Van fossiele naar hernieuwbare energie: een sleutelrol voor katalyse

Waarom? Het is een beetje zoals bouwen met legoblokjes. Als je een constructie van blokjes wilt veranderen, klik je eerst alle blokjes los om ze vervolgens op een andere manier weer vast te klikken. Op het moment dat alle blokjes los zijn kan het al snel een chaos worden. De katalysator zorgt ervoor dat er geen chaos komt, zodat de nieuwe constructie er zo efficiënt mogelijk komt. Van oudsher richt katalyseonderzoek zich op de omzetting van fossiele grondstoffen naar bijvoorbeeld brandstoffen en smeermiddelen. Tegenwoordig is de focus van dit onderzoek verschoven naar de omzetting van hernieuwbare energie naar nieuwe energiedragers, zoals waterstof, of de omzetting van CO₂ naar bijvoorbeeld synthetische kerosine.

Maar wat is zo’n katalysator nou precies en waarom is dat onderzoek nodig? Simpel gezegd is een katalysator een stof waarop een chemische reactie plaatsvindt zonder dat de katalysator zelf wordt verbruikt. Belangrijke eigenschappen van een katalysator zijn activiteit, selectiviteit en stabiliteit. De activiteit bepaalt in welke mate de chemische reactie wordt versneld, met een hoge selectiviteit zijn er zo min mogelijk ongewenste bijproducten en de stabiliteit bepaalt de levensduur van de katalysator.

Het is niet vanzelfsprekend dat een katalysator deze eigenschappen heeft. De ontwikkeling van een katalysator kan daardoor soms wel jaren duren. Typische katalysatoren die Shell gebruikt, bestaan uit actieve componenten en een zogenoemd dragermateriaal. Dit dragermateriaal is vaak poreus met een groot intern oppervlak, een beetje zoals een fijne spons. Op dat interne oppervlak wordt dan zeer fijn de actieve stof van de katalysator verdeeld. Daar vindt de chemische reactie plaats. Meestal is de actieve stof een metaal zoals bijvoorbeeld nikkel, kobalt, ijzer, zilver of platina.

Shell maakt katalysatoren in een zogenaamde katalysekeuken door de verschillende bestanddelen in poedervorm te mengen en een vloeistof toe te voegen om een soort deeg te kneden. Dit deeg wordt met een zogeheten extruder, een soort spaghettimachine, tot slierten geperst. Deze lange slierten worden gebakken en daarna op maat gebroken en gezeefd. De onderzoekers maken de katalysatoren eerst op gram-schaal en testen of ze aan de vereisten voldoen. Na een positief resultaat kan de extruder de katalysator op kilogram-schaal maken, geschikt voor een test in een proefinstallatie. Als de ontwikkeling is afgerond binnen ETCA dan worden katalysatoren vaak op grote schaal gemaakt. Ook als de katalysatoren in echte fabrieken worden gebruikt, blijft Shell een grote rol spelen bij de technische ondersteuning.

Traditioneel katalyseonderzoek op basis van fossiele grondstoffen heeft Shell door de jaren heen een flink aantal innovaties opgeleverd waarbij de katalysator sleutel was tot succes. Bijvoorbeeld de gas-to-liquids (GTL) technologie. Dit proces zet aardgas om in vloeibare producten zoals diesel, kerosine en smeermiddelen. Zonder katalysator is deze technologie technisch niet haalbaar.

Hieronder twee voorbeelden waarom katalyse een belangrijke rol speelt in de energietransitie:

• Om fluctuaties in de beschikbaarheid van hernieuwbare elektriciteit, zoals van windmolens en zonnepanelen, op te vangen kan elektriciteit omgezet worden in waterstof. Een katalysator helpt met dezelfde hoeveelheid energie meer waterstof te maken.
• Katalysatoren kunnen CO₂ uit de atmosfeer omzetten in bijvoorbeeld brandstoffen waardoor deze koolstofneutraal zijn als ze worden gebruikt.

De onderzoekers van Shell werken hard om de nieuwe katalysatoren die nodig zijn voor de energietransitie dusdanig verder te ontwikkelen zodat ze op grote schaal toegepast kunnen worden.