Ideale verbranding

Stel je voor dat aardgas wordt ontdekt! In poreuze zandsteen, diep in onze bodem, blijken vele duizenden miljarden kubieke meters methaan te zitten, genoeg om generaties lang in alle energiebehoeften van de Nederlanders te kunnen voorzien. Je kunt het je niet goed voorstellen, zoveel is het.

Nu we toch aan het fantaseren zijn, kunnen we ons ook nog wel voorstellen dat besloten wordt om dit gas niet te verkopen, maar om het, inderdaad, zelf te gebruiken. Dat zullen we dan zo zuinig mogelijk doen, om er lang mee toe te kunnen en ook omdat verspilling niet in onze aard ligt. Tot zover de hypothesen.

Gevraagd wordt nu hoe je aardgas ideaal verbrandt. Verbranding betekent dat een reeks chemische reacties tussen moleculen van methaan, zuurstof en tussenprodukten optreedt, die als resultaat heeft dat

CH4+2O2 --> 2H2O+CO2+[Q1]

Q1 = 9,23 eV is de per CH4-molecuul vrijgekomen energie; hier en in het vervolg worden energie-waarden bij 25 oC bedoeld. Ideaal betekent dat deze energie elektrisch beschikbaar komt, want dan is het nut het grootst. Elektriciteit is immers de veelzijdigste energievorm die we kennen. Zij kan gemakkelijk en nauwkeurig aan bijna al onze energiebehoeften worden aangepast, zodat geen elektronvolt verspild hoeft te worden.

Als we niets bijzonders doen en de natuur haar gang laten gaan, dan leidt de verbranding van CH4 in lucht (die O2 bevat) tot een vlam waarin de energie Q1 thermisch beschikbaar is. Daarvan kunnen we echter gewoonlijk niet meer dan 0,4 Q1 in elektrische energie omzetten, of 0,5 Q1 als we erg ons best doen. Het rendement van 50% geldt voor de machinecombinatie van een gasturbine, die zo'n 30% van de thermische energie in de hete gassen uit een verbrandingskamer omzet in kinetische energie, en een stoomturbine die nog eens zo'n 30% van de resterende 70% thermische energie in de uitlaatgassen van de gasturbine omzet; met een draaistroomgenerator kan de kinetische energie van de beide turbines praktisch volledig worden omgezet in elektrische energie. Zo houden we ten minste 0,5 Q1 over als thermische energie bij lage temperatuur. Verre van ideaal!

We moeten het anders aanpakken. Zonder vlam! Daar, in die hete moleculaire chaos, zit de sterke entropietoename die we moeten zien te vermijden. Maar hoe? Kijken we goed, dan zien we dat de chemische reacties tussen moleculen van methaan, zuurstof en tussenprodukten met ladingstransport gepaard gaan. Zo worden de atomen H en O als de ionen H+ en O2- van het ene naar het andere molecuul overgedragen. Wanneer we die ladingsoverdracht niet chaotisch, maar gericht laten verlopen, vermijden we een sterke entropietoename en hebben we Q1 bovendien in een elektrische stroom gevangen. Ter vervanging van de vlam zoeken we dus naar een medium dat H+ of O2- apart van de hun neutraliserende elektronen (of gaten) 'van links naar rechts' kan transporteren. Dat is een elektrolyt tussen twee elektroden.

Laten we ons in elektrolytische cellen verdiepen. Daarin wordt niet alleen een ionenstroom op gang gebracht, zodat er een neutraliserende stroom van elektronen (of gaten) nodig is die door een extern circuit gaat, maar ook treden 'koude' reacties tussen deze ionen en de elektronen (of gaten) aan de elektroden op, die gekatalyseerd kunnen worden. Voor het goede verloop van deze reacties is het wenselijk dat ze eenvoudig zijn en bij voorkeur alleen H+ en O2- betreffen. De basisreactie is

H2 + 1/2 O2 --> H2O + [Q2]

met Q2 = 2,96 eV de per H-molecuul vrijgekomen energie. Daarom is het wenselijk het methaan eerst in waterstof om te zetten, waarvoor een hoge temperatuur (800 oC), stoom en wat energie nodig is:

CH4+H2O+[Q3]-->3H2+CO

Deze energie Q3 = 2,59 eV krijg je ruim terug bij het verbranden van de waterstof en van het koolmonoxyde dat ook ontstaan is

CO + 1/2 O2 --> CO2 + [Q4]

met Q4 = 2,93 eV. Natuurlijk geldt dat de boven besproken Q1 gelijk is aan (3Q2+Q4-Q3) zoals die hier zijn gegeven.

Willen we een cel waar de gewenste waterstof aan een elektrode ontstaat, dan moet die op 800 oC werken. Bij die temperatuur zijn zure elektrolyten, die zo goed H+-ionen geleiden, wegens hun vluchtigheid onbruikbaar. Voor een geschikte elektrolyt moeten we dus zoeken bij hitte-bestendige materialen die goed O2--ionen geleiden. Hoe beter het materiaal geleidt, des te beter zal het elektrisch rendement van de cel zijn, want ohmse weerstand leidt tot warmte-ontwikkeling. De specifieke weerstand ρ voor ionen met een dichtheid n en een lading q hangt als volgt samen met de diffusiecoëfficiënt D

ρ = kT/(nq2D)

waar, zoals gewoonlijk, k de constante van Boltzmann en T de temperatuur is. ldeaal zou zijn dat D oneindig groot is, maar deze coëfficiënt is altijd behoorlijk wat kleiner dan 10-5 m2 s-1, een waarde die gegeven wordt door het produkt van een atomaire trillingsfrequentie en het kwadraat van een atomaire afstand. Daarom is ρ altijd behoorlijk wat groter dan zo'n 10-7 Ωm en loont het om de elektrolyt zo dun mogelijk te maken.

Tot zover kunnen we het vraagstuk bij een hypothetisch gegeven op eigen kracht oplossen, dat is: met de gegevens van elementaire leerboeken en een klein beetje gezond verstand. Maar we willen meer. We spieken. We breken in in een gefantaseerd materialen-laboratorium en vinden een rapport! Als we het al niet gedacht hadden: daar wordt munt geslagen uit het snelle zuurstoftransport in onregelmatige, niet stoichiometrische structuren zoals van (Zr,Y)O2, waarin de zuurstof stroomt alsof ze vloeibaar is!

'Onze cel is buisvormig. De eerste die we probeerden had een lengte van 0,3 m en een diameter van 12,5 mm. De cel bestond uit een poreuze buis van calcium-gestabiliseerd zirconiumoxyde, die achtereenvolgens dienst deed als drager voor de opgedampte kathode, de elektrolyt en de anode. De kathode was een poreuze laag van strontium-gedoteerd lanthaanmanganiet waardoor de zuurstof werd aangevoerd. De elektrolyt was een 0,05 mm dik laagje van yttrium-gestabiliseerd zirconiumoxyde. De anode, waar de omvorming van methaan in waterstof en koolmonoxyde plaatsvond, was een opgedampte laag van een nikkel-zirconia cermet (een verbinding van een keramisch materiaal met een metaal). De cel leverde ongeveer 23 ampère bij ongeveer 0,6 volt, ofwel 14 watt. Door de buizen in een bundel van 18 (3 parallel en 6 in serie) in een nikkelvilt aaneen te sinteren ontstond een blokje van 250 watt. Het elektrisch rendement lag tussen 50 en 85%'.

Maar spieken mag niet. Trouwens, het vraagstuk dat we zelf al een heel eind hebben opgelost, is van academische aard. Het aardige van academische kwesties is dat bedrijfsbelangen ons niet beletten om ze netjes op te lossen. En hoe aardig ziet deze oplossing er uit! Als wij aardgasgebruikers zouden worden, zouden we wel eens voordeliger zelf onze elektriciteit kunnen maken dan de centrale opwekkers met hun vlammen, hun grote machines en hun transport- en distributienet het kunnen leveren. Onbekommerd leun ik achterover: het is maar een gedachtenspelletje.


Free web hostingWeb hosting