Biomassa gaat een 'klapper' worden
Hoe vervuilend ze ook zijn, kolen, aardgas en ruwe olie zijn nog steeds onmisbaar voor onze energievoorziening. Ook belangrijke delen van de chemische industrie zouden zonder het 'zwarte goud' met hun handen in het haar zitten. Intussen wordt echter intensief gezocht naar betaalbare en duurzame alternatieven. Eén van die alternatieven is biomassa. Hoewel niet direct de 'heilige graal' van een volledig duurzame energievoorziening, wordt het voor de middellange termijn als een veelbelovend alternatief voor de huidige brandstoffen beschouwd. Vooral in de transportsector wint biobrandstof terrein. Op dit moment wordt dat, met name in verschillende Zuid-Amerikaanse landen en in de VS, gewonnen door biomassa te vergisten tot ethanol. Die aanpak heeft echter een paar nadelen. In de eerste plaats kan ethanol als hoofdbrandstof alleen worden gebruikt in auto's met aangepaste motoren en daarvan rijden er, behalve in Brazilië, nog maar weinig rond. Maar bovendien heeft de groeiende vraag naar biomassa inmiddels geleid tot forse prijsstijgingen van onder meer soja en maïs, basisingrediënten in het voedsel van de allerarmsten in de betreffende landen.
Al enige tijd wordt daarom nagedacht over alternatieven, vertelt Weckhuysen, waarbij de moeilijk afbreekbare, meer houtachtige componenten van biomassa centraal staan. "In de landbouw en de bosbouw gaan wereldwijd jaarlijks miljarden tonnen plantaardig materiaal als afval verloren, die heel goed als biomassa te gebruiken zijn. Vandaar dat er momenteel heel wat belangstelling is om nieuwe katalytische processen die uitgaan van biomassa te ontwikkelen, niet alleen om brandstof te maken, maar ook om biomassa bruikbaar te maken als grondstof voor de chemische en farmaceutische industrie."
De oproep van de overheid aan consortia van universiteiten en bedrijven om in het kader van het nieuwe Smart Mix-programma voorstellen te doen voor maatschappelijk relevant onderzoek, had voor de Nederlandse katalytici dan ook niet op een beter moment kunnen komen, zegt Weckhuysen lachend. Acht universiteiten, die al jaren samenwerken in het Nederlands Instituut voor Onderzoek in de Katalyse (NIOK), sloegen de handen ineen met heel wat chemische bedrijven. Ze formuleerden onder de naam CATCHBIO (Catalysis for Sustainable Chemicals from Biomass) een ambitieus onderzoeksvoorstel, dat dit voorjaar na een uitputtende selectie werd gehonoreerd. Slechts zeven van de 155 ingediende consortia haalden de eindstreep.
"Het heeft geholpen dat duurzaamheid hot is", denkt Weckhuysen. "Maar ons succes is naar mijn mening zeker ook te danken aan de goede samenwerking tussen universiteiten en industrie. Als Belg heb ik er geen moeite mee om de loftrompet te steken op de kwaliteit van het Nederlandse katalyse onderzoek. Dat wordt algemeen beschouwd als de Europese top, maar die positie is mede te danken aan de enorm sterke positie van de chemische industrie in dit land. Vergeet niet dat het gebied tussen Antwerpen, Terneuzen en Rotterdam, samen met de kuststrook van Texas-Louisiana, de grootste dichtheid aan chemische bedrijven ter wereld kent."
Bioraffinaderijen
Nu de subsidie binnen is, kan het werk beginnen; één van de grootste uitdagingen voor de komende jaren is het ontwikkelen van katalysatoren die biomassa om kunnen zetten in een nieuwe generatie motorbrandstoffen. "Aardolie bestaat chemisch gesproken uit lange ketens van koolwaterstof, maar biomassa bestaat uit moleculen, die naast koolstof en waterstof ook zuurstof bevatten. Het probleem is dat materiaal met zuurstof erin een lagere energie-inhoud heeft waardoor je met eenzelfde hoeveelheid brandstof minder afstand kunt afleggen. Je hebt dus efficiënte katalysatoren nodig om de zuurstof eruit te halen. Onze eerste taak zal dan ook zijn om op zoek te gaan naar katalytische materialen die deze omzetting voor hun rekening nemen en dan liefst ook nog op een manier waarbij er zo min mogelijk CO2 vrijkomt."
Maar met nieuwe katalysatoren alleen ben je er niet, merkt Weckhuysen op, want een tweede vraag is hoe een toekomstig productieproces vorm moet krijgen. "Gaan er straks grote bioraffinaderijen in Rotterdam komen? Of is het zinniger om bij de boeren zelf kleine bedrijfjes neer te zetten? Dat scheelt enorm in de transportkosten, want biomassa bevat veel water. Maar als we voor die oplossing kiezen, impliceert dat niet alleen een heel ander reactortype, maar ook een andere bedrijfsvoering. Daar komt nog bij dat we niet alleen mikken op biobrandstof, maar ook op nieuwe grondstoffen voor de chemische industrie. Kunnen die nieuwe 'boerenbedrijfjes' dat ook gaan maken?
"Wij hebben het Copernicus Instituut voor Duurzame Ontwikkeling in Utrecht gevraagd om naar dit soort vragen te kijken en de zaak door te rekenen. Maar ze gaan ook de maatschappelijke aspecten op een rijtje te zetten. Opmerkelijk was dat wij er in eerste instantie helemaal niet aan hadden gedacht om het Copernicus Instituut bij CATCHBIO te betrekken. Het was de industrie die ons op dat idee bracht. Gelukkig maar, want in ons gesprek met de Smart Mix adviescommissie was dat één van de eerste vragen, die de voorzitter stelde."
Innovaties
Een derde poot van het CATCHBIO voorstel is zo mogelijk nog ambitieuzer dan de eerste twee want, zegt Weckhuysen, dankzij de zuurstof zou biomassa wel eens aan de basis kunnen komen te staan van totaal nieuwe producten. "Een groot aantal industriële producten, zoals bijvoorbeeld plastics, worden momenteel gemaakt op basis van aardolie. Naar biomassa is voor dat doel eigenlijk nooit echt goed gekeken en het is dus denkbaar dat het gebruik ervan zal leiden tot totaal nieuwe producten waarvan we ons nu nog geen voorstelling kunnen maken. Ook daarvoor moeten we eerst nieuwe katalysatoren ontwikkelen. Dat vind ik persoonlijk een enorm spannend aspect van dit onderzoek."
Weckhuysen is ervan overtuigd dat het onderzoek naar nieuwe biobrandstoffen "een klapper" gaat worden maar, waarschuwt hij, "we moeten geduld hebben, want in dit type onderzoek duurt het vaak een jaar of twintig voordat innovaties echt gaan doorwerken." Een paar deuren verder op de gang in het Wentgebouw doet zijn collega Krijn de Jong onderzoek naar de mogelijkheden van waterstof als energiebron. Vriend en vijand zijn het erover eens dat een doorbraak in dat onderzoek een échte revolutie in de duurzame energie voorziening met zich mee zal brengen, maar dat betekent wat Weckhuysen betreft niet dat alles nu maar verder op die ene kaart moet worden gezet. "Het energieprobleem is zo gigantisch dat we alle opties open moeten houden. Bovendien gaat ons onderzoek naar biomassa veel nuttige nieuwe kennis opleveren. Nee, ik twijfel geen moment: de investering in CATCHBIO is alleszins de moeite waard."
Smart Mix
Smart Mix is een nieuw subsidieprogramma van de Nederlandse overheid met een jaarlijks budget van 100 miljoen euro. Het programma, dat in het voorjaar van 2006 werd gelanceerd, is gericht op het stimuleren van de samenwerking tussen ondernemingen, maatschappelijke instellingen en kennisinstellingen.
Consortia van gebruikers van kennis (ondernemingen, organisaties e.d.) konden tot 1 september 2006 samen met universiteiten, hogescholen en onderzoeksinstellingen een programmavoorstel indienen, gericht op het stimuleren van innovatie, waarmee Nederland internationaal kan uitblinken.
In totaal werden in deze eerste ronde zeven van de 155 ingediende voorstellen gehonoreerd. Behalve in het katalyse-voorstel is Utrecht ook goed vertegenwoordigd in een voorstel van de Universiteit Twente en in..... De afdeling orthopedie van het UMC Utrecht is een van de deelnemers in het project Translational Regenerative Medicine.
Een positief advies kregen:
- Lionix b.v.
MEMPHIS: Merging Electronics and Micro and Nano Photonics in integrated systems
- Radboud Universiteit Nijmegen
Braingain, brain-computer and computer-brain interfaces
- Stichting Applied Piezo
SMART systems based on integrated PIEzo (SMARTPIE)
- TU Delft
Nano Imaging under industrial conditions (NIMIC)
- Universiteit Leiden
A new generation of high-efficiency screens for drugs against major human illnesses
- Universiteit Twente
Translational Regenerative Medicine
- Universiteit Utrecht
Catalysis for Sustainable Chemicals from Biomass; CATCHBIO
Wat wordt gemaakt met katalyse
Bij het leeuwendeel van industriële chemische processen speelt katalyse een rol. Bekende voorbeelden van 'katalytische' producten zijn:
- Margarine: plantaardige olie wordt met waterstof over een katalysator van nikkel geleid;
- Kunstmest: methaan en stikstof worden verbrand met een katalysator van ijzer;
- Antivries: etheen wordt met zuurstof over een katalysator van zilver geleid;
- Plastic: etheen of propeen wordt bij hoge druk over een katalysator van chroom of titaan geleid;
- Benzine en diesel: lange koolwaterstoffen uit ruwe aardolie worden door een zeoliet-katalysator 'geknipt' in kortere koolwaterstofketens; de brandstof wordt 'zwavelarm' gemaakt door een katalysator op basis van molybdeen en nikkel of cobalt.
Katalyse: nanodeeltjes verpakt in 'hagelslag'.
Op een kast in zijn werkkamer staat een metalen koker met daarin een poreus stuk aluminiumoxide. "Kijk", zegt Bert Weckhuysen, "deze katalysator heb ik cadeau gekregen in Toyota City. Het is de 'kat' van de Toyota Yaris en de meeste lezers kennen het woord 'katalysator' waarschijnlijk alleen in deze betekenis. Als je in de Van Dale kijkt, zie je echter dat 'toestel tussen motor en uitlaatpijp om de uitstoot van uitlaatgassen te beperken' daar pas als derde uitleg wordt gegeven. De hoofdbetekenis is 'stof die een chemisch proces bespoedigt'."
Om uit te leggen wat katalyse is, vergeleek wielerliefhebber Weckhuysen ruim vijf jaar geleden in zijn oratie de door Lance Armstrong gewonnen etappe Aix les Bains - Alpe d'Huez uit de Tour de France van 2001 met de door Marc Wauters in diezelfde Tour in een veel snellere tijd gewonnen etappe Calais - Antwerpen. "Een chemische reactie verloopt zoals een Alpenrit. De moleculen moeten, net als de renners, over bergen en dalen voor ze de finish bereiken, dat wil zeggen, voordat ze zijn omgezet in een ander molecuul. Een katalysator zorgt ervoor dat dezelfde reactie via een ander, gemakkelijker reactiepad en daardoor sneller en beter verloopt. Een goede katalysator maakt van een Alpenrit een vrijwel vlakke etappe."
In meer chemische termen is een katalysator een stof die een reactie tussen twee of meer moleculen bewerkstelligt of versnelt, maar die zelf ongeschonden uit die reactie te voorschijn komt. Neem zwavelwaterstof, het beruchte rotte-eierengas, dat normaal verbrandt tot het schadelijke SO2. Wanneer het echter met zuurstof door een katalysator van ijzeroxide (roest) wordt geleid, verandert het in water en het onschuldige zuivere zwavel.
Hoewel de Zweedse chemicus Berzelius al in 1835 ontdekte dat ethanol in wijnazijn kon worden omgezet door het in contact te brengen met platinadeeltjes, bleef katalyse lange tijd een onbegrepen proces. "Het was: twee stoffen bij elkaar gooien en maar zien wat er gebeurde. Pas vanaf de tweede helft van vorige eeuw werd helemaal duidelijk dat een katalytische reactie in feite bestaat uit een aantal deelreacties, waarbij de katalysator uiterst kortstondig met de aangevoerde moleculen reageert, om meteen daarna weer zijn oorspronkelijke vorm aan te nemen. De ontwikkeling van geavanceerde spectroscopische en microscopische methodes heeft voor een doorbraak in ons begrip gezorgd", aldus Weckhuysen.
Droom
De onderzoeksgroep van Weckhuysen gebruikt verschillende spectroscopische technieken om de werking van katalysatoren te doorgronden. "Een katalysator bestaat uit deeltjes ter grootte van enkele nanometers (10-9 meter), waarvan sommige iets doen en andere niets. Als ik die deeltjes met een bepaald soort licht beschijn, reageren de actieve deeltjes anders dan de inactieve deeltjes. Daardoor kunnen we vaststellen welke deeltjes op welk moment van de reactie actief zijn. We willen nu met een optische vezel elk individueel nanodeeltje aftasten, niet alleen om de vorm te zien, maar ook om spectra te meten, terwijl de reactie bezig is.
"Nu zijn katalytische reacties uiterst complexe processen en elke spectroscopische techniek geeft maar informatie over één aspect ervan. Door met één techniek te meten, krijg je dus maar een stukje van de puzzel te zien. Het was mijn droom om een aantal van die technieken in één opstelling te combineren, zodat we verschillende aspecten van de reactie in hun onderlinge samenhang konden bekijken. Een paar jaar geleden is dat gelukt in het kader van mijn VICI onderzoeksproject. Aanvankelijk konden we drie technieken in één systeem combineren en inmiddels zijn het er al vijf. Ik ben niet iemand om mezelf op de borst te kloppen, maar dit is wel een typisch Utrechtse benadering, waarvoor dit lab onder meer bekend staat."
Hoewel het werkzame deel van een katalysator bestaat uit nanodeeltjes, komt bij een katalytische reactie meer kijken. Om dat duidelijk te maken start de van origine Belgische hoogleraar op zijn laptop een 'movietje', zoals hij het noemt. "Kijk, dit is de Antwerpse haven en daar staat een fabriek met daarin een paar katalytische reactoren van drie meter hoog. Dat is het eerste niveau van een katalytisch proces. Nu jump ik op een molecuul dat de katalysator wordt ingestuurd. Ik kom nu eerst in een ruimte vol 'hagelslag' van een paar millimeter (10-3 meter) groot, extrudaten genoemd. Dat is het tweede niveau. Maar die extrudaten zijn weer opgebouwd uit zogeheten zeolieten, kristallen van enkele micrometers (10-6 meter) met allemaal poriën en kanalen. Op de wanden van die poriën zitten de nanodeeltjes van de werkzame stof, meestal een metaal of metaaloxide verbinding. Je zou denken dat alleen dat laatste niveau ons interesseert, maar in feite zijn alle vier niveau's van belang om de preciese werking van een katalysator te doorgronden. Essentieel is bijvoorbeeld dat de kanalen in de zeolieten breed genoeg zijn voor de gasmoleculen die ik er doorheen stuur om met de actieve fase te reageren. Vandaar dat wij de spectroscopie in ons lab op alle vier lengteschalen toepassen."
Monnikenwerk
Niet alle spectroscopische technieken zijn in Utrecht voorhanden. Vandaar dat de medewerkers van Weckhuysen met hun opstellingen periodiek in een busje naar Grenoble rijden om katalysatormaterialen in de Europese Synchrotron faciliteit te onderwerpen aan hoog-energetische röntgenstraling. "Daar blijven ze dan een dag of tien om met een onwaarschijnlijke hoeveelheid data terug te komen. Ga maar na. Per techniek krijg je ongeveer vijftig spectra per seconde. Stel dat een experiment met vijf verschillende technieken vier uur duurt. Dan zijn dat dus voor één experiment al ruim 3,5 miljoen spectra. Gelukkig hebben we inmiddels computerprogramma's om die data te verwerken, maar desondanks zijn twee postdocs hier nu al maanden bezig met het analyseren van de resultaten van onze laatste sessie."
Maar dat monnikenwerk loont, want de aanpak van de onderzoeksgroep van Weckhuysen heeft inmiddels al zoveel nieuwe informatie opgeleverd dat hij niet meer alleen aan begrip, maar nu ook al aan rational design begint te denken. "Dat wil zeggen dat we op een drager precies die deeltjes hopen te kunnen plaatsen die we willen hebben. We zijn daar nu mee aan het experimenteren en ik heb goede hoop dat het gaat lukken. In real time een katalytisch proces bijsturen op basis van lichtmetingen. Als dat zou lukken, zou het echt een geweldige doorbraak betekenen."