Van afval tot grondstof

‘Normaal hou ik meer van iets soberdere ontwerpen, maar deze heb ik cadeau gekregen’, lacht Marleen Ramakers (Universiteit Antwerpen). We kijken naar een vrij onooglijke, dinosaurusachtige klauw, die een bolvormige plasmalamp vasthoudt. Je verwacht zo’n lamp eerder ter sfeerschepping op een paranormaalbeurs dan op de universiteit. Toch is er een goede verklaring voor waarom het ding achter Ramakers’ bureau staat. Plasma, ook wel de vierde aggregatietoestand genoemd, speelt een cruciale rol in Ramakers’ onderzoek.

De bliksem en de zon zijn voorbeelden van natuurlijke plasma’s. Dichter bij huis vinden we het in plasmatv’s en neonverlichting. Een plasma is een geïoniseerd gas. In een gas houden de positief geladen atoomkernen en de negatief geladen elektronen errond elkaar in evenwicht. Door energie toe te voegen aan een gas – bijvoorbeeld door het op te warmen – worden sommige elektronen losgeslagen en bewegen geladen deeltjes (ionen) en elektronen vrij rond. Dat maakt een plasma erg reactief. Het is daarmee geschikt voor chemische omzettingen waarvoor veel energie nodig is, zoals het breken van de bindingen tussen koolstof en zuurstof in CO₂-moleculen. Anders gezegd: met behulp van een plasma zet Ramakers CO₂ om in iets nuttigs.

Power-to-liquid

Daarvoor gebruikt ze een nieuw type reactor, een zogenoemde ‘gliding arc plasmatron’. In een cilindervormige reactor wordt een plasma gecreëerd door een hoge elektrische spanning aan te leggen. Enkel een lichtschijnsel zichtbaar aan het uiteinde van de reactor verraadt dat er binnenin iets bijzonders gebeurt. Onder invloed van een spanning tot 800 volt bereikt het plasma temperaturen tot lokaal tegen de 3.000 graden Celsius.

Koolstofdioxide dat in contact komt met het plasma, wordt omgezet in zuurstof en koolstofmonoxide. ‘Door er nog een bron van waterstofatomen aan toe te voegen – waterstofgas of methaan – kun je met CO vloeibare brandstoffen maken’, legt Ramakers uit. De techniek kan dienen om overtollige elektriciteit, geproduceerd op momenten met veel zon en wind, op te slaan als brandstof.

In de overgang naar een energiesysteem waarin hernieuwbare bronnen een grotere rol spelen, vormt stroomoverschot opslaan een belangrijke uitdaging. Met haar zogeheten power-to-liquid-technologie formuleert Ramakers daar een antwoord op. Een andere piste is power to gas, waarbij je elektriciteit opslaat als waterstofgas. ‘Vloeibare brandstoffen zijn echter makkelijker en veiliger op te slaan dan waterstof’, zegt Ramakers.

Industrie

Voor dat op industriële schaal gebeurt, moeten nog wat hindernissen worden overwonnen. Ramakers verbeterde de gliding arc plasmatron al. Door de diameter van de reactoruitlaat aan te passen, kon ze het contact tussen gas en plasma optimaliseren en zo de efficiëntie van het proces verhogen. Die ligt nu rond de 70 procent. ‘Veel beter dan andere technieken die hetzelfde beogen en daarbij doorgaans nog geen 20 procent halen’, aldus Ramakers. ‘Maar er is nog ruimte voor verbetering.’

Daarnaast wil Ramakers nagaan of de omzetting van CO₂ in brandstof in één stap kan, in plaats van in twee opeenvolgende. Er is ook nog onderzoek nodig naar de invloed van andere gassen op het proces. Bedrijven stoten zelden zuivere CO₂ uit, maar gasmengsels. En het hele proces moet natuurlijk worden opgeschaald.

Ramakers denkt dat er makkelijk nog meer dan tien jaar over kan gaan. Ze rolde in dit onderzoek uit bezorgdheid om de klimaatverandering. ‘Ik hoop dat mijn werk ertoe kan bijdragen dat de industrie in de toekomst CO₂ als grondstof gebruikt, in plaats van het uit te stoten. Plasma zou zo drie problemen tegelijk kunnen aanpakken: de klimaatverandering, onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en de opslag van hernieuwbare energie.’

Marleen Ramakers

Marleen Ramakers (1991) behaalde in 2014 haar mastertitel in de chemie  aan de Universiteit Antwerpen. Momenteel doctoreert ze aan de onderzoeksgroep PLASMANT (Plasma, Laser Ablation and Surface Modelling Antwerp). In haar doctoraat zet ze haar onderzoek naar de omzetting van CO₂ in brandstof verder.
Met haar onderzoek haalde Ramakers de cover van het gerenommeerde vakblad ChemSusChem.