Plasmatechnologie zet CO2-emissies om in nuttige bouwstenen
Het is vijf voor twaalf voor het milieu. Als we de klimaatopwarming willen tegenhouden, moeten we tegen 2030 55% minder CO2 gaan uitstoten. Of er iets anders mee doen dan zomaar in de atmosfeer brengen. De onderzoeksgroep PLASMANT en spinoff D-CRBN van UAntwerpen zien daarvoor een interessante rol weggelegd voor plasmatechnologie. Met behulp van een plasmareactor wil het CO2 splitsen en recycleren tot waardevolle producten zoals chemicaliën, polymeren en synthetische brandstoffen. De snelste route naar een koolstofneutrale wereld, zo beloven ze.
Even groen als 45 miljoen bomen
De ambitie van D-CRBN is niet mis. Het wil jaarlijks 1 miljoen ton CO2-emissies per industriële installatie uitsparen. Dat is het equivalent van het werk van 45 miljoen bomen. Het bedrijf zet daarvoor in op plasmatechnologie. Het vond daarvoor de mosterd bij de PLASMANT-onderzoeksgroep van de Universiteit Antwerpen onder leiding van Prof. Annemie Bogaerts. “Al sinds mijn doctoraat in de chemie ben ik gebeten door plasmatechnologie, dat veel toepassingen kent”, opent Bogaerts. “Mijn studies deden me geloven in het potentieel van deze technologie om chemie te verduurzamen, maar ook voor medische toepassingen. Met deze twee toepassingen houden we ons binnen de onderzoeksgroep dan ook bezig. We proberen de plasmatechnologie en hoe ze zich gedraagt in plasmareactoren in kaart te brengen.”
"Er gebeurt wereldwijd heel veel rond plasma. De innovatie zit hem in het afstemmen van plasmareactoren op nieuwe toepassingen"
Plasmatechnologie interessanter dan ooit
Had u vroeger zo’n glazen bol? Zag u een straal naar uw vinger komen wanneer u die tegen de rand zette? Dan bent u al vertrouwd met plasmatechnologie. Bogaerts: “Plasma is een fase waarin de deeltjes van een gasvormige stof enigszins geïoniseerd zijn. Dat gebeurt door energie toe te voegen die de gasmoleculen in het elektrische veld gaat activeren. We kunnen vervolgens aan de slag met de reacties die daaruit ontstaan. Dit is zeker geen nieuwe technologie. Het vindt bijvoorbeeld al wijd toepassing voor het snijden van metalen. De innovatie zit hem in het afstemmen van plasmareactoren op deze nieuwe mogelijkheden.” Toen Bogaerts vijftien jaar geleden in het onderwerp van plasmatechnologie voor CO2-conversie dook was er bitterweinig geloof in de technologie. Vandaag is dat anders: elektrificatie is de toekomst. “Er gebeurt nu wereldwijd heel veel rond plasma. Niet alleen rond CO2-conversie. Zo kan de techniek dienen voor de productie van waterstof uit bijvoorbeeld methaan. Omdat plasma op basis van elektriciteit werkt, reageert ze even snel als een schakelaar. Dit maakt het net zo aantrekkelijk in het kader van duurzaamheid. Het proces hoeft enkel te draaien wanneer het nodig is.”
Volledige waardeketen uitbouwen
Dat zijn niet de enige voordelen van plasmatechnologie. Ze heeft zich al bewezen als bijzonder flexibel qua grondstoffen en producten en vergt geen zeldzame materialen. Bovendien laat ze zich makkelijk opschalen, door bijvoorbeeld plasmareactoren in parallel te plaatsen. Toch moet er nog fundamenteel onderzoek gebeuren om plasmatechnologie helemaal toepasbaar te krijgen voor duurzame chemie. “Op laboschaal halen we momenteel debieten van ongeveer 10 à 20 l per minuut”, geeft Bogaerts aan.
Er kunnen nog stappen worden gezet, voornamelijk in de conversie en ook de energie-efficiëntie van plasma en in de selectiviteit. “De bedoeling is om competenties te zoeken doorheen de waardeketen. De CO2-conversie is eigenlijk maar één schakel in de ketting. Ook de andere stappen moeten naadloos aansluiten. We willen de Technology Readiness Level (TRL) optrekken van niveau 3 naar niveau 6.”
Momentum grijpen
De opschaling van speciaal ontwikkelde plasmareactoren voor CO2-conversie werd daarom ondergebracht in een spin-offbedrijf D-CRBN onder leiding van Gill Scheltjens. Hij bouwde zijn ervaring met plasmatechnologie op bij VITO. “Misschien wat vroeg op het vlak van de maturiteit van de technologie, maar we voelen dat er een momentum is voor innovatie gekoppeld aan een groene ambitie. Daarom willen we zo snel mogelijk stappen zetten om de technologie verder op te schalen.”
Zoals Bogaerts al aangaf, is het zoeken en vinden van partnerschappen de eerste taak voor het jonge bedrijf. “De technologie fungeert als een perfecte aanvulling op technieken die CO2 kunnen opvangen. Dat laten we aan de specialisten in dit domein. Onze expertise spitst zich echt toe op de conversie van CO2 in bruikbare grondstoffen. Verder willen we het potentieel onderzoeken van onze technologie door ook te benchmarken ten opzichte van andere technologieën. Wat zijn rode vlaggen? Waar ligt de grootste meerwaarde voor een plasmaproces. Hoe kunnen we de rest van de waardeketen uitbouwen?”
"Technisch-economische studies wijzen uit dat we nu al concurrentieel zijn met bestaande technieken”
Nu al concurrentieel
Centraal in de conversie van CO2 staat de plasmareactor. Bogaerts: “De basisvoorwaarden zijn een aansluiting voor elektriciteit en CO2. Momenteel gebeurt dat nog met gastanks. Op termijn zou dat rechtstreeks uit de uitstoot gehaald kunnen worden of na het inlassen van een zuiveringsstap. In tegenstelling tot bijvoorbeeld katalysatoren zijn deze reactoren immers een pak minder gevoelig aan onzuiverheden.”
De stroom komt idealiter uit een groene bron. “Ook daar weer speelt het belang van het uitbouwen van clusters en het beperken van de logistieke bewegingen”, vult Scheltjens aan. Het gas wordt aan kamertemperatuur de plasmareactor - die onder atmosferische druk staat - binnengeleid. “Door het elektrisch veld te activeren, zullen de gasmoleculen tegen elkaar aan beginnen botsen en worden ze geactiveerd. De temperatuur kan hierbij oplopen tot 3.000 °C. We proberen het ontwerp van de reactor zodanig aan te passen dat plasma centraal in de reactor blijft. De gasstroom kan op die manier een isolerend effect hebben, wat minder strenge voorwaarden aan de reactormaterialen stelt”, legt Bogaerts uit. De reactieve deeltjes vormen dan nieuwe moleculen. CO2 wordt omgezet tot CO. De conversie ligt momenteel rond 13%. Bogaerts en haar team willen dit nog verder opdrijven. “Een deel van het omgezette gas, keert nu nog terug naar CO2. Door sneller te quenchen zouden we meer CO kunnen behouden. Technisch-economische studies wezen uit dat we nu al concurrentieel zijn met wat er vandaag beschikbaar is aan technieken”, geeft Scheltjens aan.
Perfect huwelijk met hernieuwbare energie
De bedoeling is om er een continu proces van te maken dat inspeelt op de noden van het bedrijf. Scheltjens: “Er liggen verschillende pistes op tafel. Je zou CO2 kunnen omzetten naar syngas voor methanol. Via plasmakatalyse liggen ook methanol en azijnzuur al binnen de mogelijkheden. Er wordt verder gekeken naar de productie van waterstof en ethyleen uit methaan, en zelfs de productie van nitraten uit lucht, voor kunstmest. Maar tot welke bouwstenen je ook wil komen, de kerntechnologie blijft altijd dezelfde, nl. plasma.”
De eerste commerciële units die D-CRBN zal bouwen, zullen 20.000 à 50.000 ton CO2 per jaar kunnen omzetten. Een volume dat al relevant is voor de industrie. “Als we verder in de toekomst kijken, zien we potentieel voor CO2-recyclageplants te midden chemische clusters met een capaciteit van 1 miljoen ton CO2”, voorspelt Scheltjens. Dat plasmatechnologie zo goed samengaat met hernieuwbare energie draagt alleen maar bij aan het potentieel. “Hernieuwbare energie en de chemische industrie zijn geen goed huwelijk, omdat de aanvoer van energie in pieken en dalen loopt. Plasmatechnologie kan daar echter perfect mee omgaan. Je kan chemicaliën oogsten op dagen dat de wind hard waait of de zon fel schijnt, net omdat de technologie zich laat bedienen als een lichtschakelaar. Je kan in feite energie opslaan in chemicaliën, terwijl je tegelijk de CO2-emissies doet dalen. Dat zijn heel wat vliegen in één klap”, besluit Bogaerts.
