ENGINEERINGNET.NL - In een paper voor de Faraday-conferentie van de Royal Society of Chemistry laat de groep van FOM-instituut DIFFER, RU Nijmegen en TU/e 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.
Geen fossiele brandstof meer hoeven winnen en netto geen CO2 uitstoten, maar wel de gemakken van aardgas of benzine: dat is in het kort het doel van solar fuels-onderzoek.
Om nieuwe brandstof te maken van CO2 moet je het molecuul eerst opbreken en er koolmonoxide van maken. Die 'omgekeerde verbranding' van CO2 kost energie. Simpelweg de temperatuur opvoeren en de moleculen hard laten botsen werkt, maar is inefficiënt. De brokstukken houden een hoge temperatuur en die energie gaat voor het proces verloren.
Er werd een andere route gezocht om CO2 op te breken door deze deels te ioniseren en plasma (geladen gas) van te maken. 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 moleculen afzonderlijk beïnvloeden. We zijn op zoek naar een onontgonnen gebied in dit veld: de niet-evenwichtstoestand waarbij de elektronen razendsnel rondvliegen maar de moleculen zelf nauwelijks snelheid hebben."
Botsingen met die hete elektronen laten de CO2-moleculen in stapjes aan stukken trillen. Omdat de zware moleculen zelf niet in verhit worden, verspilt deze route energie.
De crux is om tegelijkertijd de moleculen koud te houden en de elektronen heet te krijgen, maar niet te heet: dan knallen ze de moleculen in één botsing aan stukken en gaat weer veel energie verloren.
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 moleculen 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. Om het geproduceerde CO verder te bewerken tot gebruiksklare brandstof zijn nog vervolgstappen nodig: het in de industrie goed ingeburgerde Fischer-Tropschproces.
van Rooij: "het einddoel van dit onderzoek is dat we CO2 en water uit de atmosfeer halen en daarmee schone energie brandstof van maken. Als we die brandstof later gebruiken, komt de opgeslagen energie en het originele CO2 en water weer vrij en begint de cyclus opnieuw."
(bron en figuur: DIFFER)
