnecel zitten kleine bolvormige deeltjes (z.g. quantum dots) waarin onder invloed van zonlicht elektronen worden losgemaakt. Een losgemaakt elektron blijft zo langer rondtollen en kan meerdere elektronen aanslaan. Hierdoor ontstaat een lawine-effect. In principe kan het rendement van de zonnecel vergroot worden tot 44%.
Windenergie Nederland heeft als ambitie in 2020 tussen de 15 en 20% van de elektriciteit op te wekken met wind: 1500 Megawatt (MW) op land en 6000 MW op zee. Windparken op zee gaan dus een groot deel van de Nederlandse doelstelling voor hun rekening nemen. Maar windturbines in een windpark moeten geïntegreerd in een systeem werken als een elektriciteitscentrale, het onderhoud is gevaarlijk en duur en de enorme rotorbladen vragen om nieuwe materialen om de grote windbelasting aan te kunnen. De uitdaging is: Hoe versnel je de introductie van windparken op zee? Oplossingen: Windparken moeten worden geïntegreerd in internationale energiestromen, er zijn nieuwe materialen en ontwerpen nodig voor grote windturbinebladen en efficiënte, veilige en goedkope manieren om de turbines te onderhouden. Daarnaast is hands-on ervaring nodig, bijvoorbeeld door de krachten van TUDelft-ECN te bundelen met de grote Nederlandse offshore industrie. Ontwerpen van windturbines Windturbines zeker de turbines die gebruikt worden in windparken op zee worden alsmaar groter. Het grootste rotorblad is maar liefst 61,5 meter lang. Dit vraagt om onderzoek naar het beste ontwerp voor een windturbine. Hiervoor worden ook de windstromen die rond een windturbine waaien, gemodelleerd en worden slimme rotoren ontworpen. Betrouwbaarheid, intelligent onderhoud van windturbines Offshore windtechnologie en Ampelmann Ampelmann is een platform dat met behulp van hydraulische poten, die het stampen van de golven compenseren, stabiel blijft op zee. Hierdoor kunnen onderhoudsmonteurs veilig overstappen op boorplatforms en op de voet van windturbines. Inpassing in het elektriciteitsnetwerk Windenergie is niet-continue. Windkracht 6 is ideaal. Uit promotieonderzoek blijkt dat Nederlandse elektriciteitscentrales de variaties in vraag en windaanbod ook in de toekomst op elk moment kunnen opvangen, mits er gebruik wordt gemaakt van actuele windvoorspellingen. Ook wordt onderzocht hoe windturbines op zee met elkaar een elektriciteitscentrale kunnen vormen. Laddermolen De laddermolen is een roterende lus van vliegers die op een hoogte van 10km de wind vangt. Het vermogen van de wind is op die hoogte 20 keer groter dan op de grond. De laddermolen zit met een kabel vast aan een generator op de grond (zie plaatje). EWICON De EWICON is een windturbine zonder mechanische onderdelen. Geladen druppeltjes die bewegen in de wind veroorzaken een elektrische stroom die aan het elektriciteitsnet geleverd kan worden. Voordelen: minder onderhoud en minder geluidsoverlast.
Warmte en geothermische energie Voor gebouwen zijn drie typen energie nodig: elektriciteit, warmte voor verwarming van ruimtes en warmte voor warm water. Deze drie worden nu los van elkaar opgewekt en daarbij gaat veel energie verloren. Ook sijpelt veel warmte weg door slechte isolatie of omdat warmte simpelweg een bijproduct is, zoals in elektriciteitscentrales en fabrieken. De uitdaging is: Hoe stoppen we warmteverspilling? De oplossing Warmteverspilling kan opgelost worden door warmte niet te laten ontsnappen, bijvoorbeeld door goede isolatie en handig gebruik van binnenvallend zonlicht in gebouwen. Ook kan restwarmte die vrijkomt uit elektriciteitscentrales, fabrieken of zelfs apparaten worden ingezet om ruimtes te verwarmen en kan er gebruik gemaakt worden van warmte die natuurlijk voorkomt, bijvoorbeeld in de ondergrond. Klimaatarchitectuur en transformeren oude woningbouw Individuele gebouwen kunnen zo ontworpen worden dat ze optimaal gebruik maken van warmte. Onderzoek wordt gedaan naar bouwmaterialen, het ontwerp van gebouwen en installaties die elektriciteit en warmte zo efficiënt mogelijk opwekken. Een 'passiv haus' verwarmt zichzelf, een 'activ haus' is zelfs een leverancier van warmte en/of elektriciteit aan het net. Een Micro WKK (Micro Warmtekrachtkoppeling) is een apparaat dat zowel elektriciteit als warmte opwekt en dat in huis de CV-ketel kan vervangen. Een separaat onderzoeksprogramma richt zich op het beperken van de energievraag van bestaande woningen en wijken op een wijze die bijdraagt aan de oplossing van actuele organisatorische en sociale vraagstukken. Warmtekrachtkoppeling Een slimme koppeling van energieaanbod en energievraag op buurt- of wijkniveau kan de vraag naar energie verlagen. Als elektriciteit per wijk wordt opgewekt, kan de restwarmte die daarbij vrijkomt gebouwen in de buurt verwarmen. Geothermische energie (aardwarmte) Op een diepte tussen de 1500 meter en 3000 meter heeft water in waterhoudende lagen een temperatuur van ca. 55 C tot 110 C. Onder de campus van de TU Delft zit veel water op ideale diepten. Het Delft Aardwarmteproject (DAP) is een samenwerkingsproject van studenten en onderzoekers die een demonstratieproject realiseren om met geothermisch water aardwarmte te winnen in de TU wijk. Het water wordt in de warmtekrachtcentrale gebruikt en het afgekoelde water wordt weer geïnjecteerd. Om de centrale CO 2 - neutraal te maken worden in een samenwerkingsverband met verschillende faculteiten in een tweede fase CO 2, zwaveloxiden (SO x )en stikstofoxiden (NO x) uit het rookgas verwijderd en vervolgens geïnjecteerd met het afgekoelde water. Alle resultaten uit deze projecten worden gebruikt bij ondersteuning van warmteproductie voor kassen, verwarming van woonwijken, verlaging van brandstofgebruik in warmtekrachtcentrales en opslag van CO 2.
CO 2 -afvang en -opslag Er zal naar verwachting nog decennia gebruik gemaakt worden van fossiele brandstoffen. Om te voorkomen dat de kooldioxide die bij de verbranding ervan vrijkomt, in de atmosfeer terecht komt, kan het bij grote puntbronnen zoals elektriciteitscentrales worden afgevangen en opgeslagen, bijvoorbeeld in lege gas- en olievelden. Bij opslag in de ondergrond is absolute veiligheid vereist. De uitdaging is: Hoe kun je CO 2 veilig opslaan? Oplossingen: CO 2 kan in het aardoppervlak worden geïnjecteerd en zo ondergronds worden opgeslagen. Het CO 2 verspreidt zich via het poriënstelsel van het ondergrondse gesteente, dat van nature wordt afgedekt door een andere niet-poreuze laag. Deze laatste laag zorgt ervoor dat het geïnjecteerde gas niet naar het aardoppervlak terug kan lekken. De meest geschikte opslagplaatsen voor CO 2 zijn lege gasvelden, diep gelegen zout waterhoudende poreuze lagen ( saline aquifers ) of diep gelegen steenkoollagen. In het laatste geval kan door CO 2- injectie vaak methaangas worden gewonnen, omdat kooldioxide en methaan in de koollaag van plaats wisselen. De opslag van CO 2 in de ondergrond wordt in de wereld nog maar op beperkte schaal toegepast, bijvoorbeeld in de buurt van het Sleipner-veld bij Noorwegen. CO 2 -injectie ter bevordering van olie- en gaswinning gebeurt al wel decennia, bijvoorbeeld in de VS en Turkije. Om veiligheid te garanderen, moet er op grote schaal getest worden op een mogelijke interactie van CO 2 met het gesteente, ook wel mineralisatie genoemd. Deze interactie kan oplossing van gesteenten en verstopping door remineralisatie veroorzaken. Het fenomeen is gesteenteafhankelijk. Ook nodig is het ontwikkelingen van kosteneffectieve seismische methoden om een opslagreservoir continu te monitoren. Ondergrondse opslag in aquifers, steenkoollagen en lege gasreservoirs in Nederland. Modellen van steenkoollagen en poreuze gesteenten, met hun eigenschappen, zijn nodig om te voorspellen hoe snel de kooldioxide zich door deze formaties verspreidt. Met hogedrukapparatuur onder temperatuur en drukcondities wordt gesimuleerd wat er onder het oppervlak tot een diepte van twee kilometer gebeurt. Behalve de opslag in steenkolenbeddingen en injectie in uitgeputte gasvelden onderzoekt de TU Delft geofysische methoden om het gedrag van CO 2 te volgen. Daarnaast ontwikkelt de TU Delft seismische meetmethoden die gebruikt kunnen worden om eventuele lekkage te meten en op te sporen. CATO De TU Delft is samen met de Universiteiten van Utrecht, Twente en Amsterdam en met ECN, TNO, Shell, E.on en vele andere partners in een kennisconsortium (CATO-1, CATO-2) bezig om CO 2 Afvang, Transport en Opslag voor Nederland geschikt te maken. De programma s worden door de Nederlandse overheid geïnitieerd.
Smart grids Het huidige hoogspanningsnet brengt energie van een centraal punt naar vele gebruikers. Bovendien is het aanbod altijd afgestemd op de vraag en vindt opslag van energie automatisch plaats in fossiele brandstoffen. Dit systeem is niet direct berekend op decentraal opgewekte energie, zoals uit zonnepanelen op woningen. De uitdaging: Hoe ontwerp je een elektriciteitsnet dat niet-continue, decentrale opwekking van elektriciteit aankan? De oplossing: Een slim elektriciteitsnet - een smart grid - kan flexibel omgaan met een wisselend aanbod en een wisselende vraag naar elektriciteit. Dat maakt het geschikt voor een net waar elektriciteit op veel verschillende locaties wordt opgewekt en voor fluctuerende energieleveranciers zoals zonnepanelen en windmolens. Bovendien kan een smart grid ervoor zorgen dat de wasmachine pas aanslaat of de elektrische auto pas oplaadt, als er voldoende energie is. Smart grid components Voor smart grids, waarin stroom twee kanten op kan lopen, zijn andere componenten nodig dan voor het huidige elektriciteitsnet. De huidige beveiligingsschakelaars, die kortsluitingen voorkomen, zijn voor smart grids bijvoorbeeld niet geschikt. In Delft worden snellere stroombegrenzers, nieuwe snelle generatoren en hoogvermogen energieopslag ontwikkeld. Autonoom energielaboratorium Technisch is het mogelijk een klein, duurzaam en zelfvoorzienend energiesysteem te laten draaien. Arjan van Voorden, die op maandag 24 november 2008 promoveerde, ontwikkelde het Duurzame Energielab, een zelfvoorzienend systeem ter grootte van 10 huishoudens met 120 m 2 zonnepanelen, een windturbine van 30 kw en een micro-warmtekrachteenheid van 5.5 kw. Verder zijn er batterijen voor de opslag van energie. Windenergie in het huidige elektriciteitsnet Bart Ummels, die in februari 2009 promoveerde aan de TU Delft, onderzocht of het huidige elektriciteitsnet in Nederland grootschalige windenergie aankan. Zijn resultaten geven aan dat windenergie vraagt om een grotere flexibiliteit van de bestaande elektriciteitscentrales. Soms zijn er meer reserves nodig, maar veel vaker zullen de centrales juist hun productie moeten verlagen om ruimte te maken voor wind. Het is daarbij belangrijk om de inzet van de elektriciteitscentrales steeds opnieuw te berekenen met de laatste windvoorspelling. Wet- en regelgeving Voor het decentraal opwekken van elektriciteit zal nieuwe wet- en regelgeving ontwikkeld moeten worden. Individuele huishoudens die met zonnepanelen meer elektriciteit opwekken dan ze gebruiken, veranderen immers in energieleveranciers. De faculteit Techniek, Bestuur en Management onderzoekt hoe de overheid deze veranderingen in goede banen kan leiden, terwijl ze tegelijkertijd met de liberalisering veel controle uit handen heeft gegeven.
Energie-infrastructuur en energiemarkt Een gezonde energie-infrastructuur is van cruciaal belang, maar er vinden grote veranderingen plaats: de afname van voorzieningszekerheid en schommeling van prijzen van energiegrondstoffen, wisselende geopolitieke verhoudingen, privatisering van nutsvoorzieningen, integratie van markten op Europees niveau, richtlijnen voor de uitstoot van CO 2. Al deze ontwikkelingen vereisen strategische afwegingen. Onze uitdaging is: Vind het beste ontwerp voor een nieuwe energie-infrastructuur en energiemarkt. De oplossing: De beste oplossing bestaat uit een energiemarkt en -infrastructuur die aangepast kunnen worden aan of ongevoelig zijn voor de nauwelijks voorspelbare veranderingen in de toekomst. Flexibiliteit en robuustheid zijn dus de belangrijkste eigenschappen waaraan een ontwerp moet voldoen. Technisch gefundeerd beleidsonderzoek De faculteit Techniek, Bestuur en Management bestudeert met behulp van modellen, simulaties en gaming het dynamische 'gedrag' van infrastructuren. Enkele voorbeelden: CO 2 Modellen van de energiemarkt geven aan dat het opleggen van een CO 2 -taks aanmerkelijk goedkoper en effectiever is om CO 2 -uitstoot te verminderen dan het huidige emissiehandelssysteem. Elektriciteit Elektriciteit zal in toenemende mate duurzaam en daardoor vaak decentraal worden opgewekt. Bovendien zijn er veranderingen in de markt, zoals de splitsing van energiebedrijven en energienetwerken en de Europese marktintegratie. De TU Delft onderzoekt deze veranderingsprocessen. Een belangrijke vraag is bijvoorbeeld hoe de overheid ze in een geliberaliseerde markt kan reguleren. Smart metering is een manier om netwerken flexibeler te maken, maar dit vereist de borging van de privacy van consumenten en de veiligheid en stabiliteit van het netwerk. Synthesegas De Multi Fuel synthesegasinfrastructuur kan Nederland minder afhankelijk maken van specifieke energiegrondstoffen en wisselende grondstofprijzen. Vergassers maken uit een te kiezen mix van kolen, olie, gas, biomassa en reststromen de common energy carrier synthesegas, een mengsel van waterstof en koolmonoxide. Synthesegas is om te zetten in elektriciteit, warmte, brandstoffen voor de vervoerssector en chemische bulkproducten. Bovendien maakt het precombustion CO 2 -afvang mogelijk, waarbij de koolstofdioxide voor de verbranding uit het synthesegas wordt verwijderd. Dit is efficiënter dan afvang van CO 2 uit schoorstenen, na de verbranding. Ethische aspecten van energie Om succesvol te kunnen zijn, vereisen innovaties in energiesystemen naast afstemming met de energievraag, de instituties en het marktsysteem, ook de acceptatie van het publiek. De publieke waarden kunnen regionaal een andere invulling hebben dan nationaal (denk aan de CO 2 -opslag in Barendrecht). Dit roept een aantal ethische vragen op. Het juridisch borgen van de publieke waarden zoals betrouwbaarheid, betaalbaarheid, veiligheid en duurzaamheid, in een energiemarkt met private partijen is onderwerp van onderzoek.
Duurzaam vervoer Als de transportsector geen olie meer gebruikt maar alternatieven, daalt de wereldwijde vraag naar olie met de helft. De meeste voertuigen rijden echter nog met verbrandingsmotoren en de infrastructuur is gericht op het distribueren van fossiele brandstoffen. Grootschalig gebruik van biomassa vraagt om grote landoppervlakken en rijden op waterstof is lastig, vanwege de grote en zware opslagtanks die hiervoor nodig zijn. De uitdaging is: Hoe realiseer je olievrij transport? De oplossing: Met uitzondering van vrachtvervoer, luchtvaart en scheepvaart (die beter functioneren op bijvoorbeeld biobrandstoffen), is elektrisch vervoer de oplossing. Waarom? Elektromotoren zijn veel efficiënter dan verbrandingsmotoren. Een elektrisch voertuig gebruikt maar de helft van de hoeveelheid brandstof die nodig is voor een regulier voertuig met verbrandingsmotor. Een elektrische wagen wordt bovendien duurzamer naarmate de elektriciteit waarmee hij wordt opgeladen, duurzamer wordt opgewekt. De batterijen zorgen bovendien voor een buffer in het elektriciteitsnet, waardoor efficiëntie van de elektriciteitsproductie en de inzet van wind en zonne-energie kan worden vergroot Batterijtechnologie In Delft wordt gewerkt aan Lithium-ion batterijen. De nadruk ligt hierbij op de capaciteit, de veiligheid, de snelheid van het opladen, de kosten en het gewicht van de batterijen. In de toekomst zijn nieuwe materialen nodig die goedkoper en veiliger zijn dan de huidige materialen. Ook essentieel zijn een grotere opslagcapaciteit en snellere laad- en ontlaadsnelheden. Materialen voor energieopslag zijn in toenemende mate op nanoschaal gestructureerd. Ontwerp Bij de faculteit Industrieel Ontwerpen worden duurzame voertuigen ontworpen: samen met studenten van de TU Eindhoven en de Universiteit Twente en met de Stichting Natuur en Milieu werken studenten aan de C,mm,n, de auto van de toekomst. Ook worden elektrische scooters en lichtgewicht voertuigen ontworpen. Daarnaast richt men zich op de ruimtelijke ontwikkeling om de gebouwde omgeving te optimaliseren voor elektrische mobiliteit. D-Incert Het Dutch Innovation Centre for the Electrification of Road Transport is een initiatief van de TU Delft. Het platform, dat inmiddels zo'n 70 leden telt uit kennisinstellingen, bedrijven en overheidsinstellingen, richt zich op de introductie van grootschalig elektrisch wegvervoer. Biobrandstoffen Met behulp van biotechnologie wordt aan de TU Delft onderzocht hoe niet-eetbare plantenresten effectief gebruikt kunnen worden als basis voor biobrandstof. Micro-organismen kunnen, als een levende fabriek, uit enkele voedingsstoffen een breed scala aan bioproducten maken. Voorbeelden van de bioproducten zijn de biobrandstoffen bioethanol en biobutanol.
Kernenergie Kernenergie veroorzaakt geen uitstoot van CO 2 en het levert betaalbare en betrouwbare elektriciteit. De uitdagingen bij kernenergie hebben te maken met de veiligheid van kerncentrales en de recycling en opslag van gebruikte splijtstof. De uitdaging is: Hoe maak je kernenergie duurzaam? De oplossing: Oplossingen zijn: efficiënt gebruik van uranium, hergebruik van uranium en plutonium, verkleinen van de hoeveelheid nucleair afval en het verlagen van de radiotoxiciteit ervan. Het onderzoek naar kernenergie spitst zich in Delft toe op de fysica van vierde generatie kerncentrales. De centrales die momenteel in bijvoorbeeld Finland en China worden gebouwd, zijn zogenoemde generatie 3 reactoren. Deze zijn al zeer veilig: de splijtingskettingreactie schakelt automatisch uit bij afwijkingen van normaal bedrijf, maar ze hebben nog wel meerdere redundante noodkoelsystemen nodig. Ook is het uraniumgebruik onvoldoende efficiënt. De vierde generatie is nog veiliger - sommige concepten hebben zelfs geen noodkoelsystemen nodig - en produceert een minimale hoeveelheid kernafval. De hoeveelheid uranium die gebruikt wordt in de vierde generatie snelle kernreactoren is tot 100 keer kleiner dan bij de huidige generatie. De periode dat het afval moet worden opgeborgen is teruggebracht tot 500 tot 5000 jaar. De nadruk ligt in Delft vooral op de Hoge Temperatuur Reactor (de kogelbedreactor), de Super-Kritieke Water-gekoelde Reactor en Snelle Reactoren. Naast het gebruik van uranium wordt ook onderzoek gedaan naar gebruik van thorium, vooral in combinatie met de Hoge Temperatuur Reactor en de futuristische gesmolten zout reactor. Verder: Het Reactor Instituut Delft is de beheerder van de nucleaire onderzoeksreactor van de TU Delft. De reactor wordt vooral gebruikt om nieuwe materialen te ontwikkelen voor duurzame energietoepassingen, zoals batterijen en zonnecellen, en voor onderzoek aan medische diagnostiek en behandeling van tumoren.
Energieopslag Duurzame energiebronnen, zoals windmolenparken of zonnepanelen, leveren niet continu energie. Voor leveringszekerheid en om optimaal gebruik te kunnen maken van deze bronnen, is opslag van energie essentieel. Het probleem is dat de huidige energieopslag volledig berust op gebufferde fossiele brandstoffen en dat nieuwe, duurzame, opslagmethoden op zeer grote schaal en zo efficiënt mogelijk gerealiseerd moeten worden. De uitdaging is: Hoe realiseer je efficiënte en op relevante schaal toepasbare manieren om energie op te slaan? Oplossing De meest efficiënte manier om elektriciteit op te slaan is in batterijen. Voor een huishouden is een aantal Lithium-ion batterijen ter grootte van een verhuisdoos al voldoende om alle benodigde elektriciteit in op te slaan. In combinatie met een slim elektriciteitsnetwerk (een smart grid ) kan ook een elektrisch wagenpark een manier zijn om elektriciteit op te slaan. De batterijen van aan het elektriciteitsnet gekoppelde elektrische auto's - die staan op te laden - kunnen heel goed tijdelijk extra elektriciteit opslaan als er veel wind is bijvoorbeeld. In tijden van tekort van elektriciteit leveren de auto's terug aan het net. Voor de opslag van 100 GWh zijn dan wel ongeveer 7,6 miljoen elektrische auto's nodig. Om energie op nog grotere schaal op te slaan, is waterstof een optie. Het kan uit water gemaakt worden en in zoutkoepels of lege gasvelden onder druk in zeer grote hoeveelheden worden opgeslagen. Om waterstof te gebruiken in bijvoorbeeld auto's, moet het lokaal worden opgeslagen in bijvoorbeeld materialen of opslagtanks. Batterijtechnologie In Delft wordt gewerkt aan Lithium-ion batterijen. De nadruk ligt hierbij op de capaciteit, de veiligheid, de snelheid van het opladen, de kosten en het gewicht van de batterijen. In de toekomst zijn nieuwe materialen nodig die goedkoper en veiliger zijn dan de huidige materialen. Ook essentieel zijn een grotere opslagcapaciteit en snellere laad- en ontlaadsnelheden. Materialen voor energieopslag zijn in toenemende mate op nanoschaal gestructureerd. Opslag in waterstof Een belangrijke onderzoeksvraag is in welke materialen waterstof het meest efficiënt is op te slaan. Bij de ontwikkeling van nieuwe opslagmaterialen spelen nanostructurering en katalysatoren op dit moment een centrale rol. Daarnaast wordt onderzoek gedaan naar de optimale opslagcapaciteiten, de gebruikscondities en de duurzame herbruikbaarheid van de materialen. Dit onderzoek vindt plaats in de nucleaire onderzoeksreactor.
Biobased economy & energy Biomassa, zoals plantenresten, biedt een enorm potentieel als milieuvriendelijk alternatief voor fossiele brandstoffen voor bijvoorbeeld de luchtvaart, scheepvaart en het vrachtverkeer. Bovendien is het een prima grondstof voor de chemische en materialenindustrie. De biomassa is echter niet altijd als zodanig direct bruikbaar als grondstof en is alleen duurzaam, als deze niet concurreert met de voedselvoorziening. Hoe kan biomassa duurzaam worden gebruikt als groene grondstof? De oplossing: Een goede balans tussen ecologische, humanitaire en economische doelstellingen is essentieel om het gebruik van groene (bio-based) grondstoffen voor de chemische, materialen- en energie-industrie duurzaam te maken. Met behulp van de biotechnologie kunnen bijvoorbeeld niet-eetbare plantenresten effectief gebruikt worden als basis voor biobrandstof. Beschikbaar maken van grondstoffen Om biomassa (bijvoorbeeld plantenresten) in te zetten als groene grondstof, moeten micro-organismen de hierin aanwezige energiebronnen (suikers) kunnen verteren. Dat kunnen deze organismen niet altijd van nature. Onderzoek wordt gedaan hoe de eigenschappen van deze organismen, zoals bakkersgist, aan te passen, zodat zij ook voor hen niet-natuurlijke suikers kunnen gebruiken als voedingsstof. Van voedingsstof naar eindproduct Om micro-organismen ook daadwerkelijk in te zetten als levende fabriek, moet het hele productieproces van voedingsstof tot eindproduct nauwkeurig ontworpen, gereguleerd en geoptimaliseerd worden. Op die manier kan uit enkele voedingsstoffen een breed scala aan bioproducten gemaakt worden. Bijvoorbeeld biobrandstoffen zoals bioethanol en biobutanol, biochemicaliën, en biomaterialen als bioplastics. Om dit productieproces toe te passen wordt onderzocht hoe het vertaald kan worden van laboratorium schaal naar een industriële omgeving. Afval als grondstof Verontreinigingen in bodem en water zijn vaak het gevolg van het ophopen van niet-afbreekbare materialen, gemaakt uit fossiele grondstoffen. Onderzoek wordt gedaan naar hoe micro-organismen uit dit afval waardevolle producten kunnen maken zoals bioplastics die wél biologisch afbreekbaar zijn. Ook wordt gekeken hoe mico-organismen afvalstromen kunnen benutten om de bodem te versterken, bijvoorbeeld in dijken of funderingen.
Energieautonome productontwerpen 30% van de energie die door huishoudens wordt gebruikt, wordt ingezet voor apparaten en consumentenproducten. Naast verwarming en verlichting zijn apparaten de grootste gebruiker van energie in huis. De uitdaging is: Hoe breng je het energieverbruik van consumentenproducten terug? De oplossing: Naast het energiezuiniger maken van producten zelf en de gebruikers bewust met deze producten te laten omgaan (niet op stand-by laten staan bijvoorbeeld) is het energieautonoom maken van producten ook een oplossing. De producten van de toekomst gebruiken energie die ze uit hun directe omgeving halen, ze slaan energie op, zijn energieefficiënt en kunnen flexibel reageren op het smart grid. Dat betekent dat de wasmachine gaat draaien als er voldoende wind- of zonne-energie is. Een vloot van elektrische auto s kan uitstekend dienen als opslagmiddel voor energie. Als het s nachts hard waait, laden ze op. En als er een tekort is, haalt het elektriciteitsnet energie uit de accu s. Productontwerp Producten worden pas op grote schaal gekocht en gebruikt als ze aanslaan bij de behoeften van de consument. Bij de faculteit Industrieel Ontwerpen worden methoden en hulpmiddelen ontwikkeld, getest en verspreid om bedrijven en instellingen te helpen bij het ontwerpen van producten en diensten die voldoen aan duurzaamheidseisen. Zonne-energie Zonne-energie kan overal gebruikt worden. Bij de faculteit Industrieel Ontwerpen worden producten ontworpen die zijn voorzien van zonnecellen. Afbeelding: O Sole Mio, muis op zonnecellen ECOR power strip De ECOR Power Strip toont de hoeveelheid stroom die door een apparaat wordt gebruikt. Op deze manier worden consumenten zich bewust van de hoeveelheid stroom die ze in huis verbruiken, bijvoorbeeld als de apparaten op stand-by staan.
Energiematerialen Materialen die nu gebruikt worden voor duurzame energiesystemen zijn duur of niet efficiënt genoeg. De huidige zonnepanelen, bijvoorbeeld, worden gemaakt van het dure kristallijn silicium. Titaandioxide, een stof die ook in tandpasta wordt gebruikt, is een alternatief. Bij dit soort zonnecellen moet nog wel het rendement verbeterd worden. De uitdaging is: Welke nieuwe materialen zijn beter en goedkoper voor duurzame energiesystemen? De oplossing: Nieuwe, betere en goedkopere materialen zijn essentieel voor meer efficiënte energietechnologie. Materialen voor batterijen Een Lithium-ion batterij is op dit moment de kleinste en lichtste manier om zoveel mogelijk elektrische energie herlaadbaar op te slaan. Door de lange weg die de lithium-ionen moeten afleggen door het elektrodemateriaal is de op- en ontlaadsnelheid beperkt. De wetenschappelijke uitdaging is de elektrodedeeltjes te verkleinen. Onderzoekers van het Reactor Instituut Delft hebben geconstateerd dat dit, afhankelijk van het materiaal en de structuur, de materiaalstructuur ingrijpend verandert. Door hun onderzoek kan nu worden voorspeld welke uitwerking het zogeheten nanostructureren, het verkleinen van de structuur, op de prestaties van Li-ion batterijen heeft. Dit moet uiteindelijk leiden tot Li-ion batterijen met een grotere opslagcapaciteit en vermogen. Materialen voor zonne-energie Zonnestroom is zo n 10 keer duurder dan grijze stroom. Dat komt door het gebruikte materiaal, kristallijn silicium. Om zonnestroom te kunnen laten concurreren met andere energiebronnen, zijn nieuwe soorten zonnecellen nodig met een hoger rendement en lagere productiekosten. Door het gebruik van positronen, opgewekt met de onderzoeksreactor, kunnen cruciale materiaaleigenschappen van de bestaande zonnecellen in beeld worden gebracht. Andere materialen voor zonnecellen zijn bijvoorbeeld een combinatie van een organisch materiaal dat het licht absorbeert, zoals polymeren of kleurstoffen, met een elektronenaccepterend materiaal, zoals titaandioxide. Afbeelding: organische zonnecel (Erik Verdult Kennis in Beeld)