Waterstofproductie in een nieuw jasje

Wat als binnenkort de voorraad fossiele brandstoffen aan zijn einde komt? Hoe kunnen we de opwarming van de aarde tegengaan? Deze vragen worden hoe langer hoe meer realiteit en de zoektocht naar oplossingen komt stilaan op gang. Maar toch moet er meer gebeuren om alternatieve energiebronnen werkelijkheid te maken. Daarom probeerden wij met onze thesis een steentje bij te dragen aan dit maatschappelijk probleem.

Alternatieve energiebron

Onderzoekers hebben de laatste decennia veel vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen. Daarmee wordt getracht de negatieve impact op het milieu en de broeikasgassen te verminderen. De meest voor de hand liggende zijn de windturbines, zonnepanelen en stuwdammen. Maar ook naar minder bekende alternatieven worden volop onderzocht. Zo kan waterstof gebruikt worden als alternatieve brandstof waarbij geen giftige gassen geproduceerd worden bij verbranding. Recentelijk stelde enkele grote autoproducenten hun nieuwe modellen op waterstof voor, zoals de u misschien wel bekende Toyota Mirai. Maar ook De Lijn wil bussen inzetten werkende op waterstof. Is de oplossing dan niet reeds gevonden? Niet helemaal; voor de productie van waterstof wordt voornamelijk gebruik gemaakt van het stoomreforming proces. Hierbij wordt methaangas door een chemische reactie omgevormd tot waterstofgas en koolstofdioxide. Dus dan mag de verbranding van waterstof wel onschadelijk zijn, blijkbaar komen er bij de productie toch ook broeikasgassen vrij.

Waterstofproductie zonder uitstoot

Een recenter proces is het zonne-thermisch kraken van methaan. Dit is een veelbelovende technologie die gebruikt kan worden voor de productie van waterstof zonder hiermee schadelijk te zijn voor het milieu. Het algemeen principe van dit proces is eenvoudig: methaangas wordt gevoed aan een zonne-reactor waarin geconcentreerde zonne-energie het gas opwarmt tot zijn ontbindingstemperatuur om zo waterstof en koolstof te produceren. In tegenstelling tot stoomreforming komt hierbij geen toevoeging van zuurstof aan te pas waardoor de vorming van broeikasgassen vermeden wordt. De geproduceerde koolstofpartikels zijn niet enkel een bijproduct, maar hebben vanwege hun hoge zuiverheid ook een economische waarde. Ze kunnen in verschillende industrieën gebruikt worden zonder veel aanpassingen. Echter, de productie ervan zorgt ook voor een ernstig knelpunt om het proces te commercialiseren. De volatiele koolstofpartikels slaan neer op de wanden ter hoogte van de kleinere uitlaatpoort van de reactor. Zodra de uitlaat van de zonne-reactor volledig geblokkeerd is door koolstof deeltjes zal de druk in de reactor zodanig opbouwen dat het uiteindelijk zal leiden tot het breken van het glazen scherm wat het productieproces zal doen stoppen. Om commercieel gebruikt te worden moet het proces continu zijn en moet dit probleem dus aangepakt worden.

Het uitlaatpoort mechanisme

In onze thesis hebben wij een oplossing ontworpen en ontwikkeld dat de uitlaatpoort mechanisch schoonmaakt en vrijhoudt van afzetting. Hierbij werd al snel duidelijk dat we ons op nieuw terrein bevonden, en dat er nog maar weinig onderzoek was in dit gebied. Daarom begon onze zoektocht naar een oplossing met een diepgaande literatuurstudie over de bestaande reactoren en de eigenschappen van koolstof, die dan uiteindelijk leidde tot een ontwerp. Kenmerkend aan dit ontwerp is de rotatiebeweging van een schraper die een schuifspanning levert om zo de krachten tussen de partikels onderling en de partikels met de wand te overwinnen. Ons doel was het optimaal benutten van de eigenschappen van koolstofpartikels. Zo hebben ze bijvoorbeeld een smerend karakter, waardoor de levensduur van verschillende onderdelen danig verhoogd kon worden. Ook zouden verwijderde, afgekoelde partikels niet meer opnieuw afzetten verder in de afvoer. Dit werd duidelijk na een grondige studie van de thermoforetische kracht, wat het drijvend mechanisme bleek te zijn achter de afzetting van koolstofpartikels. Bijkomend werd een analyse gemaakt van een koelsysteem om de afzetting te bevorderen. Dit lijkt tegenstrijdig, maar zal dus uiteindelijk voorkomen dat verderop in de afvoer van de reactor verstopping voorkomen.

Het ontwerp in de praktijk

Om enkele experimenten op het mechanisme uit te kunnen voeren moesten we dit ook in de praktijk uitwerken. Een zorgvuldige selectie van onderdelen en materialen moesten de kwaliteit van het mechanisme waarborgen. Alle onderdelen werden afzonderlijk gefabriceerd en vervolgens tot één werkend geheel geassembleerd. Een eerste voorbereiding van de experimentele fase was het maken van een basis testopstelling. Dit om het geheel in vast te zetten en de uitlijning van motor en overbrengingen te voorzien. Vervolgens werd een alternatief poeder voor koolstof gekozen met gelijkaardige eigenschappen en gedragingen om zo gemakkelijker en veiliger de werking van het mechanisme te testen.

Wat nu?

Het resultaat mag er zeker zijn. Het mechanisme, volledig van nul uitgedacht, ontworpen en gefabriceerd, blijkt te werken en is klaar voor de volgende stap. Wat die volgende stap precies is? Om te beginnen moeten enkele optimalisaties in het model doorgevoerd worden en moeten enkele experimenten uitgevoerd worden om de volledige compatibiliteit en werking op de reactor te verzekeren. Dan kan het model uitvergroot worden om in de toekomst voor grotere reactoren te dienen.

Het zonne-thermisch kraken van methaan is nog niet klaar voor commercialisatie, maar de volgende stap is gezet. Wij denken alvast dat er toekomst in zit!