Over een jaar of vijf zullen vermoedelijk de eerste brandstofcelauto’s op de weg verschijnen. Dan wordt onder de motorkap elektriciteit uit benzine gemaakt. Deze auto’s zullen zuiniger en schoner zijn dan de huidige auto’s met verbrandingsmotor. Elektriciteit uit benzine wordt mogelijk door een keten van katalytische processen. De benzine wordt eerst in waterstofgas omgezet. Daaruit wordt in de brandstofcel elektriciteit gemaakt die dan, via in de wielen geïntegreerde motoren, de auto aandrijft. De eerste prototypes van dergelijke auto’s bestaan al (zie figuur 1).
Figuur 1. Schematische voorstelling van het proces waarbij in een auto onder de motorkap elektriciteit wordt opgewekt uit benzine via het CPO-proces. Bron: G.J. Kramer
Oliecrisis
Dit verhaal gaat over één van de katalytische processen: CPO ofwel Catalytic Partial Oxidation (Katalytische Partiële Oxidatie). Merkwaardigerwijs is dit proces oorspronkelijk voor een ander doel ontwikkeld, de grootschalige productie van vloeibare brandstoffen uit aardgas. Het verhaal begint bij de oliecrisis. Na 1974 waren alle oliemaatschappijen op zoek naar alternatieven voor de plotseling schaarse olie. Eén mogelijkheid is om ‘olie’ te maken uit aardgas. Door aardgas met een ondermaat aan zuurstof te verbranden ontstaat synthesegas, een mengsel van koolmonoxide (CO) en waterstof (H2). Dit gas kan katalytisch worden omgezet in een mengel van vloeibare koolwaterstoffen – hoofdzakelijk diesel. Dit proces was al in de jaren twintig van de vorige eeuw uitgevonden door Franz Fischer en Hans Tropsch. Het Fischer-Tropsch-proces werd industrieel toegepast door de Duitsers tijdens de Tweede Wereldoorlog, toen Duitsland was afgesneden van olieaanvoer. Synthesegas werd verkregen uit steenkool.
Door de schok van de oliecrisis begon Shell serieus met de ontwikkeling van een commercieel Fischer-Tropsch proces op basis van gas (het Shell Middle Distillate Synthesis proces – SMDS). Aardgas werd immers over de hele wereld steeds meer gevonden. Wanneer men het in benzine (of diesel) kon omzetten, zou dit de vraag naar olie ontlasten. Aan het begin van de jaren negentig werd de eerste fabriek geopend in Bintulu (Maleisië).
De CPO katalysator
Soms ontstaat een uitvinding met een studie achter het bureau. Zo ook de ‘ontdekking’ van CPO. In het SMDS proces wordt synthesegas gemaakt via partiële verbranding van methaan (fig. 3, (stap 1)).
Dit proces verloopt niet optimaal. De langzame tweede stap loopt niet helemaal af, waardoor in de praktijk een beetje kooldioxide en water overblijft. Ook ontstaat roet. Om dit te voorkomen, moet de temperatuur minstens 1400 oC zijn. Om de temperatuur zo hoog te krijgen moet extra zuurstof aan het aardgas worden toegevoegd (3.2).
Dan is er weliswaar geen roet meer, maar het proces is niet meer efficiënt. Immers, alleen CO en H2 worden in het Fischer-Tropsch-proces gebruikt. Kan het niet beter? Kunnen we geen katalysator vinden die de reactie laat verlopen bij lage temperatuur zonder dat er roet gevormd wordt?
Figuur 2. Een werkende CPO katalysator. Bij een temperatuur van ongeveer 1000 °C wordt benzine met lucht omgezet in synthesegas. De katalysator op de foto heeft de grootte van een vingerhoed en kan voldoende waterstofgas maken om 1 kW electriciteit op te wekken. Het gas stroomt van boven naar beneden en wordt direct na de katalysator gekoeld. Bron: G.J. Kramer
Dat kan inderdaad: zo’n type katalysator was al vanaf 1946 bekend. Toen werd een artikel gepubliceerd waarin de auteurs lieten zien dat nikkel een goede katalysator is om synthesegas te maken uit methaan. Er was evenwel een probleem: de temperatuur werd aan het begin van de reactor heel hoog, doordat de reactie in twee stappen verliep – dezelfde stappen die we eerder zagen bij het gasfase proces (3.3 en 3.4). Door de hoge temperatuur na de eerste stap zou de katalysator nooit meerdere jaren stabiel kunnen werken. De opgave voor de Shell-onderzoekers was: vind een katalysator die in één stap direct partieel oxideert (zie 3.5). Tussen 1985 en 1995 heeft een team van onderzoekers te Amsterdam met succes aan zo’n katalysator gewerkt. De katalysator – waarin nikkel is vervangen door metalen uit de platina-groep – is inmiddels door een aantal octrooien wereldwijd beschermd.
Figuur 3.
Een veilige reactor
Ook is er hard gewerkt om te zorgen dat een veilige reactor werd ontworpen voor dit proces. Omdat aardgas en zuurstof voorgemengd naar de katalysator moeten worden geleid, is dit geen sinecure. Er is een aantal uitvindingen gedaan waardoor het mogelijk werd dat het ontvlambare gasmengsel niet voortijdig ontbrandt. Hierbij werden de uitvinders aanzienlijk geholpen door het inzicht dat een katalysator reacties altijd versnelt. Zo ook hier: het (partiële) oxidatieproces in de katalysator verloopt veel sneller dan erbuiten. Door nu de reactor met hele hoge snelheden te doorstromen (meer dan tien meter per seconde) kan een vlam nooit ‘terugslaan’.
Toen rond 1995 de CPO-katalysator en de reactor min of meer klaar waren, diende zich een nieuwe toepassing aan: de auto. In de jaren negentig doet zich een stormachtige ontwikkeling voor op het gebied van brandstofcellen. Hierin wordt, via een elektrochemische reactie, elektriciteit opgewekt uit waterstofgas – een soort batterij op waterstof. Dit lijkt een generatie van zuinige en schone auto’s mogelijk te maken, mits een manier wordt gevonden om waterstof in de auto op te slaan of te maken. Opslaan is niet zo makkelijk omdat waterstof licht is: je hebt er 50 m3 van nodig om 400 km te kunnen rijden. Onder druk meenemen kan, maar dan is een zware tank een noodzaak. Een super-adsorbens zou een andere mogelijkheid zijn, maar zo’n adsorbens is niet gemakkelijk te vinden.
Figuur 4.
Shell werkt op dit moment samen met autofabrikanten om deze toepassing te verwezenlijken. De verwachting is dat auto’s waarin de verbrandingsmotor door deze serie van (katalytisch) chemische processen is vervangen tussen 2005 en 2010 op de markt komen. Deze auto’s zullen bijna twee keer zo zuinig zijn als de huidige benzine-auto en een orde van grootte minder CO, NOx en onverbrande koolwaterstoffen uitstoten.
Zie ook:
- Een speelgoedtreintje op een brandstofcel
- Brandstofcelkart: stil, schoon en reuzefun.
- How Fuel Cells Work (Eng)
- Shell hydrogen
Literatuur:
- D.A. Hickman, L.D. Schmidt, Syngas formation by direct catalytic oxidation of methane, Science, 259 (1993), pp. 343- 346.
- L.H. Nielsen, K. Joergensen, Electric Vehicles and Renewable Energy in the Transport Sector – Energy System Consequences: Main Focus: Battery Electric Vehicles and Hydrogen Based Fuel Cell Vehicles, Roskilde: Riso National Laborator (2000).
KNAW
Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).