Chemische shortcuts creëren voor schonere processen

Prof.dr.ir. Martin van Sint Annaland - Chemical Process Intensification

In het Spaanse Puertollano wordt op dit moment een nieuw type elektriciteitscentrale gebouwd; een 500kW demonstratie-installatie zonder CO2-uitstoot die twintig procent efficiënter is dan conventionele centrales met CO2-opvang. Het ingenieuze concept voor deze centrale, waarvoor de EU 5 miljoen euro steun heeft uitgetrokken, komt van hoogleraar Martin van Sint Annaland.

Martin van Sint Annaland slaagde erin het proces van de verbranding zo te herschikken dat de CO2 apart uit de installatie komt, zonder dat het op een energievretende wijze gescheiden hoeft te worden van de rest van de verbrandingsgassen. De nieuwe installatie is een mooi voorbeeld van het werkterrein van Van Sint Annaland: het integreren van chemische reacties en scheidingen, zodat ze samen zuiniger en schoner verlopen.

In het lab van de Eindhovense procestechnologen staan rijen cabines, met in elke cabine een mini-versie van een chemische fabriek. Buizen, pijpjes, reactoren, draden, meetapparatuur, voor het oog van de leek een complexe hightech wirwar. Eén van die mini-fabriekjes is de proefinstallatie waarmee Van Sint Annaland (1971) samen met Fausto Galucci, UD in zijn groep, het proces voor de nieuwe CO2-loze elektriciteitscentrale heeft gefinetuned.

Nu ze weten dat het kan, en hoe, bouwt een internationaal consortium in Spanje een grote versie, die echt stroom gaat leveren. De coördinatie van het project met de naam DemoCLOCK is in handen van de Noorse onderzoeksorganisatie Sintef. Het Nederlandse bedrijf Array Industries bouwt de installatie, en ook ECN is betrokken. Over ongeveer een jaar moet de installatie in bedrijf zijn. Als de resultaten goed zijn, kan deze technologie wereldwijd gaan leiden tot enorme energiebesparingen, en minder CO2-uitstoot. En dat is hard nodig, vindt de hoogleraar. Er is wat hem betreft veel te weinig urgentie in het CO2-beleid; de overheid praat veel, maar er komt weinig tot stand.

DemoCLOCK staat voor ‘Demonstration of a cost effective medium size Chemical Looping Combustion through packed beds using solid hydrocarbons as fuel for power production with CO2 capture’, en dat is een vrij complete beschrijving van de essentie van het project. De truc die Van Sint Annaland hier toepast, heet ‘chemical looping’. Hierin verloopt de verbranding van de brandstof heel anders dan normaal. Eerst wordt lucht door een zogenaamde gepakt-bedreactor geperst, waarin metaalkorreltjes zitten. De metaaldeeltjes reageren met de zuurstof in de lucht (ze ‘roesten’), waarbij heel veel warmte vrijkomt. De passerende lucht wordt hierdoor zo sterk opgewarmd, dat er elektriciteit mee opgewekt kan worden in een turbine.

Pas in de stap daarna komt het gas (van fossiele of van hernieuwbare brandstoffen) in de gepakt-bedreactor. Dat gas reageert met de op de korreltjes opgeslagen zuurstof, en vormt daarbij CO2 en water. Omdat het CO2 nu niet gemengd is met stikstof, kan het eenvoudig opgevangen worden, zonder het eerst te moeten scheiden. In de stap erna komt weer lucht in de reactor, enzovoorts.

Voor wie precies wil weten wat er precies nieuw is aan de DemoCLOCK-technologie: A. het gebruik van een natuurlijk mineraal (de metaaldeeltjes) als ‘zuurstofdrager’, en B. het gebruik van een gepakt-bed-reactor in tegenstelling tot een fluidized-bed-reactor. De gepakt-bed-reactor heeft als voordeel dat die veel hogere drukken aankan, en die zijn nodig om een gasturbine aan te drijven om efficiënt stroom op te wekken.

De crux van het werk van Van Sint Annaland is het integreren van chemische reacties en scheidingen. De kern van chemische processen zijn altijd reacties, waarin atomen nieuwe verbindingen met elkaar aan gaan. Maar omdat er vrijwel nooit 100 procent het gewenste product uitkomt – er zijn altijd bijproducten – moeten de gewenste en ongewenste producten vervolgens uit elkaar gehaald worden. Dit scheiden kost vaak veel energie, doordat de scheiding bij een andere druk of temperatuur plaatsvindt, dus moet er eerst verwarmd of gekoeld worden. Van Sint Annaland wil daarom de chemische reactie én de gewenste scheiding ineens laten plaatsvinden, in 1 reactor. En als het even kan op zo’n manier, dat de reactie ook nog eens minder afval oplevert. En al met al dus een heel stuk goedkoper.

Het onderzoek van de groep van Van Sint Annaland, focust behalve op chemical looping ook op membraanreactoren. Dat zijn reactoren waarbij een of meer van de chemicaliën de reactor binnen komen of verlaten door een selectief membraan. Dat is een dun laagje dat bepaalde stoffen doorlaat, en andere niet. Zijn groep werkt bijvoorbeeld aan een membraan dat alleen waterstof doorlaat. Dat levert zeer zuivere waterstof op, wat bijvoorbeeld handig is voor de fijnchemie, maar ook in brandstofcellen, waar de mate van zuiverheid van de waterstof bepalend is voor de efficiëntie. Brandstofcellen spelen in potentie een grote rol in de energievoorziening van de toekomst omdat er heel efficiënt lokaal elektriciteit opgewekt kan worden. En dezelfde membranen kunnen ook gebruikt worden om waterstof te onttrekken aan een reactor, waardoor de chemische reactie erin op gang gehouden wordt.

Het hoofdstreven van de hoogleraar is om meer en fundamenteel begrip te krijgen van het integreren van processen. Ze gebruiken daarvoor onder andere geavanceerde computermodellen. De leerstoel van Van Sint Annaland valt binnen de TU/e-onderzoeksgroep Meerfase Reactoren, waar ook de leerstoel van Hans Kuipers onder valt (leerstoel Multi-scale Modelling of Multi-phase Flows). Van Sint Annaland: “Hans ontwikkelt de modellen, wij passen ze toe.” Een ander verbindend punt is het gebruik van niet-invasieve metingen, waardoor het proces niet wordt verstoord. Zo ontwikkelde zijn groep een techniek om concentraties te meten op basis van infraroodbeelden. Handig, want daarmee hebben ze in 1 oogopslag een plaatje van de concentraties op verschillende plaatsen.

De hoogleraren van onderzoeksgroep Meerfase Reactoren weten grote subsidies aan te trekken. Van Sint Annaland kreeg in 2008 een VIDI toegewezen van zes ton, en zijn UD Fausto Galluci in 2012 ook. Hans Kuipers kreeg eind 2009 een Europese ERC Advanced Grant van 2,5 miljoen. De groep van Van Sint Annaland telt momenteel 13 aio’s, 4 postdocs en 2 UD’s.

Naast een wetenschappelijk talent is Martin van Sint Annaland ook muzikaal begaafd. Hij speelt in een zeer bijzonder orkest, met de naam REL: een accordeonorkest, bestaande uit 35 accordeonisten uit het hele land. Daar kom je niet zomaar in: je moet auditie doen om mee te mogen spelen in dit ensemble, dat nieuwe arrangementen van klassieke werken speelt, composities voor accordeonorkest en hedendaagse muziek.

Terug naar het overzicht