Kunstmest produceren uit omgevingslucht mogelijk vijf keer zo zuinig

Afrikaanse boeren die in de toekomst hun eigen kunstmest produceren uit slechts omgevingslucht. Bhaskar S. Patil zet een belangrijke stap met een revolutionaire reactor die stikstof uit de lucht omvormt tot stikstofoxiden (NOx), de grondstof voor kunstmest. Zijn techniek is in theorie tot vijf keer zo energiezuinig als bestaande processen, en kan zonder grote investeringen als kleinschalige installatie bij afgelegen boerderijen worden geplaatst. Hij promoveert 10 mei aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e).

De productie van de belangrijkste grondstoffen voor kunstmest, ammoniak (NH3) en stikstofoxiden (NOx), is een zeer energie-intensief proces. Deze is verantwoordelijk voor ca. 2% van de wereldwijde CO2-uitstoot. Een besparing van het energieverbruik is via de huidige productieprocessen echter nauwelijks meer mogelijk, omdat het theoretisch minimaal haalbare energieverbruik al vrijwel is gerealiseerd.
Twee reactoren

De Indiase promovendus Patil zocht daarom voor zijn promotieonderzoek naar alternatieve productiemethodes van ammoniak en stikstofoxiden. Hij bouwde twee type reactoren, de zogeheten Gliding Arc (GA) reactor en de Dielectric Barrier Discharge (DBD) reactor. In zijn experimenten bleek de GA-reactor het meest geschikt te zijn voor de productie van stikstofoxiden. In deze reactor glijdt bij atmosferische druk een plasma-front (een soort mini-bliksem) tussen twee uiteenlopende metalen oppervlaktes, beginnend bij een kleine opening (2 mm) tot een grotere afstand van 5 centimeter. Door deze expansie koelt het plasma af tot kamertemperatuur. Tijdens het traject dat de 'bliksem' aflegt reageren stikstof (N2) en zuurstof (O2) uit de lucht in de directe nabijheid van het bliksemfront tot stikstofoxiden (NO en NO2).

Patil optimaliseerde deze reactor en kwam bij een volume van 6 liter per minuut tot een energieverbruik van 2,8 MJ per mol. Dit is nog ruim boven de commercieel uitontwikkelde methoden die ongeveer 0,5 MJ/mol verbruiken. Het theoretische minimum van de reactor van Patil ligt echter met 0,1 MJ/mol nog stukken lager. Op de lange termijn kan deze plasmatechniek dus een energiezuinig alternatief voor de huidige energievretende ammoniak- en nitraatproductie kan zijn. Een bijkomend voordeel is dat bij de methode van Patil geen extra grondstoffen nodig zijn en de productie kleinschalig met duurzame energie kan worden opgewekt. Hierdoor is zijn techniek uitermate geschikt voor toepassing in afgelegen gebieden die geen toegang hebben tot het elektriciteitsnet, bijvoorbeeld in Afrika.

Het Duitse Evonik Industries, een van de sponsoren van het onderzoek, werkt inmiddels aan het doorontwikkelen van de reactor. Daarnaast is bij de TU/e een tweede promovendus gestart aan het verder uitwerken van deze technologie tot concrete toepassingen. Naast gebruik bij afgelegen boerderijen is deze techniek ook in te zetten bij het stimuleren van plantengroei in kassen en bij de opslag van duurzame energie in vloeibare brandstoffen. Het promotieonderzoek van Patil is gefinancierd door het EU MAPSYN consortium.