Nederlandse wetenschappers werken mee aan internationaal klimaat- en energieonderzoek

Schoon fossiel

De Technische Universiteit Delft en het Energieonderzoekscentrum Nederland (ECN) in Petten werd gevraagd om nieuwe membraanreactoren te ontwikkelen om de productie van waterstof uit fossiele brandstoffen veel efficiënter te laten verlopen en het broeikasgas CO2 dat daarbij ontstaat, af te scheiden. Uiteindelijk gaat het om het oplossen van één van de belangrijkste milieuvraagstukken van deze tijd: hoe beperken we de emissies van broeikasgassen, in het bijzonder CO2, zonder de economische ontwikkeling van de wereld in gevaar te brengen?

TEKST: ANTON BUYS | FOTO'S: WILLEM BLAUW

In de werkkamer van prof.dr. Joop Schoonman (62) in Delft staat een klein model van een elektromotor, die voor zijn stroomvoorziening van een brandstofcel afhankelijk is. De brandstofcel gebruikt waterstof uit een opslagtankje en zuurstof uit de lucht om de benodigde elektriciteit te leveren. Prof. Schoonman overhandigt zijn bezoeker het tankje, voordat hij een korte demonstratie van de werking geeft. 'Zwaar hè?' We kunnen hem niet anders dan gelijk geven. 'Het is een metaalhydride, gebaseerd op ijzer-titanium, een verbinding tussen deze legering en waterstof. 'Als we dit als opslagmedium voor auto's willen gebruiken gaat de wagen geheid door z'n wielen.
We hebben dus echt iets anders nodig voor de opslag van waterstof voor mobiele toepassingen.'

Duurzame energiebronnen | De werkende brandstofcel in zijn werkkamer vormt een goede illustratie van Schoonman's passie: schone energie. Bekend is hij om zijn onderzoek naar duurzame energiebronnen, waarbij hij altijd een speciale belangstelling aan de dag heeft gelegd voor kleinschalige decentrale toepassingen. Hij stond aan de wieg van het in 1997 opgerichte Delft Interfacultair OnderzoeksCentrum (DIOC), dat zich richtte op de conversie en opslag van duurzame energie. Zijn 'droom', zoals hij het zelf omschrijft, was en is de ontwikkeling van decentrale oplossingen: zonnecel- en windturbinesystemen met een voldoende hoog rendement voor woningen en gebouwen, herlaadbare lithium-ion batterijen met een veel hogere capaciteit dan de lood-zuur accu, die we bijvoorbeeld in onze auto's aantreffen en het gebruik van waterstof als alternatieve energiedrager.
Kenmerkend voor al deze toepassingen is het gebruik van nanotechnologie. Daar ligt ook het verband met het nieuwste energieonderzoeksinitiatief, waarbij professor Schoonman is betrokken: het internationale Global Climate and Energy Project (GCEP) van de Universiteit van Stanford in Californië. Dit is een ambitieus fundamenteel wetenschappelijk onderzoeksprogramma naar werkbare en economische methoden om de uitstoot van broeikasgassen te beperken zonder de energievoorziening en – dus – de economische ontwikkeling van de wereld in gevaar te brengen. Stanford coördineert GCEP. ExxonMobil sponsort samen met enkele andere grote concerns het onderzoekswerk.
Het geheel bestaat uit een reeks deelprojecten, die tot nu toe uitsluitend waren uitbesteed aan Amerikaanse onderzoeksinstellingen. Dit voorjaar werd bekend dat ook niet-Amerikaanse wetenschappelijke instituten aan het onderzoek gaan meewerken. De Technische Universiteit Delft en het Energieonderzoekscentrum Nederland (ECN) in Petten werd gevraagd om nieuwe membraanreactoren te ontwikkelen om de productie van waterstof uit fossiele brandstoffen veel efficiënter te laten verlopen en het broeikasgas CO2 dat daarbij ontstaat, in-situ af te scheiden.

Kleinste bouwstenen | Het valt niet mee aan een geïnteresseerd publiek van leken uit te leggen wat dit onderzoek precies inhoudt. Alle betrokken wetenschappers dalen af tot de kleinste bouwstenen van de natuur om precisiemethoden te ontwikkelen, waarmee veel efficiënter waterstof kan worden geproduceerd dan met de huidige grootschalige productietechnieken, zoals het stoomkraken, waarbij veel energie moet worden gebruikt om waterstofmolekulen uit koolwaterstofverbindingen te bevrijden en bovendien een grote hoeveelheid kooldioxide vrijkomt. Professor Schoonman en zijn medewerkers houden zich in dit verband bezig met keramische membranen. Een van zijn Delftse collega's, dr. Cor Peters, bekijkt de mogelijkheden van vloeistofmembranen om efficiënt CO2 af te scheiden. Het ECN/ GCEP-projectteam ten slotte, dat onder leiding staat van ir. Daan Jansen en dr. W.G. Haije, richt zich met hetzelfde doel op een derde type membraan, gemaakt van hydro-talciet, een kalkachtige stof.

Personalia
Professor Schoonman is vaste-stof-chemicus en gespecialiseerd in nano-technologie. In 1967 studeerde hij als chemicus af aan de Universiteit van Utrecht. Sinds 1984 werkt hij als hoogleraar anorganische chemie in Delft. Momenteel is hij wetenschappelijk directeur van het Delft Instituut voor Duurzame Energie. Sinds enige tijd bekleedt professor Schoonman ook een leerstoel in Leiden. Hij is een internationaal befaamd wetenschapper, die gastcolleges gaf aan het beroemde Massachusetts Institute of Technology en aan de universiteit die hij 'zijn tweede huis' noemt: Stanford in Californië.

Bevlogen | Prof. Schoonman laat zich direct kennen als een bevlogen docent als we hem vragen uit te leggen hoe de waterstofmoleculen in keramische membranen worden gescheiden en wat er moet gebeuren voordat dit proces naar behoren werkt. Hij loopt naar het schoolbord dat in zijn werkkamer hangt, schrijft een aantal scheikundige formules op en begint enthousiast te vertellen. 'In een stoomkraker wordt de waterstof geproduceerd door hete stoom met methaan, aardgas, te laten reageren. Daarbij ontstaat een mengsel van koolmonoxide en waterstof. Wij vangen die waterstof af door het gasmengsel door een membraan met microscopisch kleine gaatjes, poriën, te voeren. De kleine openingen in dit zogenaamde nanoporeuze membraan laten de waterstofmoleculen door, maar houden koolmonoxide tegen. Om dit voor elkaar te krijgen moeten we de poriën nog kleiner maken dan ze van zichzelf al zijn. Dat doen we door atoomlaagjes af te zetten op de binnenwand van de poriën, totdat ze de juiste diameter hebben, ongeveer een halve nanometer. Dit proces hebben we overigens succesvol getest in eerdere experimenten met zonnecellen.' De doelstelling van dit GCEP-project is een reactor te ontwikkelen met een buisvormig keramisch membraan, dat moet werken onder temperaturen van ongeveer 500 graden om compatibel te zijn met het stoomkraken. Bovendien mogen de poriën van het membraan niet dichtslibben.
Even later staan we met professor Schoonman in een clean room bij een proefopstelling. 'Hier testen we onder meer de werking van onze keramische membranen. Het is onze taak de waterstof in-situ efficiënt en met zo min mogelijk energieverbruik te scheiden van het gasmengsel. Uiteindelijk moet dit in het groot kosteneffectief nagebootst kunnen worden. Pas dan zijn we er.'

Ir. Daan Jansen (ECN)
<We gaan proberen het afvangen van de CO2 zo te optimaliseren dat de membraanstructuur stabiel blijft.>

Ionische vloeistoffen | Prof. Schoonman en zijn medewerkers concentreren zich zoals gezegd op de productie van schone waterstof. De andere onderdelen van het Nederlandse GCEP-project hebben te maken met het scheiden van CO2, nodig om het op te kunnen slaan. Deze drie stappen samen vormen de ingrediënten van het schone gebruik van fossiele brandstoffen, dat wil zeggen (nagenoeg) zonder emissie van broeikasgassen.

Dr. ir. Cor Peters houdt zich binnen de wetenschappelijke staf van de TU Delft hiermee bezig. Hij doceert behalve in Delft ook aan het Center of Excellence of Tohoku University, Sendai in Japan en weet alles van ionische vloeistoffen. Bijna alles moeten we zeggen, want zijn onderzoek in het GCEP-kader moet een aantal vraagstukken oplossen, die samenhangen met de membraaneigenschappen van dit type vloeistoffen.
'Kenmerkend voor ionische vloeistoffen is dat ze niet verdampen. Daardoor zijn ze bijzonder stabiel. Je kunt dergelijke vloeistoffen heel lang bewaren; ook na tientallen jaren is de samenstelling niet veranderd. Dat is belangrijk voor ons, omdat daardoor ook de werking stabiel blijft.Wij zoeken naar ionische vloeistoffen waarin kooldioxide goed oplost, maar waterstof niet.
Op basis van dit verschijnsel kunnen we de CO2 scheiden. Als u beseft dat er meer dan drie miljard ionische vloeistoffen bekend zijn, dan weet u ongeveer hoe groot de puzzel is die we moeten oplossen om de best werkende soort te vinden. Eigenlijk is het een heel nieuw terrein. We weten nu in ieder geval in welke hoek we het niet moeten zoeken. Wat we nodig hebben is iets dat thermisch heel stabiel is bij een temperatuur van circa 500 graden. We hebben onszelf een jaar gegeven om met iets werkbaars te komen.'

Nieuw membraan | Voor het derde luik van het GCEP-onderzoek moeten we naar de duinen in de kop van Noord-Holland. Daar ligt bij het plaatsje Petten het Energieonderzoek Centrum Nederland. De ongeveer 650 ECN-medewerkers houden zich bezig met energievraagstukken in de ruimste zin van het woord. Behalve naar vervangbare energiebronnen zoals zon en wind gaat de belangstelling van het onderzoeksinstituut ook uit naar het schoon gebruik van fossiele brandstoffen.
Ir. Daan Jansen is programma- en kennismanager in de unit "Schoon Fossiel", die verantwoordelijk is voor dit deel van het energieonderzoek. In tegenstelling tot het onderzoek in de sectie van prof. Schoonman, waar het draait om het introduceren van geavanceerde, nanogestructureerde keramische scheidingsmembranen, richten de onderzoekers zich bij ECN op de ontwikkeling van een geheel nieuw type membraan dat is gemaakt van het mineraal hydro-talciet, een poreuze korrelige kalksteensoort. 'We hebben hier al veel ervaring opgedaan met het onderzoek naar verschillende membraanmaterialen', legt Daan Jansen uit. 'Hydro-talciet is een uitstekende adsorbent van kooldioxide. Het weer scheiden van de aan de hydrotalciet geadsorbeerde CO2 is betrekkelijk eenvoudig. Dat kan door het verlagen van de druk en het toevoegen van stoom. Het is onze taak een nieuwe reactor te ontwikkelen op basis van een membraan dat van deze of vergelijkbare stoffen is gemaakt. Op dit moment veroorzaakt het proces van het adsorberen en desorberen van de kooldioxide in membranen die van dit materiaal zijn gemaakt, veel mechanische "stress". Dit heeft te maken met het veranderen van de samenstelling van het materiaal, waardoor het krimpt en zwelt, en met het drukverschil aan beide zijden van het membraan. Daardoor loopt het schade op. Wij gaan dit verschijnsel onderzoeken en proberen het afvangen van de CO2 zo te optimaliseren dat de membraanstructuur stabiel blijft. U moet daarbij denken aan het ontwerpen van een drager, zoals een buis, die de benodigde mechanische sterkte geeft.'
Het membraanonderzoek vindt, net als in Delft, plaats in een proefopstelling. Daan Jansen legt ons de werking ervan uit. 'Dit apparaat is eigenlijk ontworpen voor onderzoek naar waterstofafscheiding. Het kan exact meten hoeveel CO2 van de overige gassen wordt gescheiden; tegelijkertijd kunnen we er de werking van buisvormige membranen, bijvoorbeeld die van hydro-talciet, mee testen, maar desgewenst ook de keramische membranen uit Delft.'

Dr. ir. Cor Peters (TU Delft)
<Wij zoeken naar ionische vloeistoffen waarin kooldioxide goed oplost, maar waterstof niet.>

Van duurzaam naar fossiel | Het onderzoek naar membraantechnologie is fundamenteel, maar uiteindelijk gaat het om het oplossen van een van de belangrijkste milieuvraagstukken van deze tijd: hoe beperken we de emissies van broeikasgassen, in het bijzonder CO2, zonder de economische ontwikkeling van de wereld in gevaar te brengen? Het blijkt dat de GCEPonderzoekers hier uitgesproken opvattingen over hebben. Even keren we daarvoor nog terug naar Delft. Joop Schoonman, die een belangrijk deel van zijn wetenschappelijke carrière aan het zoeken naar duurzame schone energietechnologie heeft gewijd, beseft ook dat het op termijn zonder fossiele brandstoffen niet gaat: 'We gaan eerst naar een wereld van "schoon fossiel".
Daarvoor hebben we nieuwe veilige opslagmethoden voor waterstof nodig, ontwikkeld op basis van nanotechnologie en een structurele oplossing voor het CO2-vraagstuk. Fundamenteel onderzoek zoals in het kader van GCEP is daarbij onmisbaar, omdat de toekomstige ontwikkeling na schoon fossiel in belangrijke mate op waterstof, als energiedrager, gebaseerd zal zijn.'