De productie van de belangrijkste grondstoffen voor kunstmest, ammoniak (NH₃) en stikstofoxiden (NOx), is een zeer energie-intensief proces. Deze is verantwoordelijk voor circa twee procent 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.

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 voor de productie van stikstofoxiden. In deze reactor glijdt bij atmosferische druk een plasmafront (een soort minibliksem) tussen twee uiteenlopende metalen oppervlaktes, beginnend bij een kleine opening (twee millimeter) tot een grotere afstand van vijf 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 zes 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 met 0,1 MJ/mol echter nog stukken lager. Op de lange termijn kan deze plasmatechniek dus een energiezuinig alternatief voor de huidige energievretende ammoniak- en nitraatproductie zijn.

Geen extra grondstoffen

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. Aan de TU/e is een tweede promovendus gestart met 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.

Patil verdedigt vandaag (donderdag 10 mei) zijn promotieonderzoek.

Bron: Persteam TU/e