Groene brandstof uit de CO2-magnetron

Duurzame energie

In Eindhoven werkt onderzoeksinstituut DIFFER aan het omzetten van koolstofdioxide in koolstofmonoxide en zuurstof met microgolven. „In de hoogtijdagen van de kernenergie werd het ook al onderzocht.”

Testopstelling van DIFFER om CO2 om te zetten in CO en O2, met duurzaam opgewekte elektriciteit. Foto Differ

In een metalen behuizing zit een buis van bijna dertig centimeter lang, met een doorsnee van enkele centimeters. Het binnenste van de buis licht blauw op. Dit geheimzinnig ogende experiment staat in het laboratorium van energieonderzoeksinstituut DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) in Eindhoven. Het is een testopstelling om koolstofdioxide (CO2) om te zetten in koolstofmonoxide (CO) en zuurstof (O2), met behulp van (uiteindelijk) duurzaam opgewekte elektriciteit.

In het experiment wordt CO2-gas bestraald met microgolfstraling, dezelfde straling die gebruikt wordt in je keukenmagnetron om maaltijden op te warmen. Deze straling zorgt ervoor dat er een heet plasma ontstaat waarin CO2-moleculen uit elkaar vallen in koolstofmonoxide en zuurstof. De reactievergelijking is simpel: 2 CO2 -> 2 CO + O2. Van de koolstofmonoxide kunnen synthetische brandstoffen worden gemaakt, door het samen te voegen met waterstof in een Fischer-Tropsch-reactor. Daarover later meer.

Het doel is om zo in de toekomst duurzame, CO2-neutrale brandstof te maken. Nu neemt duurzame energie altijd de vorm aan van elektriciteit, vooral opgewekt met zonnepanelen en windmolens. Dat betekent dat we ons energieverbruik moeten veranderen: koken op inductie en elektrisch rijden. Maar fossiele brandstoffen kunnen niet overal vervangen worden door elektriciteit. „Voor vliegtuigen en langeafstandstransport zijn batterijen geen optie”, zegt Richard van de Sanden, directeur van DIFFER. „Ze zijn te zwaar en niet efficiënt genoeg.” Hiervoor zijn voorlopig (vloeibare) brandstoffen nodig.

Daarom wordt er gewerkt aan manieren om met elektriciteit duurzame synthetische brandstoffen te maken van bijvoorbeeld het broeikasgas CO2 en waterstofgas. Dit is mogelijk via het al langer bekende Fischer-Tropsch-proces. Hierbij worden koolstofmonoxide en waterstof, in de aanwezigheid van een metalen katalysator, bij elkaar gebracht onder een druk van een paar atmosfeer bij een paar honderd graden Celsius. Deze techniek wordt ook op grote schaal toegepast, bijvoorbeeld door Shell in Qatar om vloeibare brandstoffen, zoals diesel en kerosine, te maken uit gas.

Het opbreken van CO2 in koolstofmonoxide en zuurstof is minder eenvoudig. Er lopen nu meerdere onderzoeken naar manieren om dit zo efficiënt mogelijk te doen. De CO2-magnetron van DIFFER is daar één van.

„Deze techniek is niet helemaal nieuw”, vertelt Van de Sanden. „In de hoogtijdagen van de kernenergie, voor de ramp bij Tsjernobyl, werd het ook al onderzocht.” Een kernreactor zet je niet gemakkelijk uit. Op momenten dat er weinig energie nodig is, wil je het elektriciteitsoverschot opslaan. In de Sovjet-Unie was het idee om de extra energie te gebruiken om brandstof te maken van CO2. „Sovjetonderzoekers haalden met een testopstelling 90 procent energie-efficiëntie”, zegt Van de Sanden. Dit betekent dat 90 procent van de elektrische energie die je in de magnetron stopt, gebruikt wordt om CO te vormen. „Wij zitten nu op 60 procent.”

Om te begrijpen wat er gebeurt, duiken we de buis met het gloeiende koolstofdioxidegas in. Het CO2 in de buis wordt bestraald met microgolven die een paar keer krachtiger zijn dan de straling in je keukenmagnetron. De elektronen in het gas trillen makkelijk mee op de frequentie van de microgolven. Daardoor krijgen ze bewegingsenergie en maken ze zich los van de moleculen. Het koolstofdioxide vormt zo een plasma van losse elektronen en CO2-moleculen.

In dat plasma zorgen twee effecten ervoor dat CO2-moleculen opbreken in CO- en O2-moleculen. De eerste is een thermochemisch effect. Het plasma wordt ontzettend heet: tussen de 3.200 en 4.700 graden Celsius. Bij deze temperatuur hebben de moleculen zoveel energie dat ze uit elkaar vallen. „Uit experimenten en thermodynamicaberekeningen blijkt dat hiermee maximaal een energie-efficiëntie van 50 procent behaald kan worden”, zegt Van de Sanden.

Heftige trillingen

Het andere effect dat waarschijnlijk meespeelt is de asymmetrische trilling van CO2-moleculen. De trilling wordt veroorzaakt door de losgemaakte, energierijke elektronen uit het plasma die tegen de CO2-moleculen aan botsen. Hierdoor gaan de relatief koude moleculen steeds heftiger en heftiger trillen, tot ze uit elkaar vallen in koolstofmonoxide en zuurstof. De DIFFER-onderzoekers denken daarom dat dit effect vooral optreedt aan de randen van het plasma, waar de temperatuur lager is doordat er een koude stroom CO2-gas langs geblazen wordt om te voorkomen dat de buis van kwartsglas smelt door het hete plasma. Dit tweede effect kan de energie-efficiëntie van de CO2-magnetron opkrikken tot 70-90 procent.

De opstelling bij DIFFER is slechts één van de manieren om dit te doen. Er lopen wereldwijd meer onderzoeken om CO2 zo efficiënt mogelijk te splitsen, bijvoorbeeld met elektriciteit (elektrolyse).

„Er worden grote stappen in gezet”, zegt Hans Geerlings, hoogleraar aan de TU Delft. Geerlings is niet betrokken bij DIFFER. „Maar het opbreken van CO2 is echt in de onderzoeksfase. We zijn ver af van productie op grote schaal.”

Een ander knelpunt is de toevoer van CO2. „Om echt groene brandstoffen te maken, moet je gebruikmaken van CO2 uit de lucht”, zeg Van de Sanden. Er zit zo’n 0,04 procent koolstofdioxide in de lucht, dus er zijn grote installaties nodig om het uit de atmosfeer te filteren. „Het zal zeker twintig jaar duren voordat het op grote schaal toegepast kan worden.” In het begin zou je ook brandstof kunnen maken uit CO2 dat uit staal- en cementfabrieken komt. De techniek om CO2 uit de schoorstenen af te vangen bestaat al. Maar Van de Sanden en Geerlings zien het gebruik van dit CO2 als tussenfase. Van de Sanden: „De productie van synthetische brandstoffen is dan niet circulair. Om CO2-neutrale kerosine te maken, moeten we CO2 uit de lucht halen.”

    • Dorine Schenk