Als onderdeel van de Klimaatakkoorden van Parijs moeten we de uitstoot van CO2 in de atmosfeer verminderen. Eén manier om dit te doen, en tegelijk duurzame brandstoffen te produceren, is CO2-moleculen te splitsen in koolmonoxide (CO) en zuurstof. De CO kan dan worden gebruikt om brandstoffen te maken voor de luchtvaart en de verwerkende industrie. Voor zijn promotieonderzoek heeft Alex van de Steeg in detail bestudeerd hoe plasma’s bij hoge temperatuur CO2 splitsen in CO. Zijn resultaten wijzen erop dat plasma’s een aantrekkelijke manier zijn om in de toekomst duurzame brandstoffen te maken. Van de Steeg promoveerde op 1 maart cum laude bij de faculteit Technische Natuurkunde.
Om de chemische bindingen in CO2-moleculen te splitsen, is warmte nodig. Een manier om deze warmte te verkrijgen is uit plasma’s, en het is al lang bekend dat plasma’s CO2 efficiënt kunnen splitsen, dankzij 40 jaar oud onderzoek uit de Sovjet-Unie.
“De problemen met het klimaat en broeikasgassen hebben ervoor gezorgd dat dit oude onderzoek opnieuw in de aandacht staat van wetenschappers”, zegt Alex van de Steeg, onderzoeker in de Elementary Processes in Gas Discharges-groep van de faculteit Applied Physics.
Hoe interessant het oude onderzoek ook is, het heeft ook tot verwarring geleid. “Het blijkt namelijk erg lastig om de resultaten uit het verleden te reproduceren”, merkt Van de Steeg op. “Recente experimenten met CO2-plasma’s hebben bijvoorbeeld aangetoond dat hogere temperaturen nodig zijn, boven de 3000 kelvin (K) om precies te zijn. Maar het oude onderzoek geeft aan dat splitsing al bij lagere temperaturen kan plaatsvinden.”
Motivatie voor nieuwe methoden
Onenigheid tussen de resultaten uit het verleden en recente pogingen om ze te repliceren waren een belangrijke motivatie voor het onderzoek van Van de Steeg, dat hij bij DIFFER uitvoerde onder supervisie van Gerard van Rooij en Richard van de Sanden en in samenwerking met de Universiteit Maastricht en Shell.
“Om beter te begrijpen hoe CO2 in een plasma splitst, hebben we nieuwe manieren ontwikkeld om CO2-plasma’s te bestuderen. Deze worden in een magnetron opgewekt met behulp van zogeheten laser scattering diagnostics“, zegt Van de Steeg. “Hierbij wordt een intense laserstraal op het plasma gericht en wordt vervolgens het verstrooide licht gemeten. Op deze manier kunnen we tijd- en ruimte-informatie verzamelen over de temperatuur en samenstelling van het plasma.”
Metingen aan het CO2-plasma leverden informatie op over de chemische en fysische processen die optreden tijdens het splitsen van de moleculen. Bovendien kregen de onderzoekers een nieuwe kijk op de extreme omstandigheden in CO2-plasma’s. “De temperatuur van het plasma bedraagt meer dan 6000 K, wat heter is dan het oppervlak van de zon”, merkt Van de Steeg op.
Door het plasma te onderzoeken konden Van de Steeg en de onderzoekers ook een kaart van het plasma maken, die ze vervolgens combineerden met een numeriek model. “Zo konden we de reactiesnelheden en de moleculen die bij die reacties betrokken zijn, in verschillende delen van het plasma identificeren. Het blijkt dat de chemische reactiviteit afhankelijk is van zeer hoge temperaturen, wat in tegenspraak is met de resultaten uit het verleden. Voorheen hadden we deze informatie niet, dus het hebben van deze gegevens is belangrijk.”
Reacties tellen
Bovendien onthulde Van de Steeg de chemische reacties die de meeste CO produceerden, en daarmee ook het potentieel om meer brandstoffen te produceren.
“Twee reacties leiden tot bijna alle splitsingen: botsingen van CO2-moleculen met andere moleculen in het plasma, en de bundeling van O en CO2 (bekend als associatie) die uiteindelijk leidt tot CO en O2“, zegt Van de Steeg.
En het is de tweede reactie die zou kunnen leiden tot een toename in de energie-efficiëntie van thermische CO2-reactoren. “De maximale efficiëntie zonder O-CO2-associatie ligt net boven de 50 procent, wat stijgt tot maar liefst 70 procent wanneer we ze wel meenemen. Dat ligt dicht bij de rendementen die 40 jaar geleden in de Russische experimenten werden bereikt.”
Er is veel energie nodig om de plasmareacties op gang te brengen, maar die energie wordt meer dan gecompenseerd door de CO-moleculen te gebruiken voor het maken duurzame brandstoffen, zegt Van de Steeg “Dus in plaats van olie uit bronnen te halen om fossiele brandstoffen te produceren, kunnen we brandstoffen maken met behulp van de CO2 die al in de atmosfeer zit als gevolg van de verbranding van brandstoffen in het verleden. Het is een soort cirkelvormig proces.”
Toekomstige brandstoffen
Van de Steeg is erg optimistisch over waar deze bevindingen toe kunnen leiden. “Met deze bevindingen en een zorgvuldig reactorontwerp liggen hoge energierendementen binnen handbereik, wat betekent dat plasmasplitsing een aantrekkelijke technologie kunnen zijn voor de energietransitie.”
En wat het nog aantrekkelijker maakt, is de beschikbaarheid van grootschalige microgolfstralingsapparatuur die nodig is om CO2 te splitsen met behulp van plasma’s. Nu er veel CO2 in de atmosfeer zit en de technologie voorhanden is, lijkt het slechts een kwestie van tijd totdat onderzoek zoals dat van Van de Steeg helpt om in de toekomst brandstoffen uit CO2 te produceren.
Titel van PhD-thesis: “Insight into CO2 dissociation kinetics in microwave plasma using laser scattering”. Promotors: Gerard van Rooij en Richard van de Sanden.
