Hoe een bliksemflits de industrie klimaatneutraal kan maken

Onze industrie staat aan het begin van een grote energietransitie. We moeten afstappen van fossiele brandstoffen als belangrijkste energiebron en de CO2 uitstoot moet naar beneden. CO2 is namelijk een broeikasgas en de uitstoot ervan leidt tot de snelle opwarming van onze aarde. Dus in plaats van CO2 als afvalstof te dumpen in de atmosfeer, vangen we het aan de uitlaat en gebruiken we het als grondstof voor interessante producten. Het probleem wordt in dat geval de oplossing. Met behulp van plasma kunnen we CO2 omzetten naar waardevolle chemische producten zoals CO en methanol. CO wordt gebruikt in de staalindustrie en methanol is een biobrandstof.

Het grote voordeel van plasma’s is dat de opstarttijd van een proces minder dan een seconde duurt. Het is dus de ideale technologie om te koppelen aan de fluctuerende toevoer van hernieuwbare energie. Wind- en zonenergie zijn namelijk niet constant aanwezig. Als er veel zon en wind is hebben we een overschot aan energie en bij weinig een tekort.

Dus tijdens een zonnige winderige dag zetten we onze plasmareactoren meteen aan, en gebruiken het overschot aan energie om CO2 af te breken en energetische producten te produceren. Tijdens de donkere, windstille dagen kunnen de brandstoffen die gemaakt zijn met het plasma ingezet worden om onze industrie van energie en grondstoffen te voorzien. Daarom is het overschot aan hernieuwbare energie gebruiken om brandstoffen en producten te creëren, economisch interessanter en efficiënter dan de energie opslaan in batterijen.

Toen ik aan mijn doctoraatsonderzoek begon, vertelde Annemie Bogaerts, het hoofd van onze onderzoeksgroep PLASMANT aan de Universiteit Antwerpen, me dat we een van de eerste onderzoeksgroepen zijn die met gebruik van CO2 omzetting gestart zijn. Plasmareactoren in de industrie zijn nochtans niet nieuw. Een bekend voorbeeld is het Birkeland-Eyde proces: een grote plasmareactor die lucht naar salpeterzuur omzet, met een vermogen van 30 MegaWatt; ongeveer het vermogen van 300 duizend gloeilampen. Dit proces leidde tot wereldwijd de eerste industriële kunstmestproductie, nodig om de groeiende wereldbevolking te kunnen voeden.

Dus waarom hebben we nog geen grote plasmareactoren voor CO2 conversie met dit vermogen in de industrie? Omdat energie-efficiëntie en gerichte productie van chemicaliën (de “selectiviteit” van het proces) nog de grootste uitdagingen zijn van deze technologie voor CO2 omzetting. In onze onderzoeksgroep optimaliseren wij het proces door gericht reactorontwerp en het nauwkeurig in kaart brengen van de chemische processen in het plasma, met behulp van computersimulaties.

Mijn onderzoek focust zich op een complexe zijtak van plasmatechnologie: de plasmakatalyse. Dit betekent dat ik in mijn plasmareactor een katalysator steek. De katalysator zorgt ervoor dat er minder energie nodig is om een chemische reactie uit te voeren, en de compositie van de katalysator kan de selectiviteit van het proces verhogen. Net als plasma zijn katalysatoren reeds aanwezig in je dagelijkse leven. Tijdens je rit met de auto naar werk of school, heeft jouw autokatalysator schadelijke gassen zoals NOx omgezet naar N2 voor het in de lucht terechtkomt. In de plasmareactor zal de katalysator de chemische processen van het plasma beïnvloeden en het plasma zal de katalysator veranderen. Als beide effecten elkaar positief versterken, bereiken we synergie. Dit wil zeggen dat de uitkomst van het gecombineerde proces groter is dan de som van de twee processen apart. Er schuilt dus veel potentieel in plasmakatalyse, maar de techniek zit nog volop in de onderzoeksfase. De grootste vragen in het veld zijn: wat is de perfecte compositie van een plasmakatalysator? Hoe vergroten we de rol van de katalysator in het proces? Ik zoek mee de antwoorden op deze vragen. Dit doe ik door de wisselwerking van licht, plasma en een foto-katalysator (een speciaal soort halfgeleider die wordt geactiveerd door UV licht), te bestuderen. Licht speelt dus een centrale rol in mijn onderzoek.

Hoewel de techniek zich nog grotendeels in de onderzoeksfase bevindt, kan het een zeer belangrijke rol spelen in de energietransitie van onze industrie. Binnen het onderzoeksveld doen we er alles aan om deze techniek te optimaliseren en economisch interessant te maken. Onze overheid zal hier ook aan kunnen bijdragen. Gunstig belastingbeleid, zoals programma’s voor koolstofbeprijzing, zou kunnen helpen om de hoge operationele kosten te compenseren en de markt voor de productie van koolstofarme producten te stimuleren. Plasma’s zijn dus niet de enige oplossing, maar we zullen ons stralende steentje bijdragen. Dus kijk naar boven. Kijk naar de sterren en bedenk dat plasma’s de wereld een betere plek kunnen maken.