‘Vlam die niet brandt’ moet brandstof en plastics produceren zonder CO2-uitstoot

‘Vlam die niet brandt’ moet brandstof en plastics produceren zonder CO2-uitstoot

Nieuw lab op Brightlands Campus voor onderzoek naar plasmatechnologie

15-12-2021

De klimaatdoelen zijn duidelijk: komende decennia moet de uitstoot van CO2 drastisch verminderen. Hoe moet dit in de chemische industrie, waar het verbranden van fossiele brandstoffen nog steeds een belangrijke energiebron is? Maastrichtse onderzoekers richten zich op een duurzaam alternatief: de elektrische plasmavlam. “We verwachten belangrijke doorbraken voor de energietransitie.”

Het is maar een kleine reactor, niet groter dan een schoenendoos, die in het vorige maand geopende Brightsite Plasmalab op de Brightlands Chemelot Campus in Sittard staat. Maar het doorkijkje naar binnen laat iets spectaculairs zien: een rood-oranje vlam van zo’n vijf- tot tienduizend graden Celsius. Deze is niet ontstaan door verbranding van brandstoffen, een proces waarbij het broeikasgas CO2 vrijkomt. Nee, deze zogeheten plasmavlam is opgewekt door elektriciteit. Een proces dat helemaal ‘schoon’ is wanneer de elektriciteit zelf duurzaam is opgewekt, bijvoorbeeld door windmolens of zonnepanelen. En bovendien geschikt voor het laten plaatsvinden van chemische reacties. Daarmee vormt de vlam een ‘groen’ alternatief voor de verbrandingsketel in de chemische industrie.

Toch wordt de techniek tot op heden niet of nauwelijks op grote schaal toegepast, hoewel zij al meer dan een eeuw bestaat, merkt Gerard van Rooij, sinds 2020 hoogleraar Plasmachemie aan de UM en hoofd van het lab, op. “Omdat fossiele brandstoffen altijd goedkoper waren dan elektriciteit, is het nooit als een serieuze optie gezien voor de industrie. Vergelijk het met de elektrische auto: die bestond al vóór de auto met verbrandingsmotor, maar toch werd er lange tijd niks mee gedaan.”

Magnetron

Momenteel ontbreekt het aan diepgaande kennis over de techniek. Het plasmalab moet daar verandering in brengen. “Gelukkig hoeven we niet vanaf nul te beginnen”, zegt Van Rooij. Zo is alle benodigde technologie en kennis voor het creëren van een plasmavlam al voorhanden. “In principe gebruiken we dezelfde technologie als in de magnetron thuis. Alleen verwarmt deze niet een hele oven, maar concentreren we de microgolven op een buis waarin zich een zogeheten plasma bevindt. Dit is een gas waarin sommige gasdeeltjes een elektron hebben verloren. Onder invloed van elektrische velden, in ons geval van de magnetronstraling, gaan de elektronen bewegen. Ze botsen vervolgens met hoge snelheden tegen moleculen aan, waarbij ze energie overdragen die chemische reacties mogelijk maken. Gedurende dit hele proces hoef je nergens energie uit fossiele brandstoffen te halen.”

Tot zover de theorie. Maar is de techniek ook geschikt voor efficiënt gebruik in de praktijk? Daar moeten de plasmareactoren in het nieuwe lab – vijf in totaal, waarvan er op dit moment al één werkzaam is – inzicht in bieden. “Met behulp van lasertechnieken kunnen we ‘in’ de vlam kijken, iets wat maar in weinig labs op de wereld gebeurt. Zo kun je achterhalen op welke plek in de plasmavlam bepaalde reacties het meest efficiënt verlopen, en bij welke temperaturen. Daar komt bij: we kennen de chemie op deze hoge temperaturen nog niet precies. Wellicht komen we nog onverwachte reacties tegen, die mogelijk ook nuttig zijn.”

Samen met twee universitair docenten, drie postdocs en drie promovendi, die speciaal voor het lab naar Maastricht kwamen, gaat Van Rooij  zich hier de komende jaren op richten. En ook studenten van de dit studiejaar gestarte bachelor Circular Engineering kunnen er onderzoek doen. Hierbij gaat het niet alleen om het opdoen van fundamentele kennis over plasmachemie, maar ook om het testen en verbeteren van mogelijke toepassingen voor de industrie. “Belangrijke vragen daarbij zijn hoe je de plasmavlam het beste onder controle kunt houden, en hoe je deze kunt inzetten op een voor de industrie relevante schaal”, aldus Van Rooij.

Waardevol CO2

Het lab staat dan ook open voor samenwerking met partijen uit het bedrijfsleven. De verwachting is dat dit intensief zal gebeuren, aangezien veel bedrijven hun CO2-uitstoot de komende decennia flink willen verminderen of zelfs naar nul terugbrengen. Al ziet Van Rooij naast duurzaamheid ook andere voordelen. “In de energietransitie wordt groene stroom steeds goedkoper ten opzichte van fossiele brandstoffen, wat de techniek financieel aantrekkelijker maakt.”

Bovendien maakt het andere chemie mogelijk, vervolgt hij. “Je zet het plasma in minder dan één milliseconde aan- of uit. En door de hoge temperaturen verlopen de reacties snel. Anders dan in een verbrandingsoven, kun je hierdoor kleine, snelle aanpassingen doen en krijg je veel meer controle over de eindproducten. Het is alsof je altijd met een olietanker hebt gevaren, en nu opeens een geavanceerde straaljager tot je beschikking hebt, die je snel en precies bijstuurt.”

Ook de benodigde grondstoffen zijn anders dan men in de huidige industrie gewend is: de plasmavlam kan ‘boosdoeners’ voor milieu en klimaat opwaarderen naar nuttige materialen. Zo kan CO2 omgezet worden in een ‘schone’ synthetische brandstof. “Helaas is dit nog een uitdaging met CO2 uit de atmosfeer. Om deze te gebruiken, moet je de CO2 uit de lucht filteren en concentreren, wat veel energie kost. Maar je kunt wel denken aan het gebruik van biogas: dat bestaat voor bijna de helft uit CO2.”

Recyclen

Daarnaast kan plasma stikstof opwaarderen naar kunstmest, en methaan eveneens naar schone brandstof, maar ook naar grondstoffen voor de productie van kunststoffen. En daarmee kan men makkelijker naar circulaire, duurzame processen gaan, zegt Van Rooij. “Methaan is een molecuul dat bij verschillende processen vrijkomt en op dit moment niet gebruikt kan worden als grondstof. Daarom verbrandt men het vaak maar, waardoor weer extra CO2 vrijkomt. Via plasmachemie kun je er plastics mee maken. En uit gerecycled plastic kun je weer methaan halen, waardoor je richting een gesloten cyclus gaat.”

Mocht de plasmavlam efficiënt blijken voor commerciële toepassingen, dan kan de techniek snel een vlucht nemen, denkt Van Rooij. “De benodigde technologie bestaat, is relatief goedkoop en je hebt er geen schaarse materialen voor nodig, zoals bijvoorbeeld bij de accu voor een elektrische auto. Dat betekent dat je het vrij gemakkelijk kunt opschalen.”

En dat hoeft zich dan niet alleen te beperken tot de chemische industrie. Omdat de plasmareactor relatief klein is en niet dag en nacht aan hoeft te staan, zou hij bijvoorbeeld ook lokaal aangesloten kunnen worden op een windmolen of zonnepark. Al moet de tijd leren wat de toepassingen zullen zijn, zegt Van Rooij: “Het is ontzettend interessant om dat van dichtbij mee te maken.”
 

Foto: Brightsite Center

Tags: wetenschap,plasma,plasmalab,duurzaam,CO2,circulair,chemelot,brightlands,chemelotcampus,brandstof,plastic,chemie

Voeg reactie toe

Klik hier voor onze privacyregels

Vanaf januari 2022 plaatst Observant alleen nog reacties van mensen wier naam bekend is bij de redactie.