Je kunt beter warme plasma’s gebruiken om ammoniak te kraken voor groene waterstof dan koude plasma’s, aldus Antwerpse onderzoekers in Chemical Engineering Journal.
Ammoniak is een mogelijke drager om groene waterstof in op te slaan. Maar als je de waterstof weer uit het ammoniak wilt halen, dan moet je het kraken. Dat kan thermisch, maar dat gaat een beetje in tegen het duurzame idee van groene waterstof. Een andere optie is plasma. ‘Meestal gebruik je daar koude plasma’s voor’, vertelt Annemie Bogaerts, plasmaprofessor aan de Universiteit van Antwerpen. ‘Maar in koude plasma’s hebben de elektronen een te hoge energie om ammoniak efficiënt te dissociëren.’ Bogaerts en haar collega’s Igor Fedirchyk, Ivan Tsonev en Rubén Quiroz Marnef besloten daarom in te zetten op warme plasma’s (zie kader onderaan), mede omdat daar nog niet veel onderzoek naar gedaan was.
‘Warme plasma’s hebben een betere energie-efficiëntie, dat weten we al van andere toepassingen’, legt Bogaerts uit. ‘Bij warme plasma’s is de gastemperatuur hoger, maar je hebt tegelijkertijd een lagere elektronenenergie . Door de hoge plasmatemperatuur vinden er ook thermische reacties plaats, naast de normale elektronenactivatie.’ De onderzoekers vonden dan ook dat de omzetting van NH3 in stikstof en waterstof voornamelijk via thermische reacties plaatsvindt in deze warme plasma’s.
Geluk
De vele jaren ervaring die de groep van Bogaerts al heeft als het gaat om andere toepassingen van plasma – zoals CO2-conversie, CH4-conversie en NOx-vorming uit lucht voor duurzame kunstmestproductie – heeft geholpen in dit onderzoek. ‘We hebben een brede range aan condities getest met vier verschillende plasmareactors’, zegt Bogaerts. Daarbij haalden ze betere resultaten dan de hiervoor gepubliceerde studies. ‘Veel groepen hebben maar één plasmareactor, wij hebben het geluk dat we er meerdere hebben. Daardoor kunnen we verschillende soorten warme plasma’s gebruiken en uitvinden wat het beste werkt.’
Toch valt er nog veel winst te behalen volgens de Antwerpse hoogleraar. ‘Bij hogere vermogens zien we betere resultaten, maar het plasma wordt dan te heet waardoor de wanden van de reactoren beschadigd geraken. We zijn daarom op zoek naar nieuwe materialen.’ Een ander probleem is dat niet al het gas door het plasma gaat , maar dat een deel er langs beweegt omdat het plasma zich vooral in het centrum van de reactor bevindt, waardoor niet al het ammoniak wordt omgezet in waterstof.
Lees verder onder de afbeelding
Industrie
De uitdagingen lopen dus nog, maar het principe is wel gedemonstreerd. Iets anders dat Bogaerts nu graag zou zien gebeuren is dat ook deze toepassing van plasmatechnologie zijn weg vindt naar de industrie. ‘Ja, plasma’s presteren nu nog minder goed in termen van energiekost dan thermische katalyse voor de omzetting van ammoniak, maar een belangrijk detail is dat wij geen katalysatoren nodig hebben, wat de kosten ook weer drukt.’ Ze is er dan ook van overtuigd dat plasma een hoog potentieel heeft voor de chemische industrie. ‘Vooral met het oog op duurzaamheid: plasma werkt puur op basis van elektriciteit en kun je makkelijk aan en uit zetten.’ Het is dus compatibel met de fluctuerende stroomlevering die je ziet bij groene stroom: is er even minder beschikbaar, dan zet je een reactor simpelweg op pauze.
Hoewel in dit onderzoek enkel plasma werd bestudeerd zonder katalysator, werkt Bogaerts ook samen met de groep van Johan Martens, hoogleraar oppervlaktechemie en katalyse aan de KU Leuven. ‘Zij doen veel onderzoek rond katalyse en zoeken goedkopere katalysatoren voor het kraken van ammoniak’, legt Bogaerts uit. ‘We kijken samen naar de combinatie van plasma en katalyse, waarbij zijn groep ook modellen maakt om de totaalkost te berekenen.’
De ammoniakomzetting vindt dan eerst plaats via thermische katalyse, waarna de conversie wordt opgehoogd tot boven de 99% met behulp van onze plasmareactoren. ‘We hebben er een paper voor ingediend, waarin je kunt zien dat de combinatie van katalyse en plasma minder katalysator nodig heeft dan het puur katalytische proces.’
Al met al is Bogaerts hoopvol dat plasma een revolutie in de chemische industrie teweeg kan brengen voor de elektrificatie van allerlei chemische processen.
Fedirchyk, I. et al. (2024) Chem. Eng. J. 499, DOI: 10.1016/j.cej.2024.155946
Warme plasma vs. koude plasma
Er bestaan verschillende soorten plasma’s, elk met hun voor- en nadelen. Gebaseerd op de gastemperatuur kunnen plasma’s ingedeeld worden in koude en warme plasma’s. Bij koude plasma’s blijft het gas dichtbij kamertemperatuur en wordt het geactiveerd door reacties met elektronen. Dit laatste gebeurt ook bij warme plasma’s, maar hierbij wordt het gas zelf ook opgewarmd. Dit is te wijten aan het verschil in elektronentemperatuur, wat verschillende reacties teweegbrengt: in koude plasma’s is de elektronentemperatuur een stuk hoger (orde van 10.000 – 100.000 °C), wat aanleiding geeft tot elektronische excitatie, ionisatie en dissociatie van het gas, terwijl in warme plasma’s de elektronen typisch ‘slechts’ 10,000 °C zijn, en daardoor eerder aanleiding geven tot vibrationele excitatie van het gas. Dit is een meer energie-efficiënte manier om de gasmoleculen te splitsen, wat deels verklaart waarom warme plasma’s energie-efficiënter zijn. Bovendien leidt die vibrationele excitatie ook tot opwarming van het gas (door zgn. vibratie-translatie relaxatie), waardoor de gastemperatuur zelf ook kan oplopen tot zo’n 3000 °C en meer. Daarom zijn ook thermische reacties belangrijk, naast elektronenactivatie, wat ook deels de betere prestaties verklaart. Vermits de gastemperatuur nog steeds lager is dan de elektronentemperatuur, zijn warme plasma’s echter nog steeds in “niet thermisch evenwicht”, waardoor ze thermodynamisch moeilijke reacties kunnen laten doorgaan bij mildere omstandigheden van temperatuur en druk dan gewone klassieke processen.
Nog geen opmerkingen