Nieuwe katalysator maakt CO2-afvang mogelijk in ‘coal to liquids’

Volgens de energieconsumptievoorspellingen blijft steenkool de komende tientallen jaren één van ’s werelds belangrijkste energiebronnen. Een groeiend deel ervan zal worden gebruikt om vloeibare brandstoffen te maken, via ‘coal-to-liquids’ (CTL). Onderzoekers uit China en van de TU Eindhoven hebben ijzerkatalysatoren ontwikkeld die de CTL-kosten drukken en het mogelijk maken om de grote hoeveelheden CO2 die erbij vrij komen, af te vangen. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances.

Om de vinding te kunnen plaatsen, is wat kennis van CTL nodig. De eerste stap ervan is de omzetting van kolen naar syngas, een mengsel van koolmonoxide (CO) en waterstof (H2). Daarna wordt een deel van de CO eruit gehaald door middel van ‘water-gas shift’. Het doel hiervan is de juiste verhouding te bereiken tussen de CO en H2. In de volgende stap wordt het mengsel middels het zogenaamde Fischer-Tropsch-proces omgezet naar de gewenste vloeibare brandstoffen, zoals benzine of diesel.
De Chinese en Eindhovense onderzoekers wisten een belangrijk probleem op te lossen in de Fischer-Tropsch reactor. Zoals bij de meeste chemische productieprocessen, zijn ook hier katalysatoren nodig om de reacties mogelijk te maken. CTL-katalysatoren zijn in het algemeen gebaseerd op ijzer. Ze hebben echter als nadeel dat ze ongeveer dertig procent van het CO omzetten in ongewenst CO2, in plaats van in brandstof. Het CO2 is in deze processtap moeilijk af te vangen, en komt daardoor veelal in de atmosfeer terecht. Bovendien neemt het een hoop energie op, die daardoor verloren gaat.

Uit het onderzoek blijkt nu dat de dertig procent CO2 ontstaat doordat de ijzerkatalysatoren niet puur zijn, maar bestaan uit meerdere componenten. De onderzoekers wisten een pure vorm van een specifieke katalysator te maken, genaamd epsilon-ijzercarbide, die een zeer lage CO2-selectiviteit heeft. Met andere woorden: deze katalysator genereert vrijwel geen kooldioxide. Het bestaan van deze katalysator was al langer bekend, maar hij stond te boek als te instabiel voor de hoge druk en temperatuur van het Fischer-Tropsch-proces. Die instabiliteit werd veroorzaakt door de verontreinigingen van de katalysator, ontdekte het onderzoeksteam. Hun pure epsilon-ijzercarbide daarentegen blijft stabiel werken onder typische industriële procescondities van 2500C en 23 bar.

De nieuwe katalysator zorgt ervoor dat er geen CO2 meer vrijkomt in de Fischer-Tropsch reactor. Daardoor daalt het energieverbruik, wat bij een typische CTL-fabriek 25 miljoen euro per jaar kan schelen. De CO2 die voorheen vrijkwam in deze processtap, kan nu worden verwijderd in de voorafgaande ‘water-gas -shift’ stap. Dat is goed nieuws, want in die stap is de kooldioxide veel eenvoudiger af te vangen. De technologie die dit afvangen mogelijk moet gaan maken heet CCUS (carbon capture, utilization and storage), en wordt ontwikkeld door andere partijen. CCUS wordt momenteel toegepast in meerdere proeffabrieken.

Het omzetten van kolen naar vloeibare brandstoffen is vooral belangrijk in landen die zelf veel kolen hebben maar weinig olie, zoals China en de VS. “We zijn ons ervan bewust dat onze nieuwe technologie bijdraagt aan het gebruik van fossiele brandstoffen die zijn gebaseerd op kolen”, vertelt hoofdonderzoeker hoogleraar Emiel Hensen van de TU Eindhoven. “Maar het is zeer waarschijnlijk dat landen met veel kolen hun kolenvoorraden zullen blijven benutten in de komende decennia. We willen ze helpen om dit zo duurzaam mogelijk te doen.”

De onderzoeksresultaten zullen waarschijnlijk ook een rem zetten op de pogingen om CTL-katalysatoren te ontwikkelen gebaseerd op kobalt. Kobaltkatalysatoren hebben weliswaar niet het CO2-probleem, maar ze zijn duur en kobalt wordt in rap tempo schaars door het toegenomen gebruik in batterijen.

Hensen verwacht dat epsilon-ijzercarbide ook een belangrijke rol gaat spelen in de toekomstige energievoorziening en basischemie. De bronnen zijn dan geen fossiele brandstoffen meer, maar afval en biomassa. Bij de omzetting hiervan ontstaat in eerste instantie ook syngas, en dat kan dus heel goed worden omgezet met behulp van epsilon-ijzercarbide.

Foto: Bart van Overbeeke.