Als de olie op is

Een klimaatramp konden we nog net voorkomen door koolstofdioxide diep de zeebodem in te persen. Naast radioactief afval zitten we nu opgescheept met een tikkende koolstofdioxidebom onder de oceaan. Maar gelukkig stoten we netto geen broeikasgassen meer uit. We imiteren de milieuvriendelijke fotosynthese van planten steeds beter. Het verf op onze gebouwen zet met zonlicht koolstofdioxide om in de brandstof methanol. Smog filteren we ook uit de lucht met een likje verf. Even dreigde er een energiecrisis. Olie raakte op voordat er goede energiealternatieven waren, maar op het nippertje ontdekten we een grote hoeveelheid methaangas in ijslagen diep onder de oceaanbodem.

Het zijn scenario’s die menig wetenschapper onwaarschijnlijk acht. Toch zijn ze niet ondenkbaar, als we de doelstellingen van het Shell/TU Delft Sustainable Mobility Programme mogen geloven. Acht Delftse promovendi storten zich binnen dit programma op een paar van deze vernieuwende energietechnologieën, zoals de verf die koolstofdioxide omzet en het winnen van methaangas uit de bodem. Een vacature voor de jonge onderzoekers gaat binnenkort de deur uit. Het oliebedrijf steekt drie miljoen euro in de projecten, de TU de helft hiervan. In ruil voor haar generositeit krijgt Shell, dat zich graag milieubewust profileert, het gros van de eventuele patenten.

Een aantal projecten, zoals het onderzoek naar methaan, zou bovendien wel eens lucratief voor het bedrijf kunnen uitpakken. Shell heeft weinig zin om hier over te praten. “Uitspraken over ons belang bij de projecten doen we liever niet”, zegt een woordvoerder. “Het onderzoek is te pril. Laten we niet te hard van stapel lopen.”

Volgens de leider van het methaanproject dr. Pacelli Zitha van Civiele Techniek en Geowetenschappen hangt het moment waarop oliemaatschappijen methaangas uit de zeebodem winnen af van de olieprijs. Enkele kilometers onder de zeebodem moeten gigantische hoeveelheden methaan verstopt zitten in ijs. IJs dat in de fik vliegt als je er een lucifer tegenaan houdt. Schattingen over de hoeveelheid lopen sterk uiteen. “Het dubbele van alle andere resterende fossiele brandstoffen, hoor je wel eens”, aldus Zitha. “Maar al is het maar een tiende daarvan, dan nog is het een interessante energiebron.”

Hoe haal je dat efficiënt omhoog? Onderzeese mijnbouw? “Daarvoor zit het ijs veel te diep”, volgens Zitha. Het ijs heeft bovendien een bijzondere kristalvorm. Het is een zogenaamd gashydraat, dat onder zeer hoge druk is ontstaan. De methaanmoleculen zitten opgesloten in bolvormig geclusterde watermoleculen. Zitha: “We moeten meer te weten komen over deze formatie en de stabiliteit ervan, voordat we het methaan omhoog kunnen pompen.”

Maar één ding is zeker: om het methaan eruit te krijgen moet er een ander gas voor in de plaats komen. “We zouden het kunnen ‘switchen’ met koolstofdioxide”, zegt Zitha. “Dan slaan we twee vliegen in een klap, we winnen methaangas en komen van het koolstofdioxide af.”

Om die wissel te maken moet de druk om de ijslaag heen verlaagd worden. Maar ook weer niet teveel, want dan smelt het ijs en is in één klap alles weg. “Voorlopig zullen we in het laboratorium de condities voor het ontstaan van deze stof bestuderen”, aldus Zitha, die eigenlijk voornamelijk geïnteresseerd is in fundamenteel onderzoek.
Water splijten

Het onderzoek van fotokatalyse-expert dr.ir. Roel van de Krol (Technische Natuurwetenschappen), valt ook in de prijzen. Hij is de leider van het deelproject ‘Schonere lucht door zonlicht’ en betrokken bij het project ‘Van zon naar brandstof’. Van de Krol wil fotokatalysetechnieken met titaniumdioxide verbeteren. Titaniumdioxide kan, wanneer het door UV-licht is beschenen, allerlei reacties katalyseren. Zo kan het water splijten in zuurstof en waterstof. In Delft wordt hier al veel onderzoek naar gedaan door het Delft Research Center Sustainable Energy.

Voor het project ‘Van zon naar brandstof’ zoekt Van de Krol samen met projectleider dr. Guido Mul (TNW) een promovendus om aan een revolutionaire titaniumdioxidegebaseerde zonnecel te werken, die uit koolstofdioxide en water de brandstof methanol maakt. Ongeveer net zoals planten glucose synthetiseren. “Deze nieuwste generatie zonnepanelen zou je het beste bij kolencentrales kunnen ophangen, omdat die veel CO2 uitstoten”, aldus Van de Krol.

In zijn andere project moeten titaniumdioxidekristallen (bijvoorbeeld op panelen of stenen) stikstofoxiden, ook wel bekend als smog, uit de lucht vissen. Het gas hecht aan de kristallen en verandert in salpeterzuur. Na een flinke regenbui verdwijnt dit goedje in de goot. Het is minder schadelijk dan stikstofoxide.

Toch is de methode nog verre van ideaal. De onderzoeker denkt dat de kristallen beter werken als er wat ijzer en stikstofmoleculen in gestopt worden. In plaats van salpeterzuur ontstaan dan stikstofgas, zuurstof en water. “Het grote voordeel is dat je geen regen meer nodig hebt om het oppervlak af te spoelen en de kristallen te laten werken”, zegt Van de Krol. “En, het moet het kristal ook lichtgevoeliger maken, waardoor het ook op zichtbaar licht reageert.”

Kan heel Nederland dan geplaveid worden met speciale, luchtzuiverende stoeptegels? “Ondenkbaar is dit niet”, meent Van de Krol. “Maar ik denk eerder aan het coaten van geluidsschermen langs de snelwegen en tunnelwanden.”

In Japan worden gebouwen al voorzien van een laagje titaniumdioxide. Het spul zorgt er daar ook voor dat de gebouwen stof- en roetvrij blijven. Waterdruppeltjes die op de kristallen terechtkomen platten namelijk af . hun cohesiekracht wordt kleiner. Doordat ze een groter en dunner waterlaagje vormen, spoelen stof- en roetdeeltjes veel eerder weg.

Van de Krol wil de kristallen zo efficiënt maken, dat een laagje van een micrometer al voldoende is voor hun heilzame werking. “Je zou de kristallen dan in verf kunnen verwerken”, zegt hij. “Het is een toekomstdroom. Maar misschien is hij wel in minder dan twintig jaar te verwezenlijken.”
Uranium

Ook een op het eerste gezicht niet zo duurzame energiebron krijgt financiële steun. Kernenergie. “Die moeten we niet uit uranium halen”, zegt projectleider dr.ir. Jan Leen Kloosterman (TNW), “maar uit het radioactieve thorium. Uranium is zonder snelle kweekreactoren over een paar honderd jaar op. Maar met thorium kunnen we nog tienduizenden jaren voort.”

In de kerncentrale waar Kloosterman samen met Duitse en Amerikaanse collega’s aan rekent, de ‘Gesmolten Zout Kernreactor’, loopt de temperatuur op tot zo’n duizend graden Celsius. Vooralsnog bestaat hij alleen nog op de tekentafel. De hoge temperatuur ziet Kloosterman als een groot bijkomstig voordeel. “Met de warmte-energie van de koelvloeistof die de centrale uitkomt, kunnen we waterstofgas maken”, zegt hij. “De nog aan te stellen promovendus moet de warmteoverdracht tussen het koelmiddel en de centrale met computermodellen onderzoeken om te kijken hoeveel energie hiervoor overblijft.”

Waarom Shell zich voor het project interesseert, kan Kloosterman niet met zekerheid zeggen. “Ze hebben geen reden opgegeven.” Maar een vermoeden heeft hij wel. “Alle lichte en gemakkelijk te winnen olie is binnenkort verbruikt”, zegt hij. “Om de resterende, zwaardere olie te kraken, is steeds meer waterstofgas nodig. Bij het kraken worden de lange koolwaterstofketens in kleine stukken gebroken, waaruit vervolgens brandstoffen als diesel en benzine gemaakt worden. De waterstofatomen uit het waterstofgas hechten zich aan de opgebroken uiteinden.”

“Kijk naar de teerzanden in Canada waar Shell tegenwoordig ook olie vandaan haalt”, vervolgt Kloosterman. “Dat is bijna asfalt wat ze daar opgraven. Je hebt ontzettend veel waterstofgas nodig om daar benzine van te maken.”
De acht projecten

Van zon naar brandstof

Een zonnecel met titaniumdioxide moet uit koolstofdioxide en water de brandstof methanol maken. Handig om boven kolencentrales te hangen die veel CO2 uitstoten. Projectleider: dr. Guido Mul (Technische Natuurwetenschappen).

Schonere lucht door zonlicht

Gebouwen met een likje titaniumdioxideverf gaan in de toekomst wellicht smog te lijf. Wanneer titaniumdioxidekristallen licht vangen, breken ze stikstofoxiden af. Een promovendus onderzoekt of dit efficiënter kan. Projectleider: dr. ir. Roel van de Krol (Technische Natuurwetenschappen).

Duurzame productie van waterstof met de ‘Gesmolten Zout Kernreactor’

Een nieuw type kernreactor ligt op de tekentafel, de ‘Gesmolten Zout Kernreactor’. Deze werkt bij een temperatuur van bijna duizend graden. Die hitte komt goed van pas bij de productie van waterstofgas. Projectleider: dr.ir. Jan Leen Kloosterman (Technische Natuurwetenschappen).

Modelgebaseerde verkeersregeling

Verkeersmaatregelen dienen nu vooral de doorstroom van weggebruikers. Een intelligent verkeersstroommodel moet ook rekening gaan houden met uitstoot van fijnstof en uitlaatgassen.

Projectleider: dr. ir. Bart de Schutter (Werktuigbouwkunde, Martitieme Techniek en Materiaalwetenschappen).

Verbeterde prestatie en capaciteit van lithium-ionbatterijen (twee projecten)

De lithium-ionbatterij is een oplaadbare batterij waar onder andere hybride elektrische voertuigen op rijden. Door de structuur van het materiaal in de elektroden aan te passen, moet de batterij efficiënter worden. Een andere aanpak is de ontwikkeling van geheel nieuwe nanomaterialen voor de elektroden. Projectleiders: dr.ir. Marnix Wagemaker en dr.ir. Erik Kelder (Technische Natuurwetenschappen).

Duurzaam transport en duurzame opslag van droge bulkgoederen

Droge bulkgoederen zoals kolen, ijzererts en biomassa liggen tijdens transport vaak tijdelijk in grote hopen in de buitenlucht opgeslagen. Hierdoor komt stof vrij dat schadelijk is voor het milieu. Vooral in havens kan deze vervuiling een stuk minder, door betere logistiek en opslagmethodes. Projectleider: dr. ir. Dingena Schott (Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Materiaalwetenschappen).

Methaan uit gashydraten

Kilometers onder de oceaanbodem ligt een gigantische hoeveelheid methaangas opgesloten in ijs. Voordat dit gewonnen kan worden, moet meer bekend zijn over de structuur van dit bijzondere, brandbare ijs. Projectleider: dr. Pacelli Zitha (Civiele Techniek en Geowetenschappen).

(Foto’s: Hans Stakelbeek/FMAX)

Een klimaatramp konden we nog net voorkomen door koolstofdioxide diep de zeebodem in te persen. Naast radioactief afval zitten we nu opgescheept met een tikkende koolstofdioxidebom onder de oceaan. Maar gelukkig stoten we netto geen broeikasgassen meer uit. We imiteren de milieuvriendelijke fotosynthese van planten steeds beter. Het verf op onze gebouwen zet met zonlicht koolstofdioxide om in de brandstof methanol. Smog filteren we ook uit de lucht met een likje verf. Even dreigde er een energiecrisis. Olie raakte op voordat er goede energiealternatieven waren, maar op het nippertje ontdekten we een grote hoeveelheid methaangas in ijslagen diep onder de oceaanbodem.

Het zijn scenario’s die menig wetenschapper onwaarschijnlijk acht. Toch zijn ze niet ondenkbaar, als we de doelstellingen van het Shell/TU Delft Sustainable Mobility Programme mogen geloven. Acht Delftse promovendi storten zich binnen dit programma op een paar van deze vernieuwende energietechnologieën, zoals de verf die koolstofdioxide omzet en het winnen van methaangas uit de bodem. Een vacature voor de jonge onderzoekers gaat binnenkort de deur uit. Het oliebedrijf steekt drie miljoen euro in de projecten, de TU de helft hiervan. In ruil voor haar generositeit krijgt Shell, dat zich graag milieubewust profileert, het gros van de eventuele patenten.

Een aantal projecten, zoals het onderzoek naar methaan, zou bovendien wel eens lucratief voor het bedrijf kunnen uitpakken. Shell heeft weinig zin om hier over te praten. “Uitspraken over ons belang bij de projecten doen we liever niet”, zegt een woordvoerder. “Het onderzoek is te pril. Laten we niet te hard van stapel lopen.”

Volgens de leider van het methaanproject dr. Pacelli Zitha van Civiele Techniek en Geowetenschappen hangt het moment waarop oliemaatschappijen methaangas uit de zeebodem winnen af van de olieprijs. Enkele kilometers onder de zeebodem moeten gigantische hoeveelheden methaan verstopt zitten in ijs. IJs dat in de fik vliegt als je er een lucifer tegenaan houdt. Schattingen over de hoeveelheid lopen sterk uiteen. “Het dubbele van alle andere resterende fossiele brandstoffen, hoor je wel eens”, aldus Zitha. “Maar al is het maar een tiende daarvan, dan nog is het een interessante energiebron.”

Hoe haal je dat efficiënt omhoog? Onderzeese mijnbouw? “Daarvoor zit het ijs veel te diep”, volgens Zitha. Het ijs heeft bovendien een bijzondere kristalvorm. Het is een zogenaamd gashydraat, dat onder zeer hoge druk is ontstaan. De methaanmoleculen zitten opgesloten in bolvormig geclusterde watermoleculen. Zitha: “We moeten meer te weten komen over deze formatie en de stabiliteit ervan, voordat we het methaan omhoog kunnen pompen.”

Maar één ding is zeker: om het methaan eruit te krijgen moet er een ander gas voor in de plaats komen. “We zouden het kunnen ‘switchen’ met koolstofdioxide”, zegt Zitha. “Dan slaan we twee vliegen in een klap, we winnen methaangas en komen van het koolstofdioxide af.”

Om die wissel te maken moet de druk om de ijslaag heen verlaagd worden. Maar ook weer niet teveel, want dan smelt het ijs en is in één klap alles weg. “Voorlopig zullen we in het laboratorium de condities voor het ontstaan van deze stof bestuderen”, aldus Zitha, die eigenlijk voornamelijk geïnteresseerd is in fundamenteel onderzoek.
Water splijten

Het onderzoek van fotokatalyse-expert dr.ir. Roel van de Krol (Technische Natuurwetenschappen), valt ook in de prijzen. Hij is de leider van het deelproject ‘Schonere lucht door zonlicht’ en betrokken bij het project ‘Van zon naar brandstof’. Van de Krol wil fotokatalysetechnieken met titaniumdioxide verbeteren. Titaniumdioxide kan, wanneer het door UV-licht is beschenen, allerlei reacties katalyseren. Zo kan het water splijten in zuurstof en waterstof. In Delft wordt hier al veel onderzoek naar gedaan door het Delft Research Center Sustainable Energy.

Voor het project ‘Van zon naar brandstof’ zoekt Van de Krol samen met projectleider dr. Guido Mul (TNW) een promovendus om aan een revolutionaire titaniumdioxidegebaseerde zonnecel te werken, die uit koolstofdioxide en water de brandstof methanol maakt. Ongeveer net zoals planten glucose synthetiseren. “Deze nieuwste generatie zonnepanelen zou je het beste bij kolencentrales kunnen ophangen, omdat die veel CO2 uitstoten”, aldus Van de Krol.

In zijn andere project moeten titaniumdioxidekristallen (bijvoorbeeld op panelen of stenen) stikstofoxiden, ook wel bekend als smog, uit de lucht vissen. Het gas hecht aan de kristallen en verandert in salpeterzuur. Na een flinke regenbui verdwijnt dit goedje in de goot. Het is minder schadelijk dan stikstofoxide.

Toch is de methode nog verre van ideaal. De onderzoeker denkt dat de kristallen beter werken als er wat ijzer en stikstofmoleculen in gestopt worden. In plaats van salpeterzuur ontstaan dan stikstofgas, zuurstof en water. “Het grote voordeel is dat je geen regen meer nodig hebt om het oppervlak af te spoelen en de kristallen te laten werken”, zegt Van de Krol. “En, het moet het kristal ook lichtgevoeliger maken, waardoor het ook op zichtbaar licht reageert.”

Kan heel Nederland dan geplaveid worden met speciale, luchtzuiverende stoeptegels? “Ondenkbaar is dit niet”, meent Van de Krol. “Maar ik denk eerder aan het coaten van geluidsschermen langs de snelwegen en tunnelwanden.”

In Japan worden gebouwen al voorzien van een laagje titaniumdioxide. Het spul zorgt er daar ook voor dat de gebouwen stof- en roetvrij blijven. Waterdruppeltjes die op de kristallen terechtkomen platten namelijk af . hun cohesiekracht wordt kleiner. Doordat ze een groter en dunner waterlaagje vormen, spoelen stof- en roetdeeltjes veel eerder weg.

Van de Krol wil de kristallen zo efficiënt maken, dat een laagje van een micrometer al voldoende is voor hun heilzame werking. “Je zou de kristallen dan in verf kunnen verwerken”, zegt hij. “Het is een toekomstdroom. Maar misschien is hij wel in minder dan twintig jaar te verwezenlijken.”
Uranium

Ook een op het eerste gezicht niet zo duurzame energiebron krijgt financiële steun. Kernenergie. “Die moeten we niet uit uranium halen”, zegt projectleider dr.ir. Jan Leen Kloosterman (TNW), “maar uit het radioactieve thorium. Uranium is zonder snelle kweekreactoren over een paar honderd jaar op. Maar met thorium kunnen we nog tienduizenden jaren voort.”

In de kerncentrale waar Kloosterman samen met Duitse en Amerikaanse collega’s aan rekent, de ‘Gesmolten Zout Kernreactor’, loopt de temperatuur op tot zo’n duizend graden Celsius. Vooralsnog bestaat hij alleen nog op de tekentafel. De hoge temperatuur ziet Kloosterman als een groot bijkomstig voordeel. “Met de warmte-energie van de koelvloeistof die de centrale uitkomt, kunnen we waterstofgas maken”, zegt hij. “De nog aan te stellen promovendus moet de warmteoverdracht tussen het koelmiddel en de centrale met computermodellen onderzoeken om te kijken hoeveel energie hiervoor overblijft.”

Waarom Shell zich voor het project interesseert, kan Kloosterman niet met zekerheid zeggen. “Ze hebben geen reden opgegeven.” Maar een vermoeden heeft hij wel. “Alle lichte en gemakkelijk te winnen olie is binnenkort verbruikt”, zegt hij. “Om de resterende, zwaardere olie te kraken, is steeds meer waterstofgas nodig. Bij het kraken worden de lange koolwaterstofketens in kleine stukken gebroken, waaruit vervolgens brandstoffen als diesel en benzine gemaakt worden. De waterstofatomen uit het waterstofgas hechten zich aan de opgebroken uiteinden.”

“Kijk naar de teerzanden in Canada waar Shell tegenwoordig ook olie vandaan haalt”, vervolgt Kloosterman. “Dat is bijna asfalt wat ze daar opgraven. Je hebt ontzettend veel waterstofgas nodig om daar benzine van te maken.”
De acht projecten

Van zon naar brandstof

Een zonnecel met titaniumdioxide moet uit koolstofdioxide en water de brandstof methanol maken. Handig om boven kolencentrales te hangen die veel CO2 uitstoten. Projectleider: dr. Guido Mul (Technische Natuurwetenschappen).

Schonere lucht door zonlicht

Gebouwen met een likje titaniumdioxideverf gaan in de toekomst wellicht smog te lijf. Wanneer titaniumdioxidekristallen licht vangen, breken ze stikstofoxiden af. Een promovendus onderzoekt of dit efficiënter kan. Projectleider: dr. ir. Roel van de Krol (Technische Natuurwetenschappen).

Duurzame productie van waterstof met de ‘Gesmolten Zout Kernreactor’

Een nieuw type kernreactor ligt op de tekentafel, de ‘Gesmolten Zout Kernreactor’. Deze werkt bij een temperatuur van bijna duizend graden. Die hitte komt goed van pas bij de productie van waterstofgas. Projectleider: dr.ir. Jan Leen Kloosterman (Technische Natuurwetenschappen).

Modelgebaseerde verkeersregeling

Verkeersmaatregelen dienen nu vooral de doorstroom van weggebruikers. Een intelligent verkeersstroommodel moet ook rekening gaan houden met uitstoot van fijnstof en uitlaatgassen.

Projectleider: dr. ir. Bart de Schutter (Werktuigbouwkunde, Martitieme Techniek en Materiaalwetenschappen).

Verbeterde prestatie en capaciteit van lithium-ionbatterijen (twee projecten)

De lithium-ionbatterij is een oplaadbare batterij waar onder andere hybride elektrische voertuigen op rijden. Door de structuur van het materiaal in de elektroden aan te passen, moet de batterij efficiënter worden. Een andere aanpak is de ontwikkeling van geheel nieuwe nanomaterialen voor de elektroden. Projectleiders: dr.ir. Marnix Wagemaker en dr.ir. Erik Kelder (Technische Natuurwetenschappen).

Duurzaam transport en duurzame opslag van droge bulkgoederen

Droge bulkgoederen zoals kolen, ijzererts en biomassa liggen tijdens transport vaak tijdelijk in grote hopen in de buitenlucht opgeslagen. Hierdoor komt stof vrij dat schadelijk is voor het milieu. Vooral in havens kan deze vervuiling een stuk minder, door betere logistiek en opslagmethodes. Projectleider: dr. ir. Dingena Schott (Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Materiaalwetenschappen).

Methaan uit gashydraten

Kilometers onder de oceaanbodem ligt een gigantische hoeveelheid methaangas opgesloten in ijs. Voordat dit gewonnen kan worden, moet meer bekend zijn over de structuur van dit bijzondere, brandbare ijs. Projectleider: dr. Pacelli Zitha (Civiele Techniek en Geowetenschappen).

(Foto’s: Hans Stakelbeek/FMAX)