Hernubare energiebronne soos son en wind het in die afgelope dekade groot veld gewen om “groen” energie aan die land se kragnetwerk te verskaf. Om selfonderhoudend te wees met die gebruik van hernubare elektrisiteit, is metodes nodig om energie te stoor, aangesien son- en windkrag natuurlikerwys fluktueer en nie konstante bronne van energie is nie.

Dit is een van die navorsingsgebiede wat by die Noordwes-Universiteit (NWU) ondersoek word, maar daar is baie meer wat son- en windenergie kan doen as om bloot elektrisiteit op te wek, sê Nicolaas Engelbrecht. Hy is ’n navorsingsingenieur by die Waterstof Suid-Afrika (HySA) Infrastruktuursentrum op die Potchefstroomkampus.

“Om elektriese energie in ’n vorm van chemiese energie om te sit, skep verskillende moontlikhede vir die produksie, stoor, gebruik en verhandeling van volhoubare brandstowwe en chemikalieë.  Een so ’n tegnologiese pad is die gebruik van hernubare energie om waterstof deur middel van waterelektrolise te genereer, en die waterstof en afval-CO2 (van enige bedryfsproses) in metaan om te sit.”

Nicolaas sê metaan is bekend vir sy hoë-energiedigtheid, skeeps- en pyplynvervoer op ’n industriële skaal, sy brandbaarheid om krag in gasturbines op te wek, en die onlangse gebruik as ’n e-brandstof (’n brandstof wat nie van fossielbrandstof kom nie en van hernubare bronne vervaardig word) in motors.

“Die feit dat die sintese van metaan CO2 – die vernaamste skuldige in wêreldwye kweekhuisgas-emissies – hergebruik, maak hierdie metaniseringsproses koolstofneutraal.”

Volgens hom is die konsep van die stoor van hernubare energie van so ’n aard dat metaan tydens ’n surplus van hernubare elektrisiteit geproduseer en gestoor word. Hy sê dat wanneer die vraag na elektrisiteit toeneem, of die son- en windpotensiaal besonder laag is, metaan in gasturbines verbrand word om ’n persentasie van die oorspronklike krag wat gestoor is, weer op te wek (netwerkbalansering). Eenvoudig gestel beteken dit dat hierdie proses ’n chemiese battery met megawatt-skaal potensiaal is.”

Skakel waterstof en CO2 in metaan om

HySA Infrastruktuur is ’n navorsingsentiteit by die NWU met prof Dmitri Bessarabov as direkteur, en fokus op die verwante infrastruktuur vir die produksie, stoor en verspreiding van waterstof.

’n Metaniseringstegnologie-demonstrator is onlangs by HySA ontwikkel, gebou en getoets. Die kern van die demonstrator is ’n mikro-vervaardigde reaktor wat die katalitiese reaksie vir die omsetting van waterstof en CO2 na metaan ondersteun.

Die reaktor is in samewerking met die Duitse Fraunhofer IMM-navorsingsinstituut gebou.

“Die reaktor bevat 1 800 mikrokanale wat hitte- en massaoordrageienskappe ondersteun wat nie normaalweg met konvensionele reaktortegnologieë moontlik is nie,” sê Nicolaas.

Die reaktor dien ’n dubbele doel as ’n hitteruiler, aangesien ongeveer 18% van die totale chemiese energie tydens die metaniseringsproses in hitte omgesit word, wat vir ander gebruike herwin kan word.

Nicolaas sê hoewel die metaniseringsproses net op ’n laboratoriumskaal gedemonstreer is, ’n prosesseringskapasiteit van amper 1 kilowatt (kW) met ’n oorkoepelende doeltreffendheid van tot 76% verkry is.

“Hierdie doeltreffendheid word as hoog beskou as die grootte van die reaktor wat hier ondersoek word, in ag geneem word. Die produksie van metaan is dus ’n lewensvatbare metode om hernubare energie in ’n chemiese vorm vir verskillende eindgebruikers te stoor.”

Ander navorsing met veel fasette word by HySA Infrastruktuur gedoen, soos die omskakeling van ’n beduidende gedeelte van 55 kW-fotovoltaïese sonenergie in hernubare waterstof by die NWU se Fakulteit Ingenieurswese.

Die fasiliteit het ’n stoorkapasiteit vir waterstof van ongeveer 4,5 megawatt-uur (MWh). Die energiepark ondersteun ook die stoor van waterstof in ander chemiese stowwe, soos langketting- organiese molekules met ’n beduidende stoorvermoë vir waterstof (LOHC’s), en daar is planne om in die toekoms ammoniak vir die stoor van waterstof as net so ’n belowende tegnologie te ondersoek.

Nicolaas sê dat HySA Infrastruktuur ook aktief by nagraadse studente-opleiding, navorsing en publikasie betrokke is, en derde partye en internasionale befondsing na die NWU lok.

“Ander projekte wat tans aan die gang is, sluit die suiwering van tipiese industriële en waterstofbevattende gasstrome, waterstofkompressie deur middel van elektrochemiese metodes, en vlamlose verbranding van waterstof vir hoëkwaliteitverhitting, asook veiligheidstoepassings, en ’n uitgebreide projekportefeulje oor hoë-energiedigtheid-LOHC’s in.”

Onlangse wetenskaplike publikasies wat met hierdie artikel verband hou:

N Engelbrecht, RC Everson, D Bessarabov. 2020. Thermal management and methanation performance of a microchannel-based Sabatier reactor/heat exchanger utilising renewable hydrogen. Fuel Processing Technology, 208:106508. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2020.106508

M du Toit, N Engelbrecht, SP Oelofse, D Bessarabov. 2020. Performance evaluation and emissions reduction of a micro gas turbine via the co-combustion of H2/CH4/CO2 fuel blends. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 39:100718. https://doi.org/10.1016/j.seta.2020.100718, 39:100718. https://doi.org/10.1016/j.seta.2020.100718

HySA se demonstrator vir hernubare waterstof-na-metaan-energie.

Nicolaas Engelbrecht, ’n navorsingsingenieur by HySA, sê dat daar baie potensiaal vir son- en windenergie benewens bloot elektrisiteit is.