In proefprojecten rijden wereldwijd heel wat vrachtwagens en autobussen rond met ingebouwde brandstofcellen met polymeer electroliet membranen (PEM), in Japan zelfs gewone personenauto's. De ontwikkeling van een nieuw type wervelbed-reactor bij de TNW-groep Fundamentele Aspecten van de Proceskunde (FAP), past in scenario's voor deze energievoorziening van de toekomst. De reactor produceert namelijk zeer zuivere waterstof, de brandstof waaruit PEM-cellen warmte en elektriciteit onttrekken.
`De productie van waterstof zal in de toekomst op grote schaal duurzaam moeten plaatsvinden bijvoorbeeld uit biomassa,' zegt universitair docent dr. ir. Martin van Sint Annaland van FAP. `Ons ontwerp voor een wervelbeldreactor draait op aardgas. Het is een soort transitietechnologie. De reactor zet bestaande fossiele brandstoffen om, op een efficiënte en duurzame manier. Deze technologie is een concrete uitwerking van het speerpuntprogramma Sustainable Energy binnen Impact.'
Onder begeleiding van prof. dr. ir. Hans Kuipers, leider van FAP, en Van Sint Annaland promoveert Charudatta Patil op dit nieuwe reactortype. Het traditionele pad van reforming en shift-katalyse, wordt in het bovenste deel van deze reactor vele malen efficiënter gerealiseerd dan in conventionele reactoren. Daardoor is minder duur katalysator-materiaal nodig. Ook verlopen de reacties sneller en is de reactor energie-efficiënter.
In de reactor weten membranen van palladium zeer zuivere waterstof aan het reactiemengsel te onttrekken. De opbouw van deze commercieel verkrijgbare membranen is zodanig dat het alleen waterstofmoleculen lukt zich in de roosterlagen van het membraan op te lossen en te diffunderen. `Die selectiviteit is nodig voor de brandstofcellen', zegt professor Hans Kuipers. `We moeten aan strenge specificaties voldoen. Zo mogen per miljoen moleculen maar tien koolmonoxide (CO) moleculen voorkomen.'
De palladium membranen functioneren optimaal bij temperaturen rond de 700 graden Celcius. Reden waarom de reactor in twee delen is gesplitst. In het onderste deel van de reactor zitten namelijk ook membranen, van het oxidische materiaal perovskiet. Deze membranen kunnen pure zuurstof afstaan aan het reactiemengsel. Ze zijn pas goed doorlatend bij temperaturen tussen de 900 en 1000 graden Celsius.
Van Sint Annaland: `Uit het onderzoek blijkt dat met het reactorconcept de waterstofmembranen optimaal kunnen functioneren. Dat komt omdat de temperaturen in het wervelbed zeer goed beheersbaar zijn. Ook blijken de membranen goed bestand tegen vergiftiging met koolmonoxide zoals die in het reactiemengsel voorkomt. Het integreren van de twee typen membranen levert een hoge opbrengst van zeer zuivere waterstof op waarbij de omzetting van aardgas hoog is. Het systeem voorziet zelf in de warmtevraag voor de reactie. Van groot praktisch belang is verder dat het broeikasgas kooldioxyde (CO2) in zo'n zuivere vorm in de stoom zit die de reactor verlaat, dat het eenvoudig is af te vangen.'
Dat laatste is volgens Hans Kuipers voor medesponsor Shell een belangrijke drijfveer geweest om patent op dit nieuwe reactortype aan te vragen. Kuipers: `De technologie is opschaalbaar. Dat moet in vervolgonderzoek gebeuren. Het moeilijke bovenste deel van de reactor heeft Charudatta getest in een vat met een diameter van ongeveer tien centimeter. Een fatsoenlijke pilotplant moet een factor honderd meer productiecapaciteit hebben. Een belangrijke vraag voor de realisatie van een compacte reactor blijft hoe de membranen praktisch en efficiënt plaatsbaar zijn.'
Met enige slagen om de arm wil Kuipers wel over de toekomst filosoferen. `Ik stel me voor dat wanneer auto's in de toekomst eenmaal commercieel op brandstofcellen rijden, dat dergelijke reactoren bij bestaande tankstations komen te staan. Daar produceren ze dan tankbare hoeveelheden waterstof. Ze zullen bijvoorbeeld een diameter hebben van een meter en een hoogte van twee meter. Misschien dat tegen die tijd de installaties nog compacter kunnen. Zo is ECN bezig de waterstofmembranen te optimaliseren, en binnen onze faculteit werkt dr. Henny Bouwmeester aan betere perovskiete membranen. De reacties binnen de reactor vinden nu plaats bij bescheiden drukken tot vijf bar. Die verlopen bij een hogere werkdruk, tot 20 bar, wellicht nog efficiënter. Ook dan kunnen de installaties nog compacter. In Nederland maar ook in Amerika vinden op dit technologie-gebied, parallel, allerlei spannende ontwikkelingen plaats.'
Charudatta Patil (Foto: Arjan Reef)
