In het jaar 2050 moet 80% van de elektriciteit verkregen worden uit duurzame energiebronnen. Zon, wind en biomassa zijn de belangrijkste bronnen van energie. Maar ze zijn niet altijd gelijkmatig beschikbaar. Op winderige en zonnige dagen wordt er meer energie geproduceerd dan kan worden afgegeven aan het elektriciteitsnet. Deze veranderende beschikbaarheid is één van de grootste uitdagingen in de context van de energierevolutie. Overproductie van windenergie en fotovoltaïsche (zonne)installaties kan echter chemisch worden opgeslagen in energiedragers zoals waterstof of koolwaterstoffen. Op deze manier zou elektrische energie op een ander tijdstip beschikbaar gemaakt kunnen worden. Katalysatoren, elektrochemische cellen en reactoren zijn nodig om de energiebronnen om te zetten in opslagmoleculen zoals methaan, koolwaterstoffen of alcoholen. Deze moeten worden gebruikt in dynamische reactieomstandigheden. Hoe de invloed van veranderende externe omstandigheden – bijvoorbeeld de wisseling van windkracht en zonnestraling – de katalytische reactiesystemen beïnvloedt, is tot nu toe nauwelijks onderzocht. Tot nu toe werden de chemische reactoren meestal als vaste reactoren gebruikt.
“Wel is bekend dat de structuur van vaste katalysatoren en dus ook hun katalytisch effect sterk kan veranderen met de reactieomstandigheden. Dit is op wetenschappelijk gebied zeer interessant,” legt Professor Jan-Dierk Grunwaldt van de Instituten voor Technische Chemie en Polymeerchemie (ITCP) en Katalyseonderzoek en Technologie (IKFT) van het Karlsruhe Technologisch Instituut (KIT) uit.
Befaamde onderzoeksinstellingen uit heel Duitsland
Het landelijke, interdisciplinaire onderzoeksprogramma van de Duitse Onderzoeksinstelling (DFG) werd in februari 2019 geïntroduceerd onder de naam “Prioriteitenprogramma 2080 – Katalysatoren en reactoren onder dynamische werkomstandigheden voor energieopslag en -conversie (SPP 2080, DynaKat)”
“Onderzoek kan niet zonder netwerken en teamwork verlopen, omdat de individuele deeldisciplines zeer complex zijn.”
De coördinatie is de verantwoordelijkheid van het Karlsruhe Technologisch Instituut (KIT) als sterkste partner in het project. Daarbij zijn er vele andere befaamde onderzoeksinstellingen uit heel Duitsland bij betrokken, waaronder het Onderzoekscentrum Jülich, de TU München en verschillende Max Planck instituten zoals het Berlijnse Fritz Haber Instituut. In totaal zijn er twaalf grote onderzoeksconsortia die fundamentele en methodologische uitdagingen van de dynamische werking in interdisciplinaire samenwerking onderzoeken. De bovenregionale onderzoeksprojecten zijn onderverdeeld in 34 deelprojecten.
Inzicht in en verbetering van dynamische omstandigheden
De snelle ontwikkelings van spectroscopische methoden en modellering in combinatie met nieuwe werkwijzen op het gebied van materiaal- en reactorontwerp bieden uitstekende omstandigheden voor onderzoek. Recent onderzoek heeft ook aangetoond dat de structuur van vaste katalysatoren – en dus ook het katalysatoreffect bij de reactieomstandigheden – aanzienlijk kan veranderen. Enerzijds is er de mogelijkheid om het rendement van de gewenste reactieproducten te verhogen door middel van een dynamische werking en om katalysatoren in rustfasen te reactiveren. Aan de andere kant moeten de nano-gestructureerde katalysatoren worden gestabiliseerd. Efficiënt gebruik van dynamische reactieomstandigheden vereist daarom een fundamenteel begrip van alle betrokken processen – van de atomaire schaal van de katalysator tot de driedimensionale concentratie en temperatuurverdeling in de technische reactor.
“We willen veranderingen in het materiaal van de katalysatoren onder dynamische omstandigheden fundamenteel begrijpen en verbeteren,” licht Dr. Erisa Saraçi, wetenschappelijke assistent op het IKFT, het project toe. Alle betrokken processen worden onderzocht, van de processen op atoomniveau van de katalysator tot de ruimtelijke verdeling van materiaalsamenstellingen en temperaturen op reactorniveau. Voor een fundamenteel begrip van de processen en het ontwikkelen van nieuwe werkwijzen in materiaal- en reactorontwerp wordt zowel gebruik gemaakt van klassieke bestaande experimenten als van de nieuwste spectroscopische methoden en modelleringsmogelijkheden.
“Dit is op wetenschappelijk gebied zeer interessant”
De verwachte toename van kennis zou in de toekomst voor een efficiënte werking van katalytische systemen onder dynamische omstandigheden moeten zorgen. De basiskennis hiervan zal worden ontwikkeld aan de hand van het voorbeeld van reacties voor energieopslag en -omzetting en zal de basis vormen voor toekomstige technologische toepassingen.
Kenmerkend voor alle onderzochte systemen is dat de dynamiek van buitenaf systematisch wordt beïnvloed in het tijdsdomein tussen seconden en dagen. Ofwel omdat de opgelegde dynamiek alleen met grote inspanning kan worden vermeden (bijvoorbeeld een wisselende toevoer van elektrische energie), of omdat er gerechtvaardigde voordelen voor ruimte-tijd opbrengsten of selectiviteit van katalytische reacties worden verwacht van de dynamische werking.
Open voor jonge wetenschappers en verder onderzoek
De resultaten zijn ook interessant voor andere sectoren zoals uitlaatgaskatalyse, selectieve oxidatie, brandstofcellen, batterijen of fotokatalyse. Deze toepassingen, evenals volledig fysisch-chemische studies, maken echter geen deel uit van het onderzoeksproject. Het interdisciplinair onderzoeksproject wordt uitgevoerd in Technical Chemistry of Chemical Reaction Engineering en staat nadrukkelijk open voor andere domeinen van de chemie, fysica of materiaalkunde die bijdragen aan het onderwerp.
De betrokkenheid van jonge wetenschappers speelt ook een belangrijke rol in het DFG prioriteitenprogramma DynaKat. Een blokcursus bij het KIT over “Technologieën en middelen voor hernieuwbare energie: Van wind- en zonne-energie tot chemische energiebronnen” is toegankelijk voor geïnteresseerde studenten en promovendi.
“Onderzoek kan niet zonder netwerken en teamwork verlopen, omdat de individuele deeldisciplines zeer complex zijn,” zegt Sebastian Weber, een promovendus bij IKFT/ITCP. Saraçi en Weber benadrukken dat de uitwisseling en het samenbrengen van verschillende expertise bijzonder waardevol is voor jonge wetenschappers. “Het doel is om competenties te bundelen en het themagebied in heel Duitsland te bevorderen om zo een internationale leider op dit gebied te worden,” zei programmacoördinator Grundwaldt.
