Aardgas omzetten in andere chemische producten

In de chemische industrie wordt er veel gebruikt gemaakt van methaan. De belangrijkste bron van methaan is via de ontginning van aardgas. Het methaan in het aardgas wordt dan voor allerlei verschillende toepassingen gebruikt. De bekendste toepassing van aardgas is uiteraard als brandstof. Zo wordt aardgas gebruikt voor elektriciteit op te wekken. Aardgas is uiteraard ook een fossiele brandstof, dus bij de verbranding ervan ontstaat er een bepaalde hoeveelheid CO2. Maar in vergelijking met de andere soorten fossiele brandstoffen die er bestaan, dan is aardgas de meest milieuvriendelijkste van allemaal. De hoeveelheid CO2 die ontstaat per hoeveelheid arbeid die er geleverd is het kleinst voor de verbranding van aardgas in vergelijking met de andere fossiele brandstoffen. Ook wordt er ook meer warmte per massa-eenheid geproduceerd wanneer men aardgas verbrandt dan dat men eender welke fossiele brandstof verbrandt. Aardgas kan onder andere gebruikt worden voor de verwarming van gebouwen of om te koken. Al deze toepassingen liggen voor de hand wanneer men de eigenschappen van methaan beschouwd.

Maar naast de eigenschap dat er een relatief grote hoeveelheid energie vrijkomt bij de verbranding, heeft methaan ook nog andere eigenschappen. Deze eigenschappen zorgen ervoor dat methaan ook nog andere toepassingen kent. Eén van deze toepassingen is dat het een interessante grondstof is voor de productie van waterstofgas. Het proces waarbij er waterstof geproduceerd wordt, wordt stoomreforming genoemd. En bij stoomreforming wordt aardgas samengevoegd met stoom bij een temperatuur van 850°C en een druk van ongeveer 25 bar. Bij deze omstandigheden gaan de methaan en de watermoleculen met elkaar reageren tot CO en diwaterstof. Dit mengsel wordt ook syngas of synthesegas genoemd. Uit syngas kunnen synthetische koolwaterstoffen gemaakt worden. Er bestaan een hele reeks verschillende koolwaterstoffen die gebruikt worden in allerhande sectoren in de industrie. Een aantal van deze koolwaterstoffen worden veelvuldig gebruikt als brandstof.

Waarom het dan interessant is om van een brandstof, het aardgas, een andere brandstof te gaan maken? Wel, aardgas kent namelijk een nadeel en dat is dat het niet eenvoudig is om aardgas te transporteren. Het transport van aardgas over een lange afstand is een vrij dure zaak. Behalve dan wanneer er de juiste infrastructuur aanwezig is, en met de juiste infrastructuur worden dan pijpleidingen bedoeld. Dus wanneer dit niet het geval is, dan is het interessanter om het aardgas te gaan omzetten in een andere brandstof die eenvoudiger te transporteren is. Uiteraard is dit niet altijd mogelijk aangezien men voor alle toepassingen van aardgas ook die andere brandstof kan gebruiken.

Een andere toepassing van methaan, en dus van aardgas, is waarschijnlijk minder gekend. Namelijk dient aardgas ook als grondstof voor één van de belangrijkste stoffen voor de productie van de meest courante kunststoffen. Het gaat hier namelijk om de chemische stof etheen. Etheen of ethyleen is de eenvoudigste koolwaterstof met een reactieve dubbele koolstof-koolstof verbinding. En specifiek deze reactieve dubbele koolstof-koolstof verbinding is belangrijk voor het proces waarbij er kunststoffen geproduceerd worden. De productie van etheen gebeurt via een proces die stoomkraken genoemd wordt. Stoomkraken is in het algemeen een scheikundige techniek die vooral gebruikt wordt bij de verwerking van aardolieproducten. Bij deze techniek worden grotere organische moleculen omgevormd tot moleculen met een lager moleculair gewicht of tot moleculen die betere eigenschappen hebben. Bij deze eigenschappen gaat het dan meestal om deze die te maken hebben met de verbranding van de stoffen. De reactieproducten bij dit proces hangen sterk af van de temperatuur waarbij de reactie plaatsvindt. Dit proces wordt in het geval van etheen voor het introduceren van de dubbele koolstof-koolstof verbinding. Bij dit proces wordt er terug stoom toegevoegd aan het aardgas maar nu is de druk en de temperatuur verschillende dan bij stoomreforming. En hierdoor verkrijgt met ook andere reactieproducten. Dit proces verzorgd dus de productie van de belangrijkste grondstof voor de kunststofindustrie. Het etheen wordt onder andere gebruikt voor de productie zowel lage- als hoge-dichtheid polyehteen. Deze soorten kunststoffen zijn diegene die wereldwijd het meest gebruikt worden. Maar naast deze twee zijn er gigantische veel andere toepassingen voor ehteen.

Deze drie toepassingen (brandstof, grondstof voor syngas en voor etheen) zijn nu drie voorbeelden waarvoor methaan of dus aardgas gebruikt kan worden. Er bestaan nog vele andere maar dit zijn waarschijnlijk de drie voornaamste en hiervoor wordt dan ook het grootste aandeel van het ontgonnen aardgas gebruikt. Bij vele van de processen voor de verwerking van methaan is er een bepaalde hoeveelheid energie vereist, wanneer het gebruik van aardgas als brandstof buiten beschouwing wordt gelaten. Bij de twee andere processen is er telkens stoom nodig en dient het aardgas ook op een hoge temperatuur gebracht worden. En dan enkel bij stoomreforming is er een verhoogde druk nodig. Al deze zaken verkrijgt men niet zomaar en is er dus een bepaalde hoeveelheid energie voor nodig. Bij deze processen is er ook steeds een katalysator aanwezig die de reactie vlotter doet verlopen. En dus hoe beter deze katalysator, hoe efficiënter het proces zal verlopen. En dus wordt de chemische sector dan minder afhankelijk van de aardolieproducten die gebruikt worden als brandstof bij verschillende van de processen. Er zijn al heel veel onderzoeken gewijd aan de ontwikkeling van een zo geschikt mogelijke katalysator. Ook al is er veel geld en tijd gespendeerd is aan de ontwikkeling van de katalysator, toch bleek die niet zo eenvoudig te zijn.

Het komt er dus hoofdzakelijk op neer om de juiste katalysator te kunnen maken zodat die omzettingsproces van methaan veel efficiënter gaan verlopen. Een bedrijf uit California, Siluria Technologies heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om deze katalysators te produceren. Hun techniek richt zich vooral op de productie van katalysators voor de omzetting van methaan in etheen. Bij hun techniek wordt er gebruik gemaakt van een virus die in staat is om nanodraden te maken. Wanneer het virus onder bepaalde omstandigheden gebracht wordt, dan gaat het een nanodraad met een diameter van 9 nanometer en een lengte tot 900 nanometers gaan produceren. Het virus dient in principe als een soort sjabloon voor deze nanodraadjes. De techniek van Siluria gaat verder dan de productie van deze nanodraadjes, want op zich zijn deze niet direct bruikbaar. Maar aan de hand van mutaties van dit virus kunnen er met deze techniek een hele reeks verschillende nanodraadjes gemaakt worden. En op deze manier is men ook in staat om de verhouding van de elementen te gaan controleren die zich in de nanodraadjes bevinden. Men is volledig in staat om de opbouw en de samenstelling van de nanodraadjes die geproduceerd worden door deze virussen te gaan controleren.

Maar deze techniek maakt het nog niet onmiddellijk mogelijk om de geschikte katalysator te gaan ontwikkelen voor de omzetting van methaan in etheen. En aangezien deze technologie nog maar recent bestaat heeft men er niet veel ervaring mee. Daarnaast bestaan er niet direct gelijkaardige technieken. Dus momenteel probeert volgens "trail and error" om de juiste katalysator te maken. Er worden telkens een reeks verschillende katalysators gemaakt en deze worden dan één voor één getest. Tijdens deze testen kijkt men hoe geschikt de katalysators zijn voor de omzetting van methaan in etheen. En deze zomer kondigden de onderzoekers van Siluria aan dat ze een katalysator gevonden die wel eens commercieel interessant zou kunnen zijn. Deze nieuwe katalysator zorgt ervoor dat de omzettingseactie van methaan in etheen kan doorgaan bij een paar 100 graden Celsius minder dan met de beste katalysatoren die nu op de markt te vinden zijn. Dus op deze manier kan men al een grote hoeveelheid energie gaan besparen. Maar ook is het rendement van de omzettingsreactie van methaan in etheen hoger. Bij deze hoge temperatuur gaat er deel van de methaanmoleculen volledig gaan opbranden in plaats van dat ze omgezet worden in etheen. En dus hoe lager de temperatuur hoe minder methaanmolecules er volledig gaan opbranden. Ook zorgt deze katalysator ervoor dat de omzetting vlotter gaat verlopen.

Doordat er minder energie verbruikt wordt en doordat er minder methaan gaat verbranden wil dit zeggen dat er dus een grote vermindering zal zijn in de uitstoot van CO2 maar ook wordt er een heleboel geld bespaard. Natuurlijk zit de ontwikkeling van deze katalysator nog maar in een beginnende fase. Er dient dus nog veel werk te gebeuren vooraleer deze klaar is voor commercieel gebruik. Bij Siluria hopen ze tegen volgend jaar een proefproject te kunnen opstarten op commerciële schaal.

Geschreven door Emile Glorieux, bron [technologyreview]