Kinetic Modelling for a CO2/H2O-Plasma: a Vibrational Kinetics Study

Claudia Verheyen Claudia Verheyen
Het omzetten van CO2 via plasma's is de toekomst van onze energie en kan een oplossing zijn voor het klimaatprobleem. Hier wordt de conversie van CO2 en H2O als gasmengsel computationeel onderzocht.

Van CO2 naar energie, of hoe plasmachemie de klimaatverandering kan terugdraaien.

Het KMI bevestigt: de zomer van 2018 is de warmste sinds 1833, kopte de VRT. Van Europa tot Japan eiste de hittegolf mensenlevens. De belangrijkste oorzaak: de opwarming van de aarde. De belangrijkste uitdaging: hoe stoppen wij die?

De klimaatopwarming zorgt voor veel extreme weerfenomenen, zoals orkanen, zware stormen, stijgende zeespiegel en ook extreme hitte en droogte. Dit zorgt voor dodelijke slachtoffers en miljoenen mensen die op de vlucht slaan, de klimaatvluchtelingen. Daarom is volgens VN de opwarming van de aarde één van de grootste bedreigingen voor de mensheid. Getuigen hiervan zijn de vele klimaatconferenties met één belangrijk doel: de CO2-uitstoot verminderen.

CO2

Tijdens het opstellen van klimaatplannen wordt de focus vaak gelegd op het verminderen van de CO2-uitstoot. Dit is het meest bekende en belangrijkste broeikasgas. Broeikasgassen zijn een onderdeel van de aardse atmosfeer. Ze spelen een grote rol in de opwarming van de aarde doordat ze warmte opnemen van de zon. Zonder broeikasgassen was het dus een heel pak kouder. De laatste decennia is hun hoeveelheid echter enorm toegenomen. Hierdoor nemen ze te veel warmte op, waardoor de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt. Een belangrijke oorzaak hiervan is het gebruik van fossiele brandstoffen om energie op te wekken. De vraag is of de huidige maatregelen om de CO2-uitstoot te minderen voldoende zijn?

Het verminderen van de uitstoot van CO2 is al een goede stap om het probleem aan te pakken. Er bestaan ook al verschillende manieren op klimaatopwarming tegen te gaan. Zo kan men CO2 proberen op te vangen en ondergronds op te slaan, of investeren in hernieuwbare energie om de uitstoot te verminderen. Hernieuwbare energie kampt echter met het probleem dat het onvoorspelbaar is. Zo is niet elke dag even zonnig of waait de wind niet elke dag even hard. Soms wordt er ook meer energie geproduceerd dan dat er nodig is. Dan stelt zich het probleem hoe wij deze overtollige energie kunnen opslaan. Het opslagen van energie draagt ook bij tot de energiezekerheid en het vermijden van de gevreesde black-out.

Een CO2 neutrale kringloop

Een mogelijkheid om deze problemen te verhelpen is de opslag van energie in moleculen. Concreet wordt de (hernieuwbare) energie gebruikt om eerst CO2-moleculen te splitsen en dan om te zetten in meer bruikbare moleculen. Dit kunnen grondstoffen zijn voor de chemische industrie, zoals methanol (de niet drinkbare tegenhanger van ethanol, de alcohol die we drinken) en brandstoffen. Hierdoor kan men een gesloten CO2 neutrale kringloop creëren waarbij CO2 wordt omgezet in een brandstof en deze dan weer verbruikt kan worden. Hierbij kan dus het uitgestoten CO2 terug gerecycleerd worden. Meer nog, indien de producten geen brandstoffen zijn, kan de CO2 zelfs terug uit de atmosfeer gehaald worden.

De CO2-neutrale kringloop d.m.v. plasma conversie

De CO2-neutrale kringloop d.m.v. plasma conversie

Plasma

Het is echter niet zo vanzelfsprekend om CO2 op te splitsen en om te zetten, aangezien dit een zeer stabiele molecule is. Hiervoor zijn dus speciale condities vereist. Deze kunnen bereikt worden door gebruik te maken van een plasma. Hiermee wordt niet het bloedplasma bedoeld, maar een zeer reactief en energetisch gas dat net als bloedplasma bestaat uit verschillende componenten. Door deze mix van componenten, zoals geladen deeltjes, elektronen en radicalen, hebben plasma’s verschillende toepassingen. Denk maar aan plasma tv’s of neon lampen. Plasma kan echter ook gebruikt worden om CO2 om te zetten. Dit gebeurt in een plasmareactor waar gas wordt ingevoerd en door elektrische energie wordt omgezet in een plasma.

Plasma’s zijn heel geschikt voor deze taak aangezien plasmareactoren gemakkelijk aan en uit te schakelen zijn. Dit maakt hen heel bruikbaar om te combineren met hernieuwbare energie. Doordat, zoals eerder vermeld, de aanvoer van hernieuwbare energie niet altijd continu is, kan een plasmareactor gemakkelijk aangezet worden wanneer er te veel energie wordt geproduceerd. Anderzijds kan het ook gemakkelijk worden uitgeschakeld bij voldoende of een tekort aan geproduceerde hernieuwbare energie. Een ander voordeel is ook dat plasma’s bij veel verschillende condities kunnen werken en dus ook kunnen worden gefinetuned om de juiste condities te kiezen om een zo groot mogelijke conversie van CO2 te bereiken.

Het finetunen is een hele taak op zich en vereist ook meerdere jaren onderzoek. Verschillende parameters kunnen worden gevarieerd, zoals de druk, temperatuur en het gasmengsel (bijvoorbeeld toevoegen van water, om specifieke producten te vormen).  Het variëren van deze parameters is echter een hele opdracht.

Computermodellen

Een handige manier om deze taak te vergemakkelijken is het gebruik van computermodellen. Deze vereisen natuurlijk een basiskennis over de moleculen die gebruikt worden. In het geval van water en CO2 is bijvoorbeeld kennis nodig over de reacties tussen beide moleculen, en wat er gebeurt als ze botsen. Ook zijn de reacties tussen de moleculen en de plasmadeeltjes nodig, bv. de reactie tussen CO2 en een elektron. Langs de andere kant zijn ook de dimensies en het vermogen van de plasmareactor vereist. Al deze gegevens worden dan mooi ingevoerd in het computermodel, dat de CO2 conversie voor ons berekent in enkele uren. Deze beknopte tijd geeft wetenschappers de vrijheid om op korte tijd veel verschillende parameters te onderzoeken, zonder zelfs letterlijk van hun stoel te moeten komen. De modellen zijn natuurlijk wel gebaseerd op experimenteel onderzoek dat in labo’s gebeurt. Zo vullen experimenten en computermodellen elkaar aan: experimenten zorgen voor de nodige gegevens om de modellen te valideren en op te stellen; en anderzijds zorgen computergegevens voor de optimale werkingscondities voor de experimenten.

Dit samenspel is dus een goede start om een oplossing te vinden voor het CO2 probleem. Conversie van CO2 via plasma is echter pas het begin van de mogelijkheden die de wetenschap ons kan bieden. Als het dus van de (plasma)wetenschap afhangt, dan ziet onze toekomst er zeker groen en klimaatvriendelijk uit.

 

 

 

 

 

Bibliografie

(1)        Kozàk, T.; Bogaerts, A. Plasma Sources Sci. Technol. 2014, 23 (4).

(2)        Silva, T.; Grofulović, M.; Klarenaar, B. L. M.; Morillo-Candas, A. S.; Guaitella, O.; Engeln, R.; Pintassilgo, C. D.; Guerra, V. Plasma Sources Sci. Technol. 2018, 27 (1), 015019.

(3)        Senguptan, S. The New York Times. March 29, 2018.

(4)        IPCC. Climate Change 2013: The Fifth Assessment Report; 2014; Vol. 5.

(5)        Weart, S. R. The discovery of global warming’: New histories of Science, Technology, and Medicine, First.; Harvard University Press, 2003.

(6)        Arrhenius, S. Philos. Mag. Ser. 5 1896, 41 (251), 237–276.

(7)        Callendar, G. S. Q. J. R. Meteorol. Soc. 1938, 64 (1909), 223–240.

(8)        Keeling, C. D. Tellus 1960, 12 (2), 200–203.

(9)        European Commission. Energy 2020. A strategy for competitive, sustainable and secure energy; 2010.

(10)      European Commision. A policy framework for climate and energy in the period from 2020 to 2030; 2014.

(11)      Goede, A. P. H. EPJ Web Conf. 2015, 98, 07002-1-07002-26.

(12)      Snoeckx, R.; Bogaerts, A. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 5805–5863.

(13)      Kozák, T.; Bogaerts, A. Plasma Sources Sci. Technol. 2014, 24 (1), 015024.

(14)      Heijkers, S.; Snoeckx, R.; Kozák, T.; Silva, T.; Godfroid, T.; Britun, N.; Snyders, R.; Bogaerts, A. J. Phys. Chem. C 2015, 119 (23), 12815–12828.

(15)      Snoeckx, R.; Heijkers, S.; Van Wesenbeeck, K.; Lenaerts, S.; Bogaerts, A. Energy Environ. Sci. 2016, 9 (3), 999–1011.

(16)      Chen, G.; Silva, T.; Georgieva, V.; Godfroid, T.; Britun, N.; Snyders, R.; Delplancke-Ogletree, M. P. Int. J. Hydrogen Energy 2015, 40 (9), 3789–3796.

(17)      Silva, T.; Britun, N.; Godfroid, T.; Snyders, R. Plasma Sources Sci. Technol. 2014, 23 (2).

(18)      Fridman, A. Plasma Chemistry, 2nd ed.; Cambridge University Press: Drexel, 2008.

(19)      Rusanov, V. D.; Fridman, A. a.; Sholin, G. V. Uspekhi Fiz. Nauk 1981, 134 (June), 185.

(20)      Asisov, R. I.; Vakar, A. K.; Jivotov, V. K.; Krotov, M. F.; Zinoviev, O. A.; Potapkin, B. V; Rusanov, A. A.; Rusanov, V. D.; Fridman, A. A. Proc. USSR Acad. Sci. 1982, 271 (1).

(21)      Adamovich, I.; Baalrud, S.; Bogaerts, A.; Bruggeman, P. J. Phys. D. Appl. Phys. 2017, 50, 323001.

(22)      Spencer, L. F.; Gallimore, A. D. Plasma Sources Sci. Technol. 2013, 22 (1).

(23)      Nunnally, T.; Gutsol, K.; Rabinovich, A.; Fridman, A.; Gutsol, A.; Kemoun, A. J. Phys. D. Appl. Phys. 2011, 44 (27).

(24)      Aerts, R.; Somers, W.; Bogaerts, A. ChemSusChem 2015, 8 (4), 702–716.

(25)      Wang, Q.; Yan, B. H.; Jin, Y.; Cheng, Y. Plasma Chem. Plasma Process. 2009, 29 (3), 217–228.

(26)      Snoeckx, R.; Zeng, Y. X.; Tu, X.; Bogaerts, A. RSC Adv. 2015, 5 (38), 29799–29808.

(27)      Chung, W. C.; Pan, K. L.; Lee, H. M.; Chang, M. B. Dry reforming of methane with dielectric barrier discharge and ferroelectric packed-bed reactors; 2014; Vol. 28.

(28)      Cho, W.; Ju, W. S.; Lee, H.; Baek, Y. S.; Kim, Y. C. Proceedings of 7th International Conference on Carbon Dioxide Utilization; 2004.

(29)      Wu, A.; Yan, J.; Zhang, H.; Zhang, M.; Du, C.; Li, X. Int. J. Hydrogen Energy 2014, 39, 17656–17670.

(30)      Chun, Y. N.; Yang, Y. C.; Yoshikawa, K. Catal. Today 2009, 148 (3–4), 283–289.

(31)      Maya, L. J. Vac. Sci. Technol. A 2000, 18, 285–287.

(32)      De Bie, C.; van Dijk, J.; Bogaerts, A. J. Phys. Chem. C 2016, 120 (44), 25210–25224.

(33)      Savinov, S. Y.; Lee, H.; Song, H. K.; Na, B. K. Korean J. Chem. Eng. 2002, 19 (4), 564–566.

(34)      Snoeckx, R.; Ozkan, A.; Reniers, F.; Bogaerts, A. ChemSusChem 2017, 10 (2), 409–424.

(35)      Futamura, S.; Kabashima, H. Synthesis Gas Production from CO2 and H2O with Nonthermal Plasma; Elsevier Masson SAS, 2004; Vol. 153.

(36)      Chen, G.; Godfroid, T.; Britun, N.; Georgieva, V.; Delplancke-Ogletree, M. P.; Snyders, R. Appl. Catal. B Environ. 2017, 214, 114–125.

(37)      Neyts, E. C.; Yusupov, M.; Verlackt, C. C.; Bogaerts, A. J. Phys. D. Appl. Phys. 2014, 47, 29.

(38)      Itikawa, Y. J. Phys. Chem. Ref. Data 2002, 31 (3), 749–767.

(39)      Atkins, P.; Paula, J. De. Physical Chemistry: Thermodynamics, Structure, and Change, Tenth.; W.H Freeman and Company, 2006.

(40)      Herzberg, G. Molecular Spectra and Molecular Structure II: Infrared and Raman of Polyatomic Molecules, Seventh.; D. Van Nostrand Company INC.: Princeton, 1950.

(41)      Suzuki, I. J. Mol. Spectrosc. 1968, 25 (4), 479–500.

(42)      Bogaerts, A.; Wang, W.; Berthelot, A.; Guerra, V. Plasma Sources Sci. Technol. 2016, 25 (5), 055016.

(43)      Itikawa, Y.; Mason, N. J. Phys. Chem. Ref. Data 2005, 34 (1), 1–22.

(44)      Tennyson, J.; Zobov, N. F.; Williamson, R.; Polyansky, O. L.; Bernath, P. F. J. Phys. Chem. Ref. Data 2001, 30 (3), 735–831.

(45)      Smith, D. F.; Overend, J. Spectrochim. Acta Part A Mol. Spectrosc. 1972, 28 (3), 471–483.

(46)      Grofulović, M.; Alves, L. L.; Guerra, V. J. Phys. D. Appl. Phys. 2016, 49 (39).

(47)      Petrović, Z. L.; Šuvakov, M.; Nikitović, Z.; Dujko, S.; Šaić, O.; Jovanović, J.; Malović, G.; Stojanović, V. Plasma Sources Sci. Technol. 2007, 16 (1).

(48)      Hasegawa, H.; Date, H.; Shimozuma, M. J. Phys. D. Appl. Phys. 2007, 40 (8), 2495–2498.

(49)      Petrović, Z. L.; Dujko, S.; Marić, D.; Malović, G.; Nikitović, Ž.; Šašić, O.; Jovanović, J.; Stojanović, V.; Radmilović-Radenović, M. J. Phys. D. Appl. Phys. 2009, 42 (19).

(50)      Inan, U. S.; Golkowski, M. Principles of Plasma physics for Engineering and Scientists; 2011.

(51)      Hagelaar, G. J. M.; Pitchford, L. C. Plasma Sources Sci. Technol. 2005, 14 (4), 722–733.

(52)      Guerra, V.; Loureiro, J. Plasma Sources Sci. Technol. 1997, 6, 373–385.

(53)      Alves, L. L. Plasma Sources Sci. Technol. 2007, 16 (3), 557–569.

(54)      Berthelot, A.; Bogaerts, A. J. Phys. Chem. C 2017, 121 (15), 8236–8251.

(55)      Berthelot, A.; Bogaerts, A. Plasma Sources Sci. Technol. 2017, 26 (11), 115002.

(56)      Pancheshnyi, S.; Eismann, B.; Hagelaar, G. J. M.; Pitchford, L. C. University of Toulouse, LAPLACE, CNRS-UPS-INP: Toulouse 2008.

(57)      Klarenaar, B. L. M.; Engeln, R.; van den Bekerom, D. C. M.; van de Sanden, R.; Morillo-Candas, A. S. S.; Guaitella, O. Plasma Sources Sci. Technol. 2017, 26 (11), 115008.

(58)      Treanor, C. E.; Rich, J. W.; Rehm, R. G. J. Chem. Phys. 1968, 48 (4), 1798–1807.

(59)      Blauer, J. A. A Survey of Vibrational Relaxation Rate Data Processes Important to CO2-N2-H2O Infrared Plume Radiation; NTIS, 1973.

(60)      Schwartz, R. N.; Slawsky, Z. I.; Herzfeld, K. F. J. Chem. Phys. 1952, 20 (10), 1591–1599.

(61)      Gamache, R. R.; Lynch, R.; Plateaux, J. J.; Barbe, A. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 1997, 57 (4), 485–496.

(62)      TRINITI database www.lxcat.net/TRINITI.

(63)      Makochekanwa, C.; Kajita, R.; Kato, H.; Kitajima, M.; Cho, H.; Kimura, M.; Tanaka, H. J. Chem. Phys. 2005, 122 (1).

(64)      Yousfi, M.; Benabdessadok, M. D. J. Appl. Phys. 1996, 80 (12), 6619–6630.

(65)      Ness, K. F.; Robson, R. E.; Brunger, M. J.; White, R. D. J. Chem. Phys. 2012, 136 (2).

(66)      Muñoz, A.; Blanco, F.; Garcia, G.; Thorn, P. A.; Brunger, M. J.; Sullivan, J. P.; Buckman, S. J. Int. J. Mass Spectrom. 2008, 277 (1–3), 175–179.

(67)      Ness, K. F.; Robson, R. E. Phys. Rev. A 1988, 38 (3), 1446–1456.

(68)      Satoru Kawaguchi; Takahashi, K.; Satoh, K.; Itoh, H. Jpn. J. Appl. Phys. 2016, 55, 07LD03.

(69)      Gianturco, F. A.; Thompson, D. G. J. Phys. B. Atom. Molec. Phys. 1980, 13, 613–625.

(70)      Faure, A.; Gorfinkiel, J. D.; Tennyson, J. Mon. Not. R. Astron. Soc. 2004, 333, 323–333.

(71)      Jung, K.; Antoni, T.; Muller, R.; Kochem, K.; Ehrhardt, H. J. Phys. B At. Mol.phys 1982, 15, 3535–3555.

(72)      MacHado, L. E.; Brescansin, L. M.; Iga, I.; Lee, M. T. Eur. Phys. J. D 2005, 33 (2), 193–199.

(73)      Cho, H.; Park, Y. S.; Tanaka, H.; Buckman, S. J. J. Phys. B At. Mol. Opt. Phys. 2004, 37 (3), 625–634.

(74)      Itikawa, Y. Journal of the Physical Society of Japan. 1972, pp 217–226.

(75)      Seng, G.; Lindler, F. J. Phys. B. Atom. Molec. Phys. 1976, 9 (14).

(76)      Joshipura, K. N.; Pandya, S. H.; Mason, N. J. Eur. Phys. J. D 2017, 71 (4), 1–7.

(77)      Hayashi, M.; Pitchford, L. C.; McKoy, B. V.; Chutjian, A.; Trajmar, S. Swarm Studies and Inelastic Electron-Molecule Collisions; Springer-Verslag: New York, 1987.

(78)      Hayashi database www.lxcat.net/Hayashi.

(79)      Chen, G.; Britun, N.; Godfroid, T.; Georgieva, V.; Snyders, R. J. Phys. D. Appl. Phys. 2016, 50.

(80)      Berthelot, A. Modeling of microwave plasmas for carbon dioxide conversion, University Of Antwerp, 2018.

Universiteit of Hogeschool
Master Chemie
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. dr. Annemie Bogaerts; Prof. dr. Vasco Guerra
Kernwoorden
Deel deze scriptie