7 oktober 2015
Solar fuels-onderzoeker Gerard van Rooij en zijn team werken aan omzetting van het broeikasgas CO2 in nieuwe, schone brandstof. In een paper voor de Faraday-conferentie van de Royal Society of Chemistry laat de groep van FOM-instituut DIFFER, RU Nijmegen en TU Eindhoven zien hoe hun plasma-techniek om CO2 op te breken een hoger rendement kan halen dan mogelijk is in een thermische omzetting. Met een energierendement van 50% hebben ze de eerste stap gezet om CO2 te recyclen tot een duurzame energiedrager.
Publicatie: Taming microwave plasma to beat thermodynamics in CO2 dissociation
G. J. van Rooij et.al, Faraday Discussions
Om nieuwe brandstof te maken van CO2 moet je het molekuul eerst opbreken en er koolmonoxide van maken. Die 'omgekeerde verbranding' van CO2 kost energie: de uitdaging is efficiëntie. Simpelweg de temperatuur opvoeren en de molekulen hard laten botsen werkt, maar is inefficiënt. De brokstukken houden een hoge temperatuur en die energie gaat voor het proces verloren.
Van Rooij: "In een plasma kun je de losse elektronen en molekulen afzonderlijk beïnvloeden. We zijn op zoek naar een onontgonnen gebied in dit veld: de niet-evenwichtstoestand waarbij de elektronen razendsnel rondvliegen maar de molekulen zelf nauwelijks snelheid hebben." Botsingen met die hete elektronen laten de CO2-molekulen in stapjes aan stukken trillen. Omdat de zware molekulen zelf niet in verhit worden, verspilt deze route energie. De crux is om tegelijkertijd de molekulen koud te houden en de elektronen heet te krijgen, maar niet té heet: dan knallen ze de molekulen in één botsing aan stukken en gaat weer veel energie verloren.
Tevreden is het team nog niet, want uit de metingen blijkt dat ook in hun plasma harde botsingen tussen molekulen nog het belangrijkste mechanisme zijn dat CO2 opbreekt. Snelle elektronen die het CO2 stuk laten trillen vormen dus nog niet de hoofdmotor van het proces.
Van Rooij: "In vervolgonderzoek gaan we steeds verder het niet-evenwichtsgebied in, bijvoorbeeld door bewust verontreinigingen toe te voegen aan het plasma. Die zorgen dat de elektronen al vrijkomen bij lagere temperaturen, zodat er minder energie verloren gaat." Met dat niet-evenwichtseffect zijn rendementen tot 90% mogelijk.
Gerard van Rooij: "het einddoel van dit onderzoek is dat we CO2 en water uit de atmosfeer halen en daar met schone energie brandstof van maken. Als we die brandstof later gebruiken, komt de opgeslagen energie én het originele CO2 en water weer vrij en begint de cyclus opnieuw."
Solar fuels-onderzoeker Gerard van Rooij en zijn team werken aan omzetting van het broeikasgas CO2 in nieuwe, schone brandstof. In een paper voor de Faraday-conferentie van de Royal Society of Chemistry laat de groep van FOM-instituut DIFFER, RU Nijmegen en TU Eindhoven zien hoe hun plasma-techniek om CO2 op te breken een hoger rendement kan halen dan mogelijk is in een thermische omzetting. Met een energierendement van 50% hebben ze de eerste stap gezet om CO2 te recyclen tot een duurzame energiedrager.
Publicatie: Taming microwave plasma to beat thermodynamics in CO2 dissociation
G. J. van Rooij et.al, Faraday Discussions
Solar fuels: brandstof zonder fossiel
Geen fossiele brandstof meer hoeven winnen en netto geen CO2 uitstoten, wél de gemakken van aardgas of benzine: dat is in het kort het doel van solar fuels-onderzoek. Onze huidige energieinfrastructuur draait voor 80% op zulke lang houdbare en energierijke chemische brandstoffen. Kunstmatige brandstof maken met wind- of zonnestroom door CO2 te hergebruiken in een circulaire economie is dan ook de heilige graal van het moderne energieonderzoek.Om nieuwe brandstof te maken van CO2 moet je het molekuul eerst opbreken en er koolmonoxide van maken. Die 'omgekeerde verbranding' van CO2 kost energie: de uitdaging is efficiëntie. Simpelweg de temperatuur opvoeren en de molekulen hard laten botsen werkt, maar is inefficiënt. De brokstukken houden een hoge temperatuur en die energie gaat voor het proces verloren.
Stuktrillen
Het team van Plasmafysicus Gerard van Rooij zocht een andere route om CO2 op te breken met een specialisme van DIFFER: ze ioniseren het CO2 deels en maken er plasma van - geladen gas. In die toestand komen er snelle, lichte elektronen los van de veel zwaardere atomen in het CO2.Van Rooij: "In een plasma kun je de losse elektronen en molekulen afzonderlijk beïnvloeden. We zijn op zoek naar een onontgonnen gebied in dit veld: de niet-evenwichtstoestand waarbij de elektronen razendsnel rondvliegen maar de molekulen zelf nauwelijks snelheid hebben." Botsingen met die hete elektronen laten de CO2-molekulen in stapjes aan stukken trillen. Omdat de zware molekulen zelf niet in verhit worden, verspilt deze route energie. De crux is om tegelijkertijd de molekulen koud te houden en de elektronen heet te krijgen, maar niet té heet: dan knallen ze de molekulen in één botsing aan stukken en gaat weer veel energie verloren.
Theoretisch maximum voorbij
Het theoretische maximumrendement voor simpelweg verhitten van het hele CO2-gas (de 'evenwichtsreactie' is dat 42% van de energie wordt gebruikt om CO2 op te breken. In de Faraday-paper beschrijven de onderzoekers dat ze die limiet al iets voorbij gaan met hun plasmatechniek; de beste resultaten halen bijna 50%.Tevreden is het team nog niet, want uit de metingen blijkt dat ook in hun plasma harde botsingen tussen molekulen nog het belangrijkste mechanisme zijn dat CO2 opbreekt. Snelle elektronen die het CO2 stuk laten trillen vormen dus nog niet de hoofdmotor van het proces.Van Rooij: "In vervolgonderzoek gaan we steeds verder het niet-evenwichtsgebied in, bijvoorbeeld door bewust verontreinigingen toe te voegen aan het plasma. Die zorgen dat de elektronen al vrijkomen bij lagere temperaturen, zodat er minder energie verloren gaat." Met dat niet-evenwichtseffect zijn rendementen tot 90% mogelijk.
Brandstof maken met Fischer-Tropsch
Om het geproduceerde CO verder te bewerken tot gebruiksklare brandstof zijn nog vervolgstappen nodig: het in de industrie goed ingeburgerde Fischer-Tropschproces. "Vanaf 80% energierendement in de plasmastap kunnen we concureren met dé benchmark in dit gebied, namelijk waterstof produceren via elektrolyse", schetst DIFFER-directeur Richard van de Sanden: "En niet alleen vanwege de efficiency. Bedenk je goed dat een elektrolyseopstelling voor CO2 op hoge temperatuur werkt. Als je daarmee snel wilt inspelen op pieken in de stroomproductie, moet die apparatuur altijd heet stand-by staan. Een plasma produceer je binnen een seconde vanaf een koude start en is daarmee flexibeler."Gerard van Rooij: "het einddoel van dit onderzoek is dat we CO2 en water uit de atmosfeer halen en daar met schone energie brandstof van maken. Als we die brandstof later gebruiken, komt de opgeslagen energie én het originele CO2 en water weer vrij en begint de cyclus opnieuw."
Go to the News page.