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). Met de door Emiel Hensen en collega's ontwikkelde katalysator kan die proces efficienter worden uitgevoerd, en bovendien de hierbij geproduceerde CO₂ worden afgevangen.

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.

Probleem

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.

Energiezuinig

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 TU/e-hoogleraar Hensen. “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.”

Kobalt

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.