Pollutie in een stadsomgeving een kaart van Antwerpen. Technologische innovaties voor luchtpollutie in een stadsomgeving op korte en lange termijn: Plasmatechnologie

Ramses Snoeckx



Klimaatverandering: Kunnen plasma’s redding bieden?



De voorbije 10 jaar hebben enkele steden extreme weersomstandigheden meegemaakt: in Londen regende het als nooit te voren, Parijs kreunde onder de hitte. Het is een alarmerend signaal over de kwetsbaarheid van steden voor de effecten van de klimaatverandering.

Steden zijn extra kwetsbaar omdat ze de woonplaats van een groot deel van de bevolking vormen en omdat ze een hoge economische waarde hebben, door de aanwezige industrie en handel.

Maar tegelijkertijd leveren de stedelijke gebieden een belangrijke bijdrage aan de uitstoot en opstapeling van broeikasgassen in de atmosfeer, omdat ze centra van huisvesting, transport, consumptie, industrie en recreatie zijn.

Uit deze vaststelling blijkt hoe belangrijk streefdoelen zijn, zoals die in het Kyoto-protocol. Zij moeten op termijn de uitstoot van broeikasgassen in de steden verminderen en daarvoor moeten nieuwe technologieën worden ontwikkeld.



De huidige wereldwijde strategie om de Kyoto-doelstellingen te halen is vooral gericht op de beperking van de uitstoot van broeikasgassen. Echter, men kan ook proberen om broeikasgassen om te zetten naar andere producten, en zo hun concentraties in de atmosfeer trachten te verminderen. De omzetting van broeikasgassen naar meer waardevolle componenten mag dan wel niet de gemakkelijkste route zijn, maar ze vormt wel een zeer interessant alternatief. Een dergelijke aanpak biedt immers niet alleen een duurzame oplossing maar ook een oplossing die economisch zeer interessant is. Hiermee kunnen immers broeikasgassen, waarvan CO2 (koolstofdioxide) en CH4 (methaan) momenteel de belangrijkste zijn, omgezet worden naar meer waardevolle grondstoffen voor de chemische industrie en brandstoffen voor het alledaags gebruik. Op die manier zouden deze broeikasgassen een alternatief kunnen vormen voor petroleum, dat qua prijs en beschikbaarheid op lange termijn steeds minder interessant wordt als grondstof en brandstof.

Het is dan ook niet verbazingwekkend dat de zoektocht naar geschikte technologieën voor deze omzetting enkele decennia geleden is begonnen. Maar helaas blijken de reeds ontwikkelde technieken op alle vlakken verre van optimaal, vooral omdat ze heel veel energie vereisen. Het samenbrengen van twee onderzoeksvelden, namelijk plasmatechnologie en katalyse (zogenaamde “plasma-geassisteerde katalyse”), zou op dit vlak in de nabije toekomst voor een doorbraak kunnen zorgen.



Voor we hier dieper op in kunnen gaan moeten we eerst begrijpen wat een plasma is. Plasma’s worden de vierde aggregatietoestand  van materie genoemd, naast vast, vloeibaar en gasvormig. Eenvoudig voorgesteld is een plasma een gas, dat naast neutrale atomen of moleculen ook geladen deeltjes (zgn. ionen en elektronen) bevat. Vandaar dat een plasma ook een ‘geïoniseerd gas’ genoemd wordt. Naast deze geladen deeltjes bevinden er zich in een plasma ook reactieve en geëxciteerde deeltjes, die licht uitzenden (vandaar hun toepassing als bv. plasma-tv’s). Dit alles maakt een plasma tot een complex, maar ook zeer boeiend geheel.

Meer dan 99% van het zichtbare heelal bevindt zich in de plasmatoestand; het is dan ook niet verwonderlijk dat er heel veel verschillende soorten plasma’s, met grote variaties in temperatuur, dichtheid en dimensies bestaan. Het bekendste voorbeeld is de zon, die voorgesteld kan worden als een hete bal geïoniseerd gas. Maar ook dichter bij huis hebben we soms te maken met een soort plasma, namelijk bliksem.

Naast deze fascinerende natuurlijke plasma’s, worden plasma’s ook door de mens opgewekt voor allerhande toepassingen. Zo willen wetenschappers energie opwekken door het realiseren van kernfusie (vergelijkbaar met wat in de zon gebeurt, bij temperaturen van miljoenen graden Celsius). Plasma’s kunnen echter ook opgewekt worden bij kamertemperatuur, door het inbrengen van elektrische energie. Dit soort plasma’s kent in de industrie reeds vele commerciële toepassingen, zoals voor het maken van microchips, terug te vinden in PC’s en GSM’s, maar ook voor plasma-tv’s en spaarlampen. Recent worden plasma’s ook voor medische en milieutoepassingen aangewend, waaronder de technologie in dit onderzoek.



Het innovatieve idee achter plasma-geassisteerde katalyse is dat het plasma ervoor zorgt dat de aanwezige deeltjes voldoende energie krijgen om te reageren en dat een katalysator ervoor zorgt dat de reacties snel verlopen, en vooral dat de deeltjes tot de gewenste producten reageren.

De selectieve omvorming van broeikasgassen naar meer waardevolle chemicaliën en brandstoffen is één van de uitdagingen voor de 21ste eeuw. Het doel van plasma-geassisteerde katalyse is dan ook de ontwikkeling van een nieuw economisch rendabel proces voor de omzetting van CH4 naar chemicaliën die als grondstof kunnen dienen voor de chemische industrie. Hierbij wordt CH4 omgezet naar zijn geoxideerde vormen (er wordt zuurstof aan toegevoegd), waarbij gebruik wordt gemaakt van CO2, N2O (lachgas), H2O (water) of O2 (zuurstofgas) om zuurstofatomen te leveren.

Samengevat zijn de belangrijke innovatieve troeven van het proces: het recycleren van broeikasgassen zoals CH4, CO2 en N2O, welke in de geïndustrialiseerde landen 90% van de totale broeikasgasuitstoot uitmaken; en de productie van enkele zeer belangrijke, nuttige bulkchemicaliën (methanol, formaldehyde, koolstofmonoxide en waterstofgas) op een efficiëntere manier.



Daarom werd in het kader van dit onderzoek deze technologie onder de loupe genomen aan de hand van een aantal scenario’s gebaseerd op (i) de technologische vooruitgang die er verwacht wordt van plasma’s, en (ii) de verdere ontwikkelingen op het politieke niveau m.b.t. de klimaatdoelstellingen, om zo de mogelijke impact na te gaan tegen enerzijds het jaar 2020 en anderzijds tegen 2050. Uit dit onderzoek komt duidelijk naar voor dat deze technologie op korte termijn (2020) zichzelf eerst zal moeten bewijzen op industriële schaal, inzake het effectieve omzettingspercentage van de broeikasgassen en vooral de energie-efficiëntie van dit proces. We willen natuurlijk niet dat het proces teveel elektriciteit vereist, en dus meer broeikasgassen uitstoot dan het werkelijk kan omzetten. Wetenschappers van de Universiteit Antwerpen, de Katholieke Universiteit Leuven en het VITO werken hard om deze doelen te bereiken, zodat we mogen verwachten dat op langere termijn (2050) deze technologie een voorname plaats kan innemen bij de bestrijding van de klimaatverandering. Bovendien is deze technologie dan niet alleen interessant vanuit ecologisch standpunt. Het zou, vanwege de omzetting van broeikasgassen tot waardevolle chemicaliën, een oplossing kunnen bieden voor zowel het uitstootprobleem van broeikasgassen als voor onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen. Daarmee geven we niet alleen een aanzet tot een verbetering van het milieu, maar pakken we ook de energiebevoorradingsproblemen aan. Zo zou plasmatechnologie een win-win situatie kunnen betekenen voor zowel ecologie als economie.