Groenere waterstof uit plasmareactor
Wil je de chemie verduurzamen, bijvoorbeeld met duurzame waterstof? Pers dan de elektrische energie van 2-3 grote windmolens en methaan samen in een buis van één meter en je maakt waterstof en andere grondstoffen voor de chemie, terwijl er geen CO2 vrijkomt. In het plasmalaboratorium van de Universiteit Maastricht krijgen Gerard van Rooij en zijn collega’s deze techniek aan de praat.
Tekst: Patrick Marx
De onderzoeksgroep Circular Chemical Engineering van de Faculty of Science and Engineering deelt mee in een subsidie van 34,5 miljoen euro die de 58 partners van het HyPRO-project in oktober van GroenvermogenNL kregen. Met bijdragen van de partners TNO en Sitech op de Brightlands Chemelot Campus hebben de Limburgse onderzoekers een budget van 5 miljoen euro.
Waterstof
HyPRO doet onderzoek naar de duurzamere productie van waterstof, een belangrijke grondstof voor de chemische industrie. Traditioneel haalt de chemische industrie waterstof (H2) uit aardgas (methaan, CH4) waarbij koolstof (C) vrijkomt als broeikasgas, koolstofdioxide en juist daarvan willen we af.
Plasma
Waterstof maken kan ook door de elektrolyse van water met groene stroom, waarbij het water in waterstof en zuurstof gesplitst wordt. “Waterstof uit elektrolyse is nog te duur, omdat er veel kostbare duurzame elektriciteit voor nodig is en de technologie nog niet volwassen is. Er is nog veel onderzoek nodig voordat je elektrolyse kunt opschalen naar een efficiënte en goedkope industriële schaal. Deze opschaling is het hoofddoel van HyPRO”, zegt Gerard van Rooij, hoogleraar plasmachemie van de onderzoeksgroep Circular Chemical Engineering.
De ontwikkeling van de productie van groene waterstof kost schaarse tijd. De chemische industrie op bijvoorbeeld Chemelot wil immers voor 2050 vergroenen. Daarom kijken van Rooij en zijn collega’s in HyPRO naar een alternatieve, sneller realiseerbare route: de productie van waterstof met plasmachemie.
“Met groene elektrische energie maken we van methaan een plasma van zo’n 2000 oC. Het CH4-molecuul valt dan uit elkaar in zijn onderdelen, koolstof en waterstof”, legt van Rooij uit. In hun laboratorium onderzoeken de wetenschappers het plasma in realtime. “Dat is onze specialiteit. Wereldwijd zijn we de enigen die dit voor elkaar krijgen.” De hoogleraar vertelt zijn verhaal bij een experimentele reactor, een dunne glazen buis waarin een plasma oplicht als een lichtzwaard uit de film Star Wars.
Kunststof
“Met een plasma haal je makkelijk waterstof uit methaan, maar dan houd je puur koolstof over. Op grote schaal heeft die koolstof nauwelijks waarde.” Van Rooij wil de koolstof nuttiger gebruiken, bijvoorbeeld als grondstof voor de productie van kunststoffen. “We kunnen de plasmareactie sturen zodat niet koolstof, maar etheen ontstaat. Etheen is de grondstof voor polyetheen, de meest gebruikte kunststof in de wereld. Je houdt dan minder waterstof over, maar krijgt er een waardevolle grondstof voor terug waar op grote schaal behoefte aan is.”
Een plasma is een gas met vrij bewegende elektronen. Je kunt een plasma maken door gasvormige moleculen te verhitten. Een klein percentage van de gasmoleculen (rode bollen in de figuur) laat dan elektronen (gele bollen) los. Als je deze elektronen blootstelt aan magnetronstraling, loopt hun temperatuur op tot 20.000 oC. De elektronen staan hun energie af aan het neutrale gas (blauwe bollen) dat verder opwarmt tot 2000 oC waarbij het molecuul uiteenvalt in brokstukken, zoals koolstof en waterstof.
De vorming van etheen in een plasmareactor is een extreem moeilijke opgave die de onderzoekers in hun laboratorium onder de knie kregen. “Koolstof en waterstof kunnen allerlei nieuwe moleculen vormen, welke dat zijn, is afhankelijk van de temperatuur. Voor de vorming van etheen is essentieel om het plasma binnen 100 microseconden af te koelen tot de juiste temperatuur.” Ter vergelijking, één keer met je ogen knipperen duurt 1000 keer langer.
Opschalen
De plasmareactor heeft nog lang niet de schaal die nodig is voor de industriële productie. De glazen testreactor heeft een vermogen van 10 kilowatt, wat overeenkomt met zo’n 10 keukenmagnetrons. In het lab leggen ingenieurs van UM, en haar partners TNO en Sitech, de laatste hand aan een groter model met een vermogen van 50 kilowatt terwijl een 100 kilowatt magnetron onderweg is. “We schalen de proefinstallatie niet stap voor stap op, maar tegelijkertijd op meerdere niveaus, om op tijd voor 2050 klaar te zijn.”
Op industriële schaal is een vermogen van 10-50 megawatt nodig. “Dat is de energie die 2-3 grote windmolens maken.” Opschalen betekent overigens niet per se enorm groeien in formaat. Een industriële plasmareactor is een relatief klein instrument, een uit de kluiten gewassen uitlaat met een knalpot.
Bij het methaan dat de onderzoekers gebruiken, denk je onmiddellijk aan aardgas dat nog steeds een fossiele brandstof is. Om klimaatneutraal te worden, mikken de onderzoekers voor hun techniek op industriële reststromen, bijvoorbeeld methaan dat vrijkomt uit een naftakraker, uit de chemische recycling van kunststoffen of uit de productie van biogas. “Zonder plasmatechnologie zouden we al dit methaan blijven verbranden en daardoor CO2 uitstoten. Met plasmatechnologie wordt deze gebruikt als grondstof voor producten en wordt het systeem enorm duurzamer.”
