Omdat ze bij normale druk en temperatuur en met gebruik van uitsluitend hernieuwbare elektriciteit kunnen plaatsvinden, hebben elektrochemische conversieprocessen een veel lagere milieu-impact dan verbrandingsprocessen. En met de elektrochemische conversie van CO2 al bewezen op laboratoriumschaal, verschuift het onderzoek steeds meer naar het verfijnen van het reactorontwerp en de werking daarvan op industriële schaal (in zogenoemde elektrolyse-apparaten).  

Een uitdagende stap omdat dit zowel technische als economische onzekerheden met zich meebrengt. Een uitdaging die Isabell Bagemihl met haar fascinatie voor het toepassen van wetenschappelijke principes op concrete problemen – in het bijzonder wat betreft energie en duurzaamheid – maar wat graag aanging.

Vergelijkbaar, maar toch niet

In een elektrolyse-apparaat moet CO2 de katalysator bereiken waar het in een ander molecuul wordt omgezet. Daar is energie voor nodig, in de vorm van elektriciteit. Vervolgens moeten de reactieproducten bij de katalysator weggevoerd worden om zo plaats te maken voor nieuwe CO2. ‘Onderzoek dat vergelijkbare laboratoriumopstellingen gebruikt, rapporteert toch behoorlijk verschillende waarden voor prestatie-indicatoren die de efficiëntie van dit proces beschrijven,’ zegt Bagemihl, promovenda in de Product and Process Engineering-groep aan de faculteit Technische Natuurwetenschappen. ‘Wij wilden meer inzicht verkrijgen in de maximaal haalbare efficiëntie van het omzettingsproces met bestaande elektrolyse-apparaten voor CO2-conversie. Daarnaast wilden we ook de kloof tussen reactorontwerp en economische haalbaarheid dichten. Tot op heden waren dat twee gescheiden domeinen.’

Door het kanaal

De voornaamste uitdaging die ze in haar onderzoek aanging, was dat de verschillende prestatie-indicatoren onderling afhankelijk zijn. Denk hierbij aan hoe snel en efficiënt de reactie verloopt en of het omzettingsproces alleen het gewenste eindproduct oplevert of ook andere producten. ‘Deze onderlinge afhankelijkheden breiden zich uit - en kunnen veranderen - van laboratoriumschaal naar de schaal van een industrieel proces en beïnvloeden zo de economische levensvatbaarheid,’ zegt Bagemihl. ‘Mijn masterstudent Lucas Cammann heeft fantastisch werk verricht met het ontwikkelen van een model dat op diverse schalen rekening houdt met de onderliggende massa-overdrachtseffecten; de aan- en afvoer van reactanten en reactieproducten.’

De kleinste schaal in het model is die van een elektrolyse-kanaal, waar een mix van reactanten als reactieproducten doorheen stroomt. Op deze schaal simuleert het model de beweging van gassen, verspreiding van stoffen en veranderingen in hun concentraties over de lengte van het kanaal. Hiermee kan vervolgens de prestatie van het elektrolyse-apparaat voorspeld worden, die duizenden van zulke kanalen heeft. De grootste schaal is die van het industriële proces. Deze omvat een bron van CO2, het elektrolyse-apparaat en een gasscheidingsapparaat. Al deze stappen zijn noodzakelijk voor succesvolle implementatie van elektrochemische conversie in een fabriek.

Economische afweging

In bestaande techno-economische modellen op proces-schaal werd het elektrolyse-apparaat een soort zwarte doos gezien waarvan de diverse prestatie-indicatoren onafhankelijk van elkaar konden worden gekozen. Bagemihl: ‘Door ook de andere schalen hierin te integreren – die van het elektrolyse-apparaat en het elektrolyse-kanaal – kunnen we de economische afweging analyseren die zich voordoet als de diverse prestatie-indicatoren onderling afhankelijk zijn. Je kunt bijvoorbeeld een hoge reactiesnelheid hebben, waarmee je op investeringskosten kunt besparen. Of je kunt een reactie hebben die vrijwel alleen het gewenste eindproduct oplevert, waardoor je op benodigde scheidingsstappen kunt besparen. Maar je kunt dat niet allebei tegelijk hebben.’

Toegepast op een enkele omzettingsreactie (CO2 -> ethyleen), liet het model zien dat de economisch optimale stroomdichtheid – en daarmee de optimale reactiesnelheid – wel eens slechts de helft kan zijn van eerder gerapporteerde waarden. ‘Economisch gezien klopt het dus nog niet helemaal. Dit onderstreept het belang van multischaalmodellen, omdat ze beter inzicht geven in mogelijke obstakels op weg naar een economisch haalbaar ontwerp van een elektrolyse-systeem.’

Plug-and-play

Een grote kracht van haar onderzoek, die er zeker aan heeft bijgedragen dat ze de prijs voor beste energiepublicatie won, is dat het een generiek model heeft opgeleverd. Het kan op diverse soorten elektrolyse-apparaten en processen met verschillende eindproducten worden toegepast. Bagemihl: ‘Het maakt niet uit of het om de elektrochemische conversie naar koolmonoxide, formiaat of ethanol gaat. Anderen kunnen makkelijk hun voordeel met het model doen want ze hoeven alleen maar te beschrijven wat er binnenin de reactor gebeurt.’